航空用钛合金材料及钛合金标准发展综述.pdf

? ???航空标准化与质量?总第237期
航空用钛合金材料及
钛合金标准发展综述
黄天娥 范桂彬 闫 海 刘东升
1.北京百慕航材高科技股份有限公司,北京 100095;2.北京航空材料研究院,北京 100095
摘要
以航空用钛合金材料为对象,综述了相关标准的发展历程和现状,并试图对航空用钛
合金材料和技术标准的未来趋势作些探讨。
关键词
航空;钛合金;标准
中图分类号 TG146 ;T65 文献标识码 C 文章编号 10036660201003003004
钛合金材料密度低、比强度高、耐腐蚀、组织性能稳广的是Ti6Al4V和Ti6Al2Sn4Zr2MoTi6242两个钛
定性好,且具有优良的综合性能。钛合金所具有的这系合金牌号材料。
列突出优点,使其在飞机结构和航空发动机中获得了越来我国钛合金材料的研制从1956年开始,以仿制前苏
越广泛的应用。近年来,世界钛工业和钛材加工技术得到联钛合金材料为主。近年来,我国新型钛合金研究十分活
了飞速发展,海绵钛和钛合金加工材的生产和消费都达到跃,研制出许多具有知识产权的新型钛合金,合金总数约
了很高的水平。我国钛资源丰富,储量居世界前列,目前 70多种,其中多数已获得广泛的应用。新开发的用于航空
已经成为世界上继美国、俄罗斯、日本之后,具有完整工领域的新型钛合金主要有高温钛合金、高强高韧β型钛合
业体系和生产能力的世界第4大钛工业国,加强我国钛合金金、阻燃钛合金等,其中高温钛合金是现代航空发动机的
材料的研究和应用推广对促进我国航空工业的快速发展具关键材料之,也是钛合金的主要发展方向之。
有重要意义。伴随着钛工业的发展,我国钛及钛合金的标 1.1 高温钛合金材料
准从建立、发展也已经历近40年,现已形成较为完整的标高温钛合金以其优良的热强性和高的比强度,在航空
准体系。本文在对航空用钛合金材料和相关标准的发展历发动机中获得了广泛的应用,以其为材料生产的零件包括
程及现状进行阐述的基础上,对航空用钛合金材料和技术风扇盘、叶片、压气机盘等。欧美、俄罗斯等航空工业发
标准的未来发展趋势作了探讨。达国家先后研制出了在350600环境中使用的高温钛
合金,使用温度逐步提高。目前已成功地应用在军用和民
1 航空用钛合金材料
用飞机发动机中的新型高温钛合金有:英国的IMI829、
航空工业部门是最早应用钛及钛合金材料的。1952 IMI834合金,美国的Ti1100合金,俄罗斯的BT18Y、BT36
年,在道格拉斯的DC7飞机的短舱及隔热墙上就使用了合金等,使用温度达550600。国外在传统高温钛
钛金属。50年代初期,些军用飞机后机身的隔热板、机合金的基础上仍在进行深化研究。另外,钛铝化合物为基
尾罩、减速板等受力不大的结构件也开始使用工业纯钛制的Ti Alα2和TiAlγ金属间化合物开始受到关注,
造。进入60年代,飞机上的襟翼滑轧、承力隔框、中翼盒成为未来航空发动机及飞机结构件最具竞争力的材料。
形梁、起落架梁等主要承力结构件也陆续采用了钛合金材其最大优点是高温性能好最高使用温度分别为816和
料制造。近年来,航空工业对高强度、低密度材料的需求 982、抗氧化能力强、抗蠕变性能好且质量更轻。目
日益迫切,使得钛合金材料的应用从战斗机拓展到大型军前,有两个以Ti Al为基的Ti21Nb14Al和Ti24Al14Nb
用轰炸机和运输机。钛合金材料的应用水平已成为衡量飞 3V0.5Mo钛合金在美国开始批量生产。
机先进性的重要标志之。在美国战斗机的更新换代中,近20年来,我国也自行研制了多种牌号的高温钛合
钛合金和复合材料的使用比例不断上升,第四代战斗机金,主要有Ti55、Ti60、Ti600及7715系列合金等。
