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三辊卷板机知识

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航空材料为什么非得要用钛合金?

发布时间:2019-07-29 11:07 作者:卷板机 来源:www.sncy365.com 点击: 字号:

  钛与航空有着不解之缘。1953年,在美国道格拉斯公司生产的DC-T机发动机吊舱和防火壁上首次使用钛材,从而揭开了钛航空应用的历史。从那时以来,钛在航空上已应用了半个多世纪。钛能在航空上广泛应用是由于它有适于飞机应用的许多宝贵特性。今天我们就来讲讲航空材料为什么非得要用钛合金。

  一、钛的简介

  1948年美国杜邦公司才用镁法成吨生产海绵钛——这标志着海绵钛即钛工业化生产的开始。而钛合金因具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。

  钛在地壳中含量较丰富,含量排第九位,远高于铜、锌、锡等常见金属。钛广泛存在于许多岩石中,特别是砂石和粘土中。

  二、钛的特性

  强度高:是铝合金的1.3倍,镁合金的1.6倍,不锈钢的3.5倍,金属材料中的冠军。

  热强度高:使用温度比铝合金高几百度,可在450~500℃的温度下长期工作。

  抗蚀性好:耐酸、耐碱、耐大气腐蚀,对点蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强。

  低温性能好:间隙元素极低的钛合金TA7,在-253℃下还能保持一定的塑性。

  化学活性大:高温时化学活性很高,轻易与空气中的氢、氧等气体杂质发生化学反应,生成硬化层。

  导热系数小、弹性模量小:导热系数约为镍的1/4,铁的1/5,铝的1/14,而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50%。钛合金的弹性模量约为钢的1/2。

  三、钛合金的分类及用途

  钛合金按用途可分为:耐热合金、高强合金、耐蚀合金(钛-钼,钛-钯合金等)、低温合金以及特殊功能合金(钛-铁贮氢材料和钛-镍记忆合金)等。

  尽管钛及其合金应用的历史不长,但由于它那超众的性能,已经获得了多个光荣称号。首先荣获的称号就是“空间金属”。它重量轻、强度大又耐高温,特别适于制造飞机和各种航天器。目前世界上生产的钛及钛合金,大约有四分之三都用于航空航天工业。许多原来用铝合金的部件,都改用了钛合金。

  四、钛合金的航空应用

  钛合金主要用于飞机及发动机的制造材料,如锻造钛风扇、压气机盘和叶片、发动机罩、排气装置等零件以及飞机的大梁隔框等结构框架件。航天器主要利用钛合金的高比强度,耐腐蚀和耐低温性能来制造各种压力容器、燃料贮箱、紧固件、仪器绑带、构架和火箭壳体。人造地球卫星、登月舱、载人飞船和航天飞机也都使用钛合金板材焊接件。

  1950年美国首次在F-84战斗轰炸机上用作后机身隔热板、导风罩、机尾罩等非承力构件。60年代开始钛合金的使用部位从后机身移向中机身、部分地代替结构钢制造隔框、梁、襟翼滑轨等重要承力构件。70年代起,民用机开始大量使用钛合金,如波音747客机用钛量达3640公斤以上占机重28%。随着加工工艺技术的发展,在火箭、人造卫星和宇宙飞船上,也用了大量的钛合金。

  飞机越先进,使用的钛越多。美国F—14A战斗机使用的钛合金,约占机重的25%;F—15A战斗机为25.8%;美国第四代战斗机用钛量为41%,其F119发动机用钛量为39%,是目前用钛量最高的飞机。

  五、钛合金在航空中被大量应用的原因

  现代飞机的航行最高时速已达到音速的2.7倍以上。这么快的超音速飞行,会使飞机与空气摩擦而产生大量的热。当飞行速度达到音速的2.2倍时,铝合金就经受不住了。必须采用耐高温的钛合金。

  当航空发动机的推重比从4~6提高到8~10,压气机出口温度相应地从200~300℃增加到500~600℃时,原来用铝制造的低压压气机盘和叶片就必须改用钛合金。

  近年来科学家们对钛合金性能的研究工作,不断取得新的进展。原来由钛、铝、钒组成的钛合金,最高工作温度为550℃~600℃,而新研制的钛化铝(TiAl)合金,最高工作温度已提高到1040℃。

  用钛合金代替不锈钢制造高压压气机盘和叶片,可以减轻结构重量。飞机每减轻重10%,可节省燃料4%。对火箭来说,每减轻1kg的重量,就可增加15km的射程。

  钛合金材料飞机起落架零件

  六、钛合金机加工特性分析

  首先,钛合金导热系数低,仅是钢的1/4,铝的1/13,铜的1/25。因切削区散热慢,不利于热平衡,在切削加工过程中,散热和冷却效果很差,易于在切削区形成高温,加工后零件变形回弹大,造成切削刀具扭矩增大、刃口磨损快,耐用度降低。

  其次,钛合金的导热系数低,使切削热积于切削刀附近的小面积区域内不易散发,前刀面摩擦力加大,不易排屑,切削热不易散发,加速刀具磨损。最后,钛合金化学活性高,在高温下加工易与刀具材料起反应,形成溶敷、扩散,造成粘刀、烧刀、断刀等现象。

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