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钛合金 航空紧固件不可缺少的材料

2019-01-09 15:49:46 www.zjmist.com 阅读

飞机的设计越来越追求省油、低碳、环保,因此对于飞机结构来说,就在不断地寻找更好、更优化的解决方案,既能解决所需的强度和耐久性问题,同时又兼顾不增加多余的重量。而这恰巧是钛合金的优势所在,我想随着钛合金加工成本的不断下降,未来其在飞机结构中的应用会越来越广泛。

 

目前钛及钛合金的应用情况

 

飞机经过近百年的历史,其机身的材料已经从最初的织物、木质材料,发展为铝合金材料,近来又逐渐向碳纤维复合材料演变。此外,在一些需要高强度连接的地方,钢材料虽然仍然是首选,但是已经逐渐开始被钛合金取代,用于减轻结构重量。不同的材料相接触,不可避免的会发生电偶腐蚀,尤其是随着碳纤维复合材料的大量应用,因为钛合金具有与碳纤维复合材料相近的电位,因此钛合金被更加广泛地与碳纤维复合材料配合使用。

 

现代商用飞机普遍采用涡轮风扇发动机来提高燃油效率,从而节能减排。从结构上看,涡轮风扇发动机可以分为风扇、压缩机、燃烧室和涡轮机四大部分,发动机后部的燃料燃烧带动位于前部的燃气轮机和风扇叶片运转,推进力由从叶片吸入的空气向后流动以及燃烧气体向后排放的反作用力产生。在前半部分的风扇和压缩机,温度相对较低,这正是钛合金应用的主要地方。而后半部分的涡轮机和燃烧室,温度相对较高,基本使用镍基合金。

 

为什么选择钛合金?

是钛合金的基本特性成就了它成为航空航天工业的理想选择,主要包括:

 

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重量-强度比

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钛合金比钢轻很多,但是可以提供必要的强度而不增加不必要的重量。这就意味着飞机可以实现减重而不减小强度。

 

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耐腐蚀性

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钛合金天然的防腐能力,几乎可以取消使用特殊表面防腐涂料喷涂的工作,当然钛合金与其它金属材料接触时还是需要的。

 

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热膨胀率

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钛合金在不同的温度下都是值得信赖的材料,与其它很多常用的复合金属具有相同的热膨胀率,这使得它非常“受欢迎”。

 

常见的钛及钛合金材料

 

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商业纯钛

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按强度来分,商业纯钛可以分为四个等级,因此可以根据应用实际所需的强度和加工性来选择最适合的材料。商业纯钛基本用于非结构性应用中,主要是利用其卓越的耐腐蚀性和成型特性。

 

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钛合金

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钛合金可以分为α、α-β、β三大类

1)α钛合金

这类钛合金不可以热处理,在结构上可焊接,具有以下特点:

中低强度等级;

良好的缺口韧性;

优秀的延展性;

在低温下具有优异的机械性能;

 

2)α-β钛合金

这类钛合金可以热处理,大多数是可以焊接的,特点如下:

中高强度等级;

高温蠕变强度不如α钛合金;

冷成型能力有限,但热成型质量通常较好;

 

我们最常见到的Ti-6Al-4V就是α-β钛合金,它可以被称为钛合金的“主力”,是所有钛合金中最常用的,几乎占据钛合金的半壁江山。其应用在机身、引擎上随处可见。结构紧固件如高锁螺栓和环槽钉大多是Ti-6Al-4V材料。

  3)β钛合金

β钛合金完全可以热处理,通常可焊接,具有以下特点:

强度等级高;

具有良好的抗蠕变特性;

比较常见的β类钛合金包括:

Ti3Al8V6Cr4Mo4Zr ASTM Grade 19

Ti15Mo3Nb3Al2Si ASTM Grade 21

 钛合金紧固件注意事项

  在大多数钛合金紧固件的失效模式中,对于设计的选用以及材料的认知不足往往是最主要的原因。例如,钛合金的零部件不可以进行镀镉或镀银处理,因为这会是钛合金在常温下脆化的来源。

 此外,在安装过程中,施加的扭矩、摩擦系数、装配工艺等都是非常复杂的不确定因素,在某些极限的情况下,多重因素的合力作用会导致钛合金紧固件发生失效。比如钛合金螺纹紧固件在安装过程中,非常容易发生滑丝等问题,因此选用钛合金紧固件时,其表面润滑处理就变得更为重要。

 总结

 钛及钛合金的高强度-低密度特性确保了其在航空机身结构和发动机应用中的积极作用。很难想象如果没有钛和钛合金的存在,发动机功率与重量比、机身强度和飞行航程等关键因素是如何实现的。

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