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1、第第4 4章章 钛合金在飞行器钛合金在飞行器制造中的应用制造中的应用1 1791年，英国年，英国牧师格累高尔发现牧师格累高尔发现了一种新元素。了一种新元素。1795年，法国化学年，法国化学家克拉普罗特以日家克拉普罗特以日耳曼神话中女神坦耳曼神话中女神坦的名字为它命名，的名字为它命名，译成中文就是译成中文就是“钛钛”。从此，钛便进入了从此，钛便进入了科学家的实验室。科学家的实验室。钛是一种新金属，由于它具有一系列优异特性，钛是一种新金属，由于它具有一系列优异特性，被广泛用于航空、航天、化工、石油、冶金、轻工、被广泛用于航空、航天、化工、石油、冶金、轻工、电力、海水淡化、舰艇和日常生活器具等工业生
2、产电力、海水淡化、舰艇和日常生活器具等工业生产中，它被誉为现代金属。金属钛生产从中，它被誉为现代金属。金属钛生产从1948年至今年至今才有半个世纪的历史，它是伴随着航空和航天工业才有半个世纪的历史，它是伴随着航空和航天工业而发展起来的新兴工业。它的发展经受了数次大起而发展起来的新兴工业。它的发展经受了数次大起大落，这是因为钛与飞机制造业有关的缘故。但总大落，这是因为钛与飞机制造业有关的缘故。但总的说来，钛发展的速度是很快的，它超过了任何一的说来，钛发展的速度是很快的，它超过了任何一种其他有色金属的发展速度。种其他有色金属的发展速度。2 钛的蕴藏量十分丰富，在地球上钛的储量约占地壳总重的钛的蕴藏
3、量十分丰富，在地球上钛的储量约占地壳总重的0.61%0.61%，在所有元素中占第十位，在所有元素中占第十位，居于氧、硅、铝、铁、钙、钠、居于氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁、氢钾、镁、氢之后，按金属元素计，为第之后，按金属元素计，为第7 7位；在常用金属中则仅次位；在常用金属中则仅次于铝、铁和镁，占第四位；比铜、镍、铅、锌的总和还多十余倍。于铝、铁和镁，占第四位；比铜、镍、铅、锌的总和还多十余倍。但由于它的高温性质特别活泼，很难提纯，因此金属钛直到二十世但由于它的高温性质特别活泼，很难提纯，因此金属钛直到二十世纪四十年代才生产出来。第二次世界大战后首先在真空炉中成功地纪四十年代才生产出来。第二次
4、世界大战后首先在真空炉中成功地用镁还原四氯化钛获得了海绵钛，工业上开始少量应用。冶炼技术用镁还原四氯化钛获得了海绵钛，工业上开始少量应用。冶炼技术一经突破并投入工业生产后，这种新材料迅速受到人们的重视。随一经突破并投入工业生产后，这种新材料迅速受到人们的重视。随着钛材需求量的增加，钛及钛合金的产量一定会有大的增长。着钛材需求量的增加，钛及钛合金的产量一定会有大的增长。 钛及钛合金由于具有优良的耐腐蚀性能、较高的强度和比强度钛及钛合金由于具有优良的耐腐蚀性能、较高的强度和比强度以及能耐较高的温度，已作为一种工业材料在飞行器制造行业得到以及能耐较高的温度，已作为一种工业材料在飞行器制造行业得到了广
5、泛的应用。了广泛的应用。31 1、记忆功能、记忆功能钛钛- -镍合金在一定环境温度下具有单向、双向和全方位的记忆效镍合金在一定环境温度下具有单向、双向和全方位的记忆效应，被公认是最佳记忆合金。在工程上做管接头用于战斗机的油压系应，被公认是最佳记忆合金。在工程上做管接头用于战斗机的油压系统；石油联合企业的输油管路系统；直径统；石油联合企业的输油管路系统；直径0.5mm0.5mm丝做成的直径丝做成的直径500mm500mm抛抛物网状天线用于宇航飞行器上；在医学工程上用于制作鼾症治疗；制物网状天线用于宇航飞行器上；在医学工程上用于制作鼾症治疗；制成螺钉用于骨折愈合等。上述应用均获得了明显效果。成螺钉