F22所使用材料中41为钛合金,其中发动机的叶轮、盘、 1.2 高强钛合金
叶片、机匣、燃烧室筒体和尾喷管等均为钛合金材料制高强度钛合金般指抗拉强度在1 000MPa以上的钛合
造。金。在飞机上的应用主要包括起落架的扭力臂、支柱以及
几十年来,国内外针对航空应用所研究的钛合金材料机身的承力隔梁等重要结构件。目前,代表国际先进水平
取得了很大发展,许多合金也得到广泛应用,其中应用最并在航空领域获得实际应用的高强度钛合金主要有β型钛
收修订稿日期 2010-03-09
航空标准化与质量 2010年第3期 工作研究
》 ? 工作研究航空标准化与质量 2010年第3期
? ???航空标准化与质量?总第237期 Aeronautic Standardization Quality No.237
合金Ti1023,Ti15-3,β21S,α-β型两相钛合金BT22空航天理事会的航空材料分会发布,是美国材料专业数量
以及我国的TB10等。我国成功开发了TB6、TB8、TB10、最多的非政府标准,作为最优秀的采购规范,在世界航空
航空用钛合金材料及
TC21等高强钛合金,其中TC21和TB10Ti-5Mo-5V-2Cr-领域享有很高的声誉,也是我国航空材料重点参照的国外
3Al最为典型。TC21钛合金具有高强度、高韧性、高损伤先进标准。AMS标准其有效标准的数量接近2 800项,已
钛合金标准发展综述
容限性能较低的疲劳裂纹扩展速率dadN值和较高的疲劳有超过1 270份被美国国防部采用。分会的14个专业委员会
裂纹扩展门槛值Kth和疲劳性能优于普通TC4、TA15中,AMSG专业委员会负责钛合金和难熔材料相关标准的
黄天娥 范桂彬 闫 海 刘东升
等中等强度钛合金等综合性能匹配,是目前我国高强韧制订。根据SAE网站最新资料统计,AMS目前约有112个
1.北京百慕航材高科技股份有限公司,北京 100095;2.北京航空材料研究院,北京 100095
钛合金综合力学性能匹配最佳的钛合金材料。现行的钛类标准,编号范围主要集中在AMS48974999和
TB10合金是属于高强高韧近β型钛合金,具有比强度 AMS69006946见表2。标准中包括大量的新合金,美
摘要
以航空用钛合金材料为对象,综述了相关标准的发展历程和现状,并试图对航空用钛
高,断裂韧度好,淬透性高等优点,已在我国航空领域得国新开发钛合金的标准主要是通过AMS制定并发布的。
合金材料和技术标准的未来趋势作些探讨。
到了实际应用。 ASME是美国机械工程师协会The American Society of
关键词
1.3 阻燃钛合金 航空;钛合金;标准 Mechanical Engineers制订的建造规范及其材料标准。钛类
为解决航空发动机用钛合金材料的钛燃烧问题,标准主要在第II卷材料篇的B类非铁基材料中,这些
中图分类号 TG146 ;T65 文献标识码 C 文章编号 10036660201003003004
以满足高推重比发动机的需要,美国和俄罗斯从20世纪70标准全部引用了ASTM相应的材料标准和材料试验标准。
年代开始就积极开展阻燃钛合金的研制,并先后成功研制 2.2 我国钛及钛合金标准发展历程
出各自的阻燃钛合金。其他各国的阻燃钛合金基本处于研我国钛及钛合金的生产起步于20世纪50年代,1964年
究阶段,实际应用较少。目前国外比较典型的合金有美国实现了钛加工材的工业化生产。我国钛合金的标准是随着
钛合金材料密度低、比强度高、耐腐蚀、组织性能稳广的是Ti6Al4V和Ti6Al2Sn4Zr2MoTi6242两个钛
的TiVCr系阻燃钛合金AlloyC、俄罗斯的TiCuAl系阻燃我国钛工业发展而建立、发展和完善的,经