国外铸造钛合金及其铸件的应用与发展

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1、专题论述国外铸造钦 合金及其铸件的应用与发展? ? 中? 阅铸造装条,。技术国外铸造钦合金及其铸件的应用与发展? ? ? ? ? ? ? ?北京航空材料研究院南 海谢成木摘要?在航空航天以及船舶和化工等行业中,钦合金构件由 于其优异的力学和化学性能而被广泛应用,本文主要介绍了国外的铸造钦合金及其铸件的应用情况,以及相关铸造技术的发展状况?主题词?铸造钦合金钦合金铸件铸造技术? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?,? ? ,? ? ?,? ? ? !? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?钦合金比重小、

2、比强 度高、抗腐蚀性能强,高温和低温 力学性 能良好,具有较好的生物相容性,是一种优良的结构材料,已应用于航空、航天、舰船、化?、汽车、体育和 生物医学等各个领域二无余量和近 无余量加?技术是降低钦合金使用成本的有效途 径之一,锻造、超塑成型、机加?、焊接和铸造等力? 厂卜技 术都口?以实现无余量和 近无余量加工。但是,对于结构复杂的构件,其中成 本较低的是铸造技术,特别是精密铸造技术。钦合金由于熔点高和非常高的液态化学活性,使其非常易于与大多数耐火材料发生 反应,导致其熔炼和铸造必须在真空或惰性气体环境下,不同于铸钢铸铁和其他有色合金 的熔炼铸造技术?铸造钦合金发展? ?常规钦合金国际卜,欧

3、美和俄罗斯等国,为了满足高性能飞机及发动机的需求?进行?长时 间、人量的铸造钦合金研究工作几研制出的常规铸造钦合金主要有?中强钦合金、高强度钦合金、高温钦合金、抗燃烧? ?等,其中美国的? ?一? ?一? ?是目前最?一泛使用的铸造钦合金,除了航空航天业外,还在其他行业被大量 应 用几高强度 钦合金 主 要有? ? 、?一?、?,? ?、? ?等,美国的? ? ?是高强度钦合金的典型,通过固溶时效处理或? ?直接时效处理,强度可达? ? ? ?,塑性为?,而且? ? ?合金铸件具有优异的疲劳性能一,俄罗斯的? ?合金是一种与? ? ?类似的合金高温钦合金主要有? ? !、? ? !、? ?等,

4、这些高温钦合金能满足特殊的应用需求,如高温蠕变及高温强度等, ? ? ?、? !的使用温度可达? ?。一些 典型的高强高温钦合金成分及力学性能见表卜钦 合金在特定环境下有发生燃烧的特性,容易导致发动 机钦燃烧事故的发生,为了防止这类事故的发生,国际仁开 展 了深人的抗燃烧钦合金的研 究? ?一? ?, 是美国一种典型的抗燃烧钦合金,可抵御持续燃烧,其阻燃性能明 显高于常规钦合金,具有较高的强度,尤其是高温强度,并具有 良好的室 温 和高温性能? ? ? ?公司采用该合金铸件已用于?钦合金,大部分铸造合金基本上沿用了变形合金的成分。高温钦合金、抗燃烧钦合金主要 用于发动机的结构件,高强钦合金常用

5、于飞机机身结构件,钦合金 在?一? ?战机卜的应用量为? ?,使用 了六种钦合金?一? ?一?、?一? ? 一?,?一? ?,一? ? ?一? ?, ?简称? ? ?、?一? ?一?一? ?卜?简称? ? ?、?一? 一? ?一3AI(简称T i1023)、Tl一1 S V一3 AI一3 C卜3Sn(简称Ti153)、Ti一3AI一2. 5 V。中强钦合金主 要有:Ti一6AI一4v、表l高温高强钦合金的成分及力学性能职占合余 名称q/h l la/ M特性一一一一-一一一诀化 学成 分吕1吕冬 J】 ()l简j . l洁强度.下勺T i 6A12.75 5,IO. I Mo1 Zi心.4 5