6、用于骨折愈合等。上述应用均获得了明显效果。2 2 、超导功能、超导功能铌铌- -钛合金在温度低于临界温度时，呈现出零电阻的超导功能。钛合金在温度低于临界温度时，呈现出零电阻的超导功能。3 3、贮氢功能、贮氢功能钛钛- -铁合金具有吸氢的特性，把大量的氢安全的贮存起来，在一铁合金具有吸氢的特性，把大量的氢安全的贮存起来，在一定的环境中又把氢释放出来。这在氢气分离、氢气净化、氢气贮存及定的环境中又把氢释放出来。这在氢气分离、氢气净化、氢气贮存及运输、制造以氢为能源的热泵和蓄电池等方面应用很有前途。运输、制造以氢为能源的热泵和蓄电池等方面应用很有前途。 4 1 密度小密度小,比强度高比强度高 金属钛
7、的密度为金属钛的密度为4.51g/cm3,高于铝而低于钢、铜、镍，高于铝而低于钢、铜、镍，但比强度高于铝合金和高强合金钢。但比强度高于铝合金和高强合金钢。2 弹性模量低弹性模量低 钛的弹性模量在常温时为钛的弹性模量在常温时为106.4GPa,为钢的为钢的57%。3 导热系数小导热系数小 金属钛的导热系数小，是低碳钢的五分之一，铜的二十金属钛的导热系数小，是低碳钢的五分之一，铜的二十五分之一。五分之一。 4 抗拉强度与其屈服强度接近抗拉强度与其屈服强度接近钛的这一性能说明了其屈强比（屈服强度钛的这一性能说明了其屈强比（屈服强度/抗拉强度抗拉强度 ）高，表示了金属钛材料在成形时塑性变形差。由于钛的
8、屈服高，表示了金属钛材料在成形时塑性变形差。由于钛的屈服极限与弹性模量的比值大，使钛成型时的回弹能力大。极限与弹性模量的比值大，使钛成型时的回弹能力大。55 无磁性、无毒无磁性、无毒 钛是无磁性金属，在很大的磁场中也不会被磁化，无毒且与人体钛是无磁性金属，在很大的磁场中也不会被磁化，无毒且与人体组织及血液有好的相溶性，所以被医疗界采用。组织及血液有好的相溶性，所以被医疗界采用。6 抗阻尼性能强抗阻尼性能强 金属钛受到机械振动、电振动后，与钢、铜金属相比，其自身振金属钛受到机械振动、电振动后，与钢、铜金属相比，其自身振动衰减时间最长。利用钛的这一性能可作音叉、医学上的超声粉碎机振动衰减时间最长。
9、利用钛的这一性能可作音叉、医学上的超声粉碎机振动元件和高级音响扬声器的振动薄膜等。动元件和高级音响扬声器的振动薄膜等。7 耐热性能好耐热性能好 新型钛合金可在新型钛合金可在600或更高的温度下长期使用。或更高的温度下长期使用。8 耐低温性能好耐低温性能好 钛合金钛合金TA7（Ti-5Al-2.5Sn）,TC4(Ti-6Al-4V)和和Ti-2.5Zr-1.5Mo等等为代表的低温钛合金为代表的低温钛合金,其强度随温度的降低而提高其强度随温度的降低而提高,但塑性变化却不大。但塑性变化却不大。在在-196-253低温下保持较好的延性及韧性低温下保持较好的延性及韧性,避免了金属冷脆性避免了金属冷脆性,
10、是低温是低温容器容器,贮箱等设备的理想材料。贮箱等设备的理想材料。9 吸气性能吸气性能 钛是一种化学性质非常活泼的金属钛是一种化学性质非常活泼的金属,在高温下可与许多元素和化合在高温下可与许多元素和化合物发生反应。钛吸气主要指高温下与碳、氢、氮、氧发生反应。物发生反应。钛吸气主要指高温下与碳、氢、氮、氧发生反应。610耐腐蚀性能耐腐蚀性能 钛是一种非常活泼的金属，其平衡电位很低，在介质中的热力钛是一种非常活泼的金属，其平衡电位很低，在介质中的热力学腐蚀倾向大。但实际上钛在许多介质中很稳定，如钛在氧化性、学腐蚀倾向大。但实际上钛在许多介质中很稳定，如钛在氧化性、中性和弱还原性等介质中是耐腐蚀的。
11、这是因为钛和氧有很大的亲中性和弱还原性等介质中是耐腐蚀的。这是因为钛和氧有很大的亲和力，在空气中或含氧的介质中，钛表面生成一层致密的、附着力和力，在空气中或含氧的介质中，钛表面生成一层致密的、附着力强、惰性大的氧化膜，保护了钛基体不被腐蚀。即使由于机械磨损强、惰性大的氧化膜，保护了钛基体不被腐蚀。即使由于机械磨损也会很快自愈或重新再生。这表明了也会很快自愈或重新再生。这表明了钛是具有强烈钝化倾向的金属。钛是具有强烈钝化倾向的金属。介质温度在介质温度在315以下钛的氧化膜始终保持这一特性以下钛的氧化膜始终保持这一特性。为了提高钛的耐蚀性，研究出为了提高钛的耐蚀性，研究出氧化、电镀、等离子喷涂、离
