【板材】钛合金打造世界最大的航空发动机

    钛合金打造世界最大的航空发动机

钛合金打造世界最大的航空发动机

据国外媒体报道，英国的罗尔斯-罗伊斯公司（rolls-royce）简称罗罗公司（rr），是世界上著名的航空、汽车发动机制造公司与高档轿制造公司，于3月制造出商标为“ultrafan”（超扇）的航空发动机，当下在德比工厂（derby）内生产的是发动机模块，首台演示发动机计划今年12月下线。这台举世无双的超级发动机的风扇直径3.6m，它的风扇系统是用碳纤维增强的陶瓷基复合材料与钛合金制造的，在英国的布里斯托尔（bristol）工厂制造，而它的传动齿轮箱系统则在德国的达勒维茨（darevinze）工厂加工，其传动功率50mw。

报道称，这台演示发动机是新型“超扇”系列发动机的基础，而该系列发动机不但可装于窄体民机，也可为大型宽体民机提供强大的动力，与罗罗公司的第一代特伦特（trent）发动机相比，燃油效率提高25%，首次试运行，将使用100%的可持续航空燃料，很可能是液氢与液氧。

“超扇”发动机的尖端关键技术采用了经过考验的全新的“先进3（advance 3）”核心构架与“阿利克西斯（alecsys）”稀薄燃烧系统，不但有最高的燃烧效率，而且温室气体排放少，叶片用陶瓷基复合材料（cmc）制造，机罩材料为钛合金，每架飞机质量可减轻680kg。

钛合金在航空航天的应用

钛合金在航空工业上的应用分为飞机结构钛合金和发动机结构钛合金。航天方面，钛合金主要作为火箭、导弹及宇宙飞船等的结构、容器制造材料。飞机结构钛合金使用温度要求一般为350℃以下，要求具有高的比强度、良好的韧性、优异的抗疲劳性能、良好的焊接工艺性能等。发动机用钛合金要求具有高的比强度、热稳定性好、抗氧化、抗蠕变等性能。航天飞行器除航空用钛合金的性能需求外，还要求能够耐高温、抗辐射等。

飞机钛合金结构件主要应用部位有起落架部件、框、梁、机身蒙皮、隔热罩等。俄罗斯的伊尔-76飞机采用高强度bt22钛合金制造起落架和承力梁等关键部件。波音747主起落架传动横梁材料为ti-6al-4v，锻件长6.20米、宽0.95米，质量达1545千克。高强高韧ti-62222s钛合金被用在c-17飞机水平安定面转轴关键部位。f-22飞机发动机所处的后机身区域及机尾隔热罩设计为钛合金薄壁结构，具备良好的耐温性能。

航空发动机方面，钛合金材料的应用领域有压气机盘、叶片、鼓筒、高压压气机转子、压气机机匣等。现代涡轮发动机结构重量的30%左右为采用钛合金材料制造，钛合金的应用降低了压缩机叶片和风扇叶片的质量，同时还延长了零部件的寿命与检查间隔。波音747-8genx发动机风扇叶片的前缘与尖部，采用了钛合金防护套，在10年的服役期内仅做过3次更换。

航空用钛合金锻件需要经过铸锭、制坯、模锻、机加等过程，获得所需要的材料组织和性能，往往用其来制造飞机骨架主承力构件和发动机转子等。按照hb5024-1989，大型锻件的外径不小于500毫米。随着飞机和发动机的发展，航空锻件的质量要求越来越高、尺寸越来越大、形状越来越复杂。飞机结构件外形复杂，材料利用率一般不超过10%。f-22飞机四个大型主承力加强框材料为ti-6al-4v eli，模锻件的投影面积为4.06～5.67平方米。近年来，我国航空钛合金的专业化锻造设备有了大幅度提升，现已经可以生产出5平方米级别的钛合金整体锻件。

航天飞行器在超高温、超低温、高真空、高应力、强腐蚀等极端条件下工作，除需要高超的结构设计技术外，还依赖材料所具有的优异特性和功能。钛合金在制造燃料储箱、火箭发动机壳体、火箭喷嘴导管、人造卫星外壳等方面得到了典型应用。

由于钛合金材料优异的性能，某些航空飞行器的重点部位也采用钛合金材料制造。如进气道唇口是采用钛合金材料3d打印方式制造的零件，实现了结构件与功能件的整体化设计、制造等。

航空航天工业中常用的钛合金紧固件主要包括铆钉、螺栓及特种紧固件等。

美国f-22飞机上使用的钛合金紧固件有：高强钛合金螺栓、环槽钉、光杆锥度高锁螺栓、自夹持螺栓、钛铌铆钉及粘接螺母。我国2014年首飞的国产商用大飞机c919，单机钛合金紧固件用量达20万件以上。钛合金紧固件的开发和应用，为飞机结构的进一步减重提供了可能。波音747飞机紧固件以钛代钢后，其结构重量减轻1814千克。俄罗斯的伊尔-96飞机一架用14.2万紧固件，以钛代钢后减重600千克。

