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機械社區

標題: 航空材料為什么非得要用鈦合金？ [打印本頁]

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作者: twq19810302    時間: 2023-11-8 10:55
標題: 航空材料為什么非得要用鈦合金？


鈦與航空有著不解之緣。1953年，在美國道格拉斯公司生產的DC-T機發動機吊艙和防火壁上首次使用鈦材，從而揭開了鈦航空應用的歷史。從那時以來，鈦在航空上已應用了半個多世紀。鈦能在航空上廣泛應用是由于它有適于飛機應用的許多寶貴特性。今天我們就來講講航空材料為什么非得要用鈦合金。

一、鈦的簡介
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1948年美國杜邦公司才用鎂法成噸生產海綿鈦——這標志著海綿鈦即鈦工業化生產的開始。而鈦合金因具有比強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用于各個領域。

鈦在地殼中含量較豐富，含量排第九位，遠高于銅、鋅、錫等常見金屬。鈦廣泛存在于許多巖石中，特別是砂石和粘土中。
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+ O# ]2 [; [2 c% n2 a% {0 c: U二、鈦的特性

0 X* O! P) c0 l% ]3 a( l% O強度高：是鋁合金的1.3倍，鎂合金的1.6倍，不銹鋼的3.5倍，金屬材料中的冠軍。
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/ h0 S2 j1 k# C' ^+ O% g) N& d- S熱強度高：使用溫度比鋁合金高幾百度，可在450～500℃的溫度下長期工作。
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抗蝕性好：耐酸、耐堿、耐大氣腐蝕，對點蝕、應力腐蝕的抵抗力特別強。
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# r) ^! j0 u' @' }, m. {  u" P低溫性能好：間隙元素極低的鈦合金TA7，在-253℃下還能保持一定的塑性。
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3 {. Q2 W6 [5 k5 L' j1 R化學活性大：高溫時化學活性很高，輕易與空氣中的氫、氧等氣體雜質發生化學反應，生成硬化層。
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5 X0 X( h  e; J9 C& q導熱系數小、彈性模量小：導熱系數約為鎳的1/4，鐵的1/5，鋁的1/14，而各種鈦合金的導熱系數比鈦的導熱系數約下降50％。鈦合金的彈性模量約為鋼的1/2。
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三、鈦合金的分類及用途

5 s6 A4 u4 E9 P1 C! e; D鈦合金按用途可分為：耐熱合金、高強合金、耐蝕合金(鈦-鉬，鈦-鈀合金等)、低溫合金以及特殊功能合金(鈦-鐵貯氫材料和鈦-鎳記憶合金)等。
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盡管鈦及其合金應用的歷史不長，但由于它那超眾的性能，已經獲得了多個光榮稱號。首先榮獲的稱號就是“空間金屬”。它重量輕、強度大又耐高溫，特別適于制造飛機和各種航天器。目前世界上生產的鈦及鈦合金，大約有四分之三都用于航空航天工業。許多原來用鋁合金的部件，都改用了鈦合金。

四、鈦合金的航空應用
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3 E3 E7 I/ k6 P5 A0 Y鈦合金主要用于飛機及發動機的制造材料，如鍛造鈦風扇、壓氣機盤和葉片、發動機罩、排氣裝置等零件以及飛機的大梁隔框等結構框架件。航天器主要利用鈦合金的高比強度，耐腐蝕和耐低溫性能來制造各種壓力容器、燃料貯箱、緊固件、儀器綁帶、構架和火箭殼體。人造地球衛星、登月艙、載人飛船和航天飛機也都使用鈦合金板材焊接件。

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1950年美國首次在F-84戰斗轟炸機上用作后機身隔熱板、導風罩、機尾罩等非承力構件。60年代開始鈦合金的使用部位從后機身移向中機身、部分地代替結構鋼制造隔框、梁、襟翼滑軌等重要承力構件。70年代起，民用機開始大量使用鈦合金，如波音747客機用鈦量達3640公斤以上占機重28%。隨著加工工藝技術的發展，在火箭、人造衛星和宇宙飛船上，也用了大量的鈦合金。

飛機越先進，使用的鈦越多。美國F—14A戰斗機使用的鈦合金，約占機重的25%；F—15A戰斗機為25.8%；美國第四代戰斗機用鈦量為41%，其F119發動機用鈦量為39%，是目前用鈦量最高的飛機。

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五、鈦合金在航空中被大量應用的原因
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# K2 R) `, ]' V0 E& E  A! r現代飛機的航行最高時速已達到音速的2.7倍以上。這么快的超音速飛行，會使飛機與空氣摩擦而產生大量的熱。當飛行速度達到音速的2.2倍時，鋁合金就經受不住了。必須采用耐高溫的鈦合金。

當航空發動機的推重比從4～6提高到8～10，壓氣機出口溫度相應地從200～300℃增加到500～600℃時，原來用鋁制造的低壓壓氣機盤和葉片就必須改用鈦合金。
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近年來科學家們對鈦合金性能的研究工作，不斷取得新的進展。原來由鈦、鋁、釩組成的鈦合金，最高工作溫度為550℃～600℃，而新研制的鈦化鋁（TiAl）合金，最高工作溫度已提高到1040℃。
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8 h! R4 Z0 L. y3 \用鈦合金代替不銹鋼制造高壓壓氣機盤和葉片，可以減輕結構重量。飛機每減輕重10%，可節省燃料4%。對火箭來說，每減輕1kg的重量，就可增加15km的射程。
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六、鈦合金機加工特性分析
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/ e, r4 w9 F) l7 g首先，鈦合金導熱系數低，僅是鋼的1/4，鋁的1/13，銅的1/25。因切削區散熱慢，不利于熱平衡，在切削加工過程中，散熱和冷卻效果很差，易于在切削區形成高溫，加工后零件變形回彈大，造成切削刀具扭矩增大、刃口磨損快，耐用度降低。
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其次，鈦合金的導熱系數低，使切削熱積于切削刀附近的小面積區域內不易散發，前刀面摩擦力加大，不易排屑，切削熱不易散發，加速刀具磨損。最后，鈦合金化學活性高，在高溫下加工易與刀具材料起反應，形成溶敷、擴散，造成粘刀、燒刀、斷刀等現象。
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作者: 尹志春    時間: 2023-11-8 11:03
鈦螺絲斷了，掉了N架飛機，可查空難事件，
5 |* {: ?. }6 y$ ~& U: V7 d3 Z不要老以為鈦強度高，跟合金鐵鋼比，差幾個檔次理解，我做模具沖壓不鈦，但鈦做的模具沖不了模具鋼，他兩強度，硬度，差幾個等 級，
只能說用鈦綜合成本低而已
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作者: 加肥貓devil    時間: 2023-11-8 11:20

尹志春 發表于 2023-11-8 11:03
6 X: \; C- b3 I2 N$ [鈦螺絲斷了，掉了N架飛機，可查空難事件，
不要老以為鈦強度高，跟合金鐵鋼比，差幾個檔次理解，我做模具 ...

; h9 ]+ v; @; d! z3 g& B3 x) G3 @這一點很對啊，好多人都覺得鈦合金比鋼牛逼，都是走入誤區了，實際上比鋼的強度差遠了，鈦合金是比較輕的材料里強度比較大的所以綜合性能比較好罷了，之前還有人說鈦合金刀比鋼刀好，也不知道是怎么想的。

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作者: 電氣學徒2    時間: 2024-12-13 21:21
講的很細致，謝謝分享。

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