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宇航用钛合金的研究进展

时间:2022-06-16   访问量:1370
一、国外研究进展
由于大型航空发动机压气机对工作在 300~3504 用材的需要,俄罗斯的全俄轻金属研究院研制出了性能优于 BT22的一种新的航空用钛合金 BT37。新合金的名义化学成分为T-5Al-5Mo-5V-1Fe-1Cr-1.7Sn-2.5Z,该合金通过同时添加锡和锆改善强度和高温蠕变性能。截面尺寸为 150~200mm的 BT37 合金大型模锻件和自由锻件,其静强度和疲劳强度均比 BT3-1 合金高25%;固溶强化的 BT37 合金的静强度和疲劳强度比金属间化合物强化的高温钛合金高20% ~25%以上。用 BT37 合金取代老牌的 BT3-1、BT6 热强钛合金,用来制造在300~350° 工作的大尺寸压气机盘和叶片,可使质量减轻 20%~25%国外还研制出多种高强钛合金,如Ti-5553 (Ti-5Al-5 Mo-5V-3Cr)和 Ti-55531 ( Ti-5Al-5V-5 Mo-3Cr-1Zr)等Ti-5553 为高强近 B钛合金,淬透性高,可替代 BT22 和T-1023钛合金而大量使用在飞机的起落架上。俄罗斯的VSMPO 联合体分别用 B锻和Q+B锻制造了该合金的大型锻件。Ti-55531 是空客公司与俄罗斯合作开发的新型高强高韧近 阝型钛合金,强度与韧性匹配良好,首次应用实例是 A380机翼与挂架的连接装置。T3553 (Ti-3 A1-5Mo-5V-3Cr) 合金是用于紧固件,其强度和加工性能均优于T-6A1-4V 钛合金。在承压管路系统用材方面,已研制成功一种新的钛合金 Ti3331 (Ti-3A1-3V-3Mo-1Zr),其强度比Ti3A1-2.5V 高30%左右。高强可焊钛合金T-110 (Ti-5.5Al-1.2Mo-1.2V-4Nb-2Fe)是为 Antonov 飞机的重型构架设计的,合金的力学性能与 BT22 的力学性能相当,但具有优良的焊接性能,焊接强度系数可达 0.95。优良的焊接性能是由于同晶型的B 稳定元素溶于。相中,有利于铁等元素的均匀分布,错的加人能细化品粒,减少了间隙元素在晶界的偏析。该合金典型的力学性能为R≥1100MPa、A≥10%、Z≥35%,淬透深度可达到 40mm为保障飞机发动机的安全性,国外成功研制出阻燃钛合金,其典型代表是 Alloy C(Ti-35V-15Cr) 和Ti-25V-15Cr-2/A1.0.2C 合金,分别是美国和英国研制的一种高稳定化的阻燃钛合金,具有良好的阻燃性能和力学性能。AlloyC己在 F22飞机的 F119 发动机中得到实际应用。
二、国内研究进展
(一)高温钛合金
近10年及未来5~10年内,国内高温钛合金研发将主要集中在600°高温钛合金。对 600°高温钛合金的研究对象主要是T60 和T600。表7-5为国内600°高温钛合金力学性能与国外的对比,国内合金的总体性能不低于国外。Ti60合金是以中国科学院金属所为主研制的,T600 是西北有色金属研究院独家研制的。
T60钛合金名义成分为 Ti-5.5A1-4Sn-2Zr-1 Mo-0.35i-1Nd-0.05C,是在T55基础上改进研制的。它含有稀士金属Nd,是一种综合性能良好的近&型热强钛合金。该合金长时间工作温度可达600°,用于航空发动机高压段的压气机盘、鼓筒和叶片等零件。中科院金属所在Ti60 合金基础上又研制出 T60A 合金(Ti-5.8A1-4. 0Sn-3.5Zr-0.4Mo-0.4Si-0. 4Nb-0. 4Ta-0. 05C)Ti-600 合金是Ti-Al-Mo-Sn-Zr-Si-Y 系,是西北有色金属研究院研制的一种新型近。高温钛合金,该合金具有较好的综合性能,尤其是蠕变性能非常优异,可在600~650°下长期使用。T600 合金的研制达到中试试验规模,国外一公司己正式订购。
北京航空材料研究院也研制出一种 600° 高温钛合金,名为TC6。用该合金制备出的模锻件具有良好的力学性能。
(二)高强钛合金
对高强钛合金研究主要集中在 TB8 ( B21s)、TC18(BT22)、TC21 等钛合金,它们的综合性能对比见表77。表7-7中的 TC21、Ti-B18 和Ti-B20 为高强高冲击韧性钛合金,Ti-B19 为高强高韧耐蚀钛合金,均是西北有色金属研究院创新研制的。
TB8 和TC18 为仿制合金。
TB8 钛合金的名义成分是Ti-15Mo-3A1-2.7Nb-0.2Si(8215),是一种多用途的结构材料,可用于飞机液压系统燃油箱、箔材用钛基复合材料的基体以及化工设备。用TB8钛合金除了生产板材带材外,也可生产箔材丝材管材棒材和锻件。板材主要用于制造中等复杂程度的飞机冷成型钣金零件,可以代替强度水平相当于 30CrMnSiA 结构钢的零件及热成型的钛合金零件。通过不同的时效制度,可以实现不同强度和塑性的匹配,满足高结构效益、高可靠性的设计要求。对 TC21 ( Ti-6A1-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-1Nb-0.1Si) 合金的研制,已完成实验室、中试及工业规模三个周期的研究,目0巴扩大至了-51能型,制备出 o13--400mm 不同规格的林村。大规格样村在保证室温高强度的前提下,断裂韧性可商
达90MPa•m'?。研究表明,TC21 钛合金具有良好的强度塑性、断裂物性、裂纹扩展速率的匹配,是一种非常有应用前景的高理高韧损份容限型结构钛合金。在航空航天工业和民用行业中均可望获得广泛应用。BT-6554 高强高韧钛合金(Ti-6Cr-5Mo-5V-4A1)是宝鸡有色金属加工厂开发的,它的 $210mm 棒材力学性能达到:0,= 1270MPa, o. = 1230MPa, 8= 10% ,  = 26%Krc =77.8MPa • mi北京有色金属研究院和宝鸡有色金属加工厂联合研制出1-63 高强高韧钛合金(Ti-Al-V-Cr-Mo-Sn-Zr-Si),其g1200MPa, Kic =77MPa西北有色金属研究院还创新研制出 T-1300、Ti-5322等高强钛合金。Ti-1300 的抗拉强度超过 1350MPa,伸长率超过896,断裂韧性超过 55MPa •m'2。 Ti-5322 抗拉强度超过1300MPa, 伸长率超过7%。
(三)阻燃钛合金
为解决飞机发动机因故障引发的“钛火”问题,西北有色金属研究院研制出具有中国特色的T40 阻燃钛合金,及具有自主知识产权的工i14 阻燃钛合金。Ti4D 的名义成分为 T-257-15C=-0.2S1,是高合金化的Ti-VC-系全B型钛合金,其主要性能特点是有良好的抗燃烧性能和高温性能,它将适合于做一飞机发动机关键部件(机匣和叶片)。



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