12、子氧化、电镀、等离子喷涂、离子氮化、离子注入和激光处理等表面处理技术氮化、离子注入和激光处理等表面处理技术，对钛的氧化膜起到了，对钛的氧化膜起到了增强保护性作用，获得了所希望的耐腐蚀效果。针对在硫酸、盐酸、增强保护性作用，获得了所希望的耐腐蚀效果。针对在硫酸、盐酸、甲胺溶液、高温湿氯气和高温氯化物等生产中对金属材料的需要甲胺溶液、高温湿氯气和高温氯化物等生产中对金属材料的需要 ，开发出钛开发出钛-钼、钛钼、钛-钯、钛钯、钛-钼钼-镍等一系列耐蚀钛合金。钛铸件使用了镍等一系列耐蚀钛合金。钛铸件使用了钛钛-32钼合金，对常发生缝隙腐蚀或点蚀的环境使用了钛钼合金，对常发生缝隙腐蚀或点蚀的环境使用了钛
13、-0.3钼钼-0.8镍合金或钛设备的局部使用了钛镍合金或钛设备的局部使用了钛-0.2钯合金钯合金,均获得了很好的使用效均获得了很好的使用效果。果。 71. 在飞机上的应用在飞机上的应用 钛钛合合金金是是现现代代飞飞机机承承力力结结构构中中最最有有应应用用前前景景的的材材料料。同同铝铝合合金金及及钢钢相相比比，它它具具有有更更高高的的比比强强度度。同同时时，其其耐耐腐腐蚀蚀性性、疲疲劳劳抗抗力力均均很很高高。在在高高温温下下不不可可能能采采用用铝铝合合金金时时，钛钛合合金金却却能能有有效效地地工工作作。考考虑虑到到飞飞机机结结构构承承力力部部件件（壁壁板板、缘缘条条、隔隔框框、梁梁、接接头头及及
14、起起落落架架等等）的的特特点点，制制造造时时要要用用到到厚厚板板、模模锻锻件件（锻锻件件）、铸铸件件，以以及及挤挤压压型型材材、轧轧制制型型材材和和薄薄板板等等半半成成品品。设设计计此此类类疲疲劳劳危危险险的的结结构构部部件件，要要求求选选用用高高比比强强度度,最最大大断断裂裂韧韧性性和和最最小小裂裂纹纹扩扩展展速速率率的的材材料料。钛钛合合金金可可满满足足要要求求，方方法法是是对对不不同同半半成成品品采采用用不不同同的的变变形形加加工工和和热热处处理理，形形成成必必需需的的冶冶金金组组织织；针针对对钛钛合合金金的的所所有有特特点点，研研究究制制订订出出钛钛合合金金零部件的零部件的加工工艺加工
15、工艺。4.1 钛合金在飞行器结构上的应用钛合金在飞行器结构上的应用8 结结构构的的重重量量效效率率是是主主要要的的质质量量指指标标之之一一。改改进进半半成成品品及及决决定定结结构构件件采采用用何何种种连连接接，对对提提高高结结构构重重量量总总效效率率起起着着十十分分重重要要的的作作用用。这这不不仅仅取取决决于于设设计计任任务务书书，还还取取决决于于结结构构材材料料的的工工艺艺性性能能。对对两两块块壁壁板板的的等等寿寿命命对对接接结结构构分分析析得得知知，焊焊接接接接头头具具有有最最高高的的重重量量效效益益，且且电电子子束束焊焊接接优优于于其其它它焊焊接接，因因此此选选择择钛钛合合金金制制造造飞
16、飞机机结结构构的的主主要要要要求求之之一一是是合合金金本本身身要要有有良良好好的的可可焊焊性性。而而钛钛合合金金Ti-6Al-4V就就具具有有良好的可焊性。良好的可焊性。9 从从技技术术和和质质量量上上考考虑虑，飞飞行行器器制制造造工工业业都都是是金金属属钛钛的的最最大大用用户户，从从板板、管管材材到到铸铸件件、锻锻件件，消消耗耗钛钛加加工工材材达达60%60%以以上上。在在19801980年年前前，民民用用机机与与军军用用机机都都想想在在机机体体上上采采用用钛钛制制部部件件，但但因因成成本本问问题题而而受受到到限限制制。然然而而燃燃料料费费在在美美国国各各主主要要航航空空公公司司的的经经营营