钛合金材料飞机起落架零件

钛合金具有优异的耐腐蚀性能，其正电位与碳纤维复合材料相匹配，可有效防止紧固件的电位腐蚀。ti45nb合金是美国航空航天工业大量应用的铆钉材料，该材料在退火状态具有较好的拉伸性能和剪切强度，可替代纯钛铆钉。ti45nb材料还具有较高的塑性，适合于复合材料制造用连接铆钉。

钛合金的分类及制造方式

在钛合金材料命名方面，国内通常将α型钛合金（包括近α型合金）以ta命名，β型钛合金（包括近β型合金）以tb命名，两相混合的α+β型钛合金以tc命名。如应用最为广泛的两项混合型钛合金ti-6al-4v，其对应的国内牌号为tc4。国家标准gb/t3620.1-2007在1994年版本基础上，新纳入54个牌号、删除两个牌号，钛及钛合金牌号总数量达到76个。钛合金的材料种类有棒材、丝材、板材、带材、锻件等。

经过最近三个“五年计划”的材料研制，具有中国特色的新一代飞机骨干钛合金材料已初具规模。我国自主研发的中强高损伤容限型钛合金tc4-dt，名义成分与tc4相同，但降低了氧含量、断裂韧度得到提高。ti45nb（丝材）、ta18（管材）、tb8（板材、丝材、锻件）、tc21（锻件）等新材料也得到了良好的应用。结合已有的tc1/tc2（板材）、tc4（锻件、板材、丝材）和ztc4铸造钛合金，形成了从低强高塑性、中强高塑性、高强高塑性、超高强钛合金和铸造钛合金的完整主干材料体系。

钛合金及其零部件的制备与加工方法主要包括真空熔炼、锻造、机械加工、热处理、净近成形、焊接及表面处理。由于钛具有高化学活性，钛及其合金的铸锭熔炼必须采用真空熔炼方法。锻造变形是改变铸钛组织、获得所需要的组织类型的关键手段。钛合金的机械加工主要包括铣削加工、车削、镗孔、钻孔、攻丝等。高切削温度、与刀具发生化学反应、弹性模量较低是钛合金难以加工的主要原因。钛合金的热处理主要有退火、固溶和时效等。

近净成形技术包括精密铸造、等温锻造、粉末冶金、超塑成形/扩散连接、激光快速成形、粉末注射成形等。近净成形是提高材料利用率、通过工艺控制可达到一定的性能和外形尺寸要求的先进加工技术。先进的钛合金焊接技术有激光焊接、电子束焊接等。钛合金对表面状态、表面完整性非常敏感，由于其表面硬度低而易发生微动磨蚀等问题。近些年来，钛合金表面处理技术也获得了长足的发展。热渗镀、气相沉积、三束改性、转化膜、形变强化、热喷涂、化学镀、电镀等技术发展迅速。

航空钛合金的发展趋势

随着航空科技的迅速发展，面对不断提高的国防建设要求，新一代飞机必须满足超高速、高空、长航时、超远航程的需求。为了提高飞机的可靠性，先进飞机和发动机越来越多地增加了钛合金等高性能材料的用量，且结构越来越复杂。因此，航空钛合金将向着低成本、高性能的方向发展，同时不断进行新型牌号的自主研发和新工艺的开发。

强化低成本航空钛合金的研究

航空工业对材料的要求更加注重性能与成本的平衡，不再一味追求高性能，低成本化将贯穿选材、结构设计、制造工艺、检测评价以及维护等产品的全生命周期，降低钛合金成本已经是行业发展的必然趋势。用普通的fe元素替代昂贵的nb、mo和v等元素，以及大力发展近净成形技术将成为降低航空钛合金工程应用成本的两个重点方向。

强化高性能航空钛合金的研究

尽管钛合金具有良好的综合性能，但现有的航空钛合金仍不能完全满足航空领域对材料高性能的要求。目前高温钛合金实际长时使用很难突破600℃，对于600℃以上航空钛合金的研究仍处于试验及中试阶段，与大范围开发应用还有很大的距离。另外，阻燃钛合金、高强高韧及损伤容限型钛合金的批次稳定性研究及应用已成为众多学者关注的重点。未来对于高性能航空钛合金的研究将倾向于对现有合金进行深入挖掘，同时开发新牌号合金的研究。

加强增材制造在航空钛合金中的应用

随着近年来增材制造技术的发展及应用，激光增材制造钛合金技术克服了传统技术难以生产复杂钛合金构件、钛合金冷加工变形抗力大等缺点，对大型整体结构件的制造提供了新的技术途径，且其具有与锻件相当的力学性能，北京航空航天大学已成功研制了(某大型轰炸机)某发动机钛合金加强框。航空钛合金的增材制造技术的研究及应用将为航空钛合金加工成形开辟一条新的先进制造途径。

文章来源：网络

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