6、 卜i11t)2 12l()2 1一蕊蔽蔽.、T1 6八, Z sf l lzr赢I M 1 8 :弓厂1日月冬夕 :弓吕】 ( )()6l( (19一一-一-一一:1 :盂: ;O r中 一、1275盯一一公 一下温强度.、T1 5.。A 14 阶飞0. S M0.了 附) : 1.5石 0.:;5别一一卜-一-一一一一卜一-一一一一一一一一一.一一一一一寸一一 301于 l( 1241-一-一咭- - - - 一二一 里飞一一1罗一日T35全l()2 0一_ _)_7012:室温强度高Ti3A1 8v6CI、 21通Mo-一士-一州一下犷刃下二宁了 下-一-一一-一一 611艺至侃浊)艾,

7、;匀 111与v ;二 A : 弓叹弓 sn _.丰一卜 一一碍- - -一一到1 007一 1 020一2吕室温强度高由卜一一-、1一1 5 /3 CI、1叨)O5入l3 AI ;弓 Sno.SZr 收稿I期:2 0( ):飞一0 8一11 一一州州 一.一一.一一-曰一.一, 一,-公,一一.一.一,一.一冲-. .一-一一一一1专题论述国外铸造钦 合金及其铸件的应用 与发展11 9发动机 的第四、第五级导向叶片上)俄罗斯从摩擦机理人手,成功地研制出BTT一1和B TT一3两个阻燃认合金,它们都是T i一Cl,一 A l系合金。高比强度(包括比拉伸强度和 比蠕变强度)的钦基复合材料制成的活

8、 塞已应用于F一2 2战斗机的动 力系统 (F一11 9发动机),这是迄今为止世界上唯一正式应用的纤维增强钦基复合材料零件。1.2铁铝金属间化合物合金钦铝合金是近些年新发展起来的一种钦铝金属间化合物,铝的含量 占到50 %左右,与常规钦合金相比,钦铝合金比重更小,具有 高温强度高、抗氧化性强、刚性好等优点,最高工作温度可以达到90 0。这些性能使其在 飞机、汽 车等的发动机上找到了应用前景,是当前被广 泛重视和迅速发展起来的新型材料。由于TIA I合金锻造困难,目前铸造合金更适合于应用,已开发 出一些铸造合金,并能满足某些涡轮、发动机部件的性能要求。英国 R () l ls一Ro vc e公司

9、认为钦铝合金是未来军用和民用飞机发动机的必备材料,由于铝的含量占到50 %左右,使合金的整体成本下降,从压气机到燃烧室都可以找到钦铝的应用点。英国R o l l;一R o vc e公司正在应用 T i一45一2一2一xD钦铝合金铸件来代替发动机低温部分的定子和一些结构件,起到了降低成本的作用,同时为r确保安全性,制定了对铸件表面、微观组织、化学成分标准。目前,该公司正在开发具有良好的铸造性能,高的强度和蠕变抗力的新一代钦铝合金主要的发动机制造商如G E、PWA、R一R等对T IA I合金铸件进行了广泛的研究,这些铸件主要 由How,1 101及PC C提供。PWA研究用于4084发动机的T I

10、A I低仄涡轮叶片,以取代目前使用的铸造高温合金In。、71 3叶片(;E对T i4 822钦铝合金进行了集中研究,使用温度可 达7 60,对C F6一 8 0C发动机的第五级低压 涡轮叶片成功试验了1500个模拟飞行周期,铸造钦铝合金在技术_是可靠的材料,经过改进后 可取代高温合金用于某些发动机部件6 / 2 0 0 : 3中国铸适装备 与技术用 的钦合金铸件中的最关键机身结构件二F一2 2飞机采用 的整体精铸钦合金垂直安定面方 向舵 动作支架,提高了零件的刚性另外在Y一 2 2飞机上采用 了整体精铸钦合金传送转接器,它原来是采用4 3个小零件和536个紧固件组 成的铝锻件,改用整体精铸钦合