17、成成本本中中所所占占的的比比例例自自19701970年年以以来来一一直直在在上上升升（19701970年年占占12%12%，19801980年年占占28%28%，19901990年年占占31%31%），从从而而推推动动了了具具有有高高比比强强度度的的钛钛部部件件在在飞飞机机上上的的广广泛泛应应用用。因因使使用用钛钛部部件件而而使使初初期期投投资资增增加加的的部部分分，可可因因节节省省航航运运费费和和维维修修费费而而完完全全抵抵消消。加加上上定定期期客客机机效效率率的的改改善善，使使得得波波音音公公司司投投资资数数十十亿亿美元，开发了节能效率好的美元，开发了节能效率好的757757型和型和767
18、767型客机。型客机。10 随随着着燃燃料料成成本本的的连连续续上上升升，可可以以预预计计到到新新的的民民用用客客机机中中钛钛的的用用量量将将增增加加。当当前前正正在在为为改改善善结结构构效效率率，降降低低部部件件成成本本而而积积极极地地开开发发有有力力的的新新合合金金和和新新的的加加工工方法。这样一来预计钛合金的用量将进一步增加。方法。这样一来预计钛合金的用量将进一步增加。 对对飞飞机机制制造造厂厂来来说说，把把燃燃料料消消耗耗降降低低到到最最小小限限度度，对对提提高高民民用用机机的的经经济济性性，提提高高战战斗斗机机的的留留空空时时间间具具有有重重要要的的作作用用。从从机机体体断断面面的的
19、形形状状、新新机机翼翼技技术术、恰恰当当地地选选择择发发动动机机等等基基本本设设计计方方面面，应应尽尽可可能能以以提提高高燃燃料料效效率率为为目目标标。因因为为重重量量是是节节省省燃燃料料的的主主要要因因素素，飞飞机机制制造造厂厂家家必必须须尽尽全全力力谋谋求求轻轻量量化化。使使用用改改良良铝铝、复复合合材材料料，再再和和钛钛复复合合使使用用，具具有有可可靠靠性性的的轻轻量量化化就就成成为为可能了。可能了。11 据据估估计计，歼歼击击机机铝铝合合金金原原材材料料成成本本约约占占飞飞机机总总成成本本的的1%1%。如如果果歼歼击击机机完完全全用用钛钛合合金金制制造造，则则原原材材料料成成本本占占总
20、总成成本本的的3.5%3.5%。如如果果钛钛成成本本降降低低一一半半，则则歼歼击击机机总总成成本本总总共共也也只只能能减减少少1%1%。因因而而，飞飞机机的的成成本本主主要要不不取取决决于于原原材材料料成成本本，而而是是取取决决于于生生产产费费用用。根根据据这这一一分分析析，可可以以认认为为在在飞飞机机制制造造中中应应用用钛钛不不存存在在成成本本障障碍碍，或或即即使使存存在在也也影影响响很很小小，因因而而可可以以预预计计钛钛将将来来在在飞飞机制造中会得到比现在更为广泛的应用。机制造中会得到比现在更为广泛的应用。2. 在宇宙飞船和航天飞机上的应用（略）在宇宙飞船和航天飞机上的应用（略）3. 在宇
21、宙火箭上应用（略）在宇宙火箭上应用（略）121314151617 4.2 航空用钛合金的分类与一般性能航空用钛合金的分类与一般性能1. 钛及合金的分类钛及合金的分类牌号牌号名义成分名义成分合金类型合金类型工作温度（工作温度（C）TA7Ti-5A-2.5Sn500TC1 Ti-2Al-1.5Mn近近350TC3Ti-5Al-4V+400TC4Ti-6Al-4V+400TC6Ti-6 Al-2.5 Mo-1.5 Cr-0.5 Fe-0.3Si+450TC11 Ti-6.5 Al-3.5 Mo-1.5 Zr-0.3Si +500TB2Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al300Ti-22Ti-10Mo-
22、8V-1Fe-3.5Al30047121Ti-7Mo-10V-2Fe-1Zr-4Al300ZTC4Ti-6Al-4V+350ZT3Ti-5Al-5Mo-2Sn-0.3Si-0.02Ce+500按按照照合合金金在在平平衡衡和和亚亚稳稳定定状状态态的的相相组组成成，钛钛合合金金可可分分为为、近近、+、近近、等等五五类类；但但习习惯惯上上将将钛钛合合金金分分为为、+和和三三大大类类。若若按按照照使使用用性性能能特特点点，则则可可分分为为结结构构钛钛合合金金、耐耐热热（热热强强）钛钛合合金金和和耐耐蚀蚀钛钛合合金金和和功功能能钛钛合合金金等等类类。我我国国钛钛合合金金国国标标牌牌号号中中，TA系系列列