11、金后,使制造成本降低 3 0%,加一及安装时间减少6 2%,大大缩短 了制造周期;同时该铸件还采用了固溶时效处理,使铸件的静态拉伸及疲劳强度达到了钦合金锻件的水平。先进发动机卜已广泛采用大型复杂整体钦合金精铸风扇框架。2钦合金铸件的应用钦和钦合金精铸技术 经过儿十年的研究与发展,在国际宇航业中已获得r广泛应用尤其是从20世纪90年代开始,国际上一些高性能歼击机都采用J许多大型复杂 薄壁整体精铸的钦合金异形结构件,以减轻重量,提高结构效率,降低制造成本和生产周期;同时,改善结 构的可靠性,提高机体寿命。美国的F一2 2空中优势歼击机就采用 7 0多个钦合金精铸件,机翼的50%是由钦合金铸件构成。

12、其中有许多是关键部位的承力结构件,F一 2 2飞机上采用的机身与机翼安装接头铸件(材料为T i一6 A I一4V)是目前采3钦合金铸造技术3.1钦合金常规铸造技术钦合金铸造技 术通常有:陶 瓷型壳精密铸造技术、石墨捣实型铸造技术、机加l一石 墨铸造技术、金属 型铸造技术等。目前高性能的钦合金大型 整体精铸件,大多数都是采用金属面层陶瓷型壳或氧化物面层陶瓷型壳浇注出来的,如美l阅How met公司及Pce已能浇出730一7 70 k;的工件,PCC可生产出直径达2; n的大型铸件,铸造尺寸公差 可达士0. 1 3m。,最小壁厚达1.0一2.0 1 11, n在生产条件和 生产规模方面各国也进行了

13、改进和储备如美国H )w, net公司于1984年扩建了Hampt、n精铸厂.专门生 产4 ( ) ( )m m以上的大型复杂薄壁宇航用的整体精铸钦合金结构件,德国的T I A I公司于198 6年扩大了钦合金精铸车间,安装了l( )0 t的大型仄蜡机,2 5() L;机械手,300Ol n,n雨淋式撒砂机和自动悬链,具备了生 产大型复杂薄壁整体精铸钦合金结构件的条件美国近期的突出成就是通过计算机f一艺模拟、组织控制、热等静压 和BST () A热处理等综合技术获得了高性能的r i一6 A I一4v认合金大型整体精铸件,其静力及疲劳性能达到了与锻件相同的高水平,因此已将钦铸件扩大应用 至F一2

14、 2战斗机和新型、2 2ospre v垂 直起落毯杉 L的大型主要承力件、钦合金精铸技术的发展适应了飞机及发动机减轻重量 的要求,同时由于原 材料利用率高、加工成本低、制造周期脚,钦合金精铸件在发动机中的用量比例明显增加,舒隆能涡轮风扇发动机F 100是其中的典型产品,F100发动机的钦用量高达3 8%,整个发动机用 了25种不I司类型的130多个Ti 6A14V精铸件,取代原来的钢制零件,使每个发动机的重量减重14kg。某型号先进涡轮发动机的整体精铸T i6A I4V定子,含有70片叶片,直径91。m,叶片表面也无需机械加工,与传统的制造方法相比,成本低、设计灵活并明显减重。2 0世纪 8 0年代末由美国PCC公司制造的G E9 0发动机风扇轮毅,直径 达Zm,是目前世界上最 大的精 铸件T i6242压缩机机匣直径为71。, n,重量为70kg。某大型专题论述国外铸造钦 合金及其 铸件的应用与发展薄壁整体铸造的钦合金中介机匣直径为127om m。随着钦精铸技术的不断发展,铸造机匣越来越复杂,冶金质量越来越高,可以满足日益涌现的高性能发动机的需要。目前铸钦结构件已广泛用于各种燃气涡轮发动机及飞机机身等领域,以提高发动机、飞机的性能,降 低制造成本(表2)。表2国外