23、代代表表型型钛钛合合金金；TB系系列列代代表表型型钛钛合合金金；TC系系列列代代表表+型钛合金。型钛合金。18u钛钛有有两两种种同同素素异异构构晶晶型型。低低于于882.5为为低低温温晶晶型型，呈呈密密排排六六方方晶晶格格；在在882.5到到熔熔点点（166810）为为稳稳定的高温定的高温晶型，呈晶型，呈体心立方晶格体心立方晶格。u钛钛可可以以与与多多种种元元素素形形成成合合金金，合合金金元元素素的的加加入入对对钛钛的的物物理理和和机机械械性性能能产产生生很很大大的的影影响响，并并引引起起多多晶晶型型转转变变温温度度的的变变化化。加加入入钛钛中中的的各各元元素素的的总总量量影影响响着着相相变变
24、温温度度的的变变化化程程度度。合合金金元元素素使使钛钛的的晶晶体体结结构构畸畸变变并并引引起起强强化化；相相变变行行为为的的能能力力随随元元素素的的不不同同的的而而不不同同。钛钛与与间间隙隙元元素素（即即处处于于钛钛晶晶格格内内间间隙隙位位置置）氧氧、氮氮、碳碳以以及及金金属属元元素素铝铝、锡锡等等构构成成的的合合金金具具有有稳稳定定的的相相类类型型，称称为为稳稳定定元元素素，能能够够提提高高纯纯钛钛的的相相变变温温度度。钛钛与与过过渡渡元元素素如如钒钒、铌铌、钽钽、钼钼及及锰锰、镁镁、铁铁、铬铬等等构构成成的的合合金金则则具具有有相相或或+相相类类型型，称称为为稳稳定定元元素素，它它们们不不
25、同同程程度度地地降降低低纯纯钛钛的的相相变温度。变温度。19u型型钛钛合合金金主主要要以以稳稳定定元元素素为为合合金金元元素素，在在室室温温下下具具有有单单相相组组织织，不不能能通通过过热热处处理理使使之之强强化化，通通常常只只进进行行退退火火处处理理；组组织织稳稳定定，耐耐磨磨性性高高于于纯纯钛钛，抗抗氧氧化化能能力力强强。在在500600的的温温度度下下，仍仍保保持持其其强强度度和和抗抗蠕蠕变变性性能能，室温强度不高室温强度不高。 u型型钛钛合合金金中中则则含含有有相相当当数数量量的的稳稳定定元元素素，它它们们当当中中有有的的能能无无限限地地溶溶于于钛钛中中（如如钼钼、铌铌、钒钒、钽钽等等
26、），有有的的则则只只是是有有限限地地固固溶溶于于钛钛中中（如如铬铬、铁铁、锰锰等等）。工工业业用用合合金金均均系系在在相相区区内内加加热热后后淬淬火火，将将相相保保持持下下来来，在在室室温温时时得得到到稳稳定定的的单单相相组组织织。经经固固溶溶处处理理（淬淬火火）后后再再进进行行时时效效而而使使合合金金强强化化；未未热热处处理理即即具具有有较较高高的的强强度度，淬淬火火、时时效效后后合合金金得得到到进进一一步步强强化化，室室温温强强度度可可达达13721666MPa；但热稳定性较差，不宜在高温下使用；但热稳定性较差，不宜在高温下使用。 20u+合合金金退退火火后后由由相相加加相相组组成成，也也
27、能能够够通通过过固固溶溶加加时时效效强强化化，但但强强化化效效果果不不如如型型钛钛合合金金。双双相相合合金金，具具有有良良好好的的综综合合性性能能，组组织织稳稳定定性性好好，有有良良好好的的韧韧性性、塑塑性性和和高高温温变变形形性性能能，能能较较好好地地进进行行热热压压力力加加工工，能能进进行行淬淬火火、时时效效使使合合金金强强化化。热热处处理理后后的的强强度度约约比比退退火火状状态态提提高高50100；高高温温强强度度高高，可可在在400500的的温温度度下下长长期工作，其热稳定性次于期工作，其热稳定性次于钛合金。钛合金。21u航航空空航航天天用用钛钛合合金金主主要要有有型型钛钛合合金金、钛
28、钛铝铝化化合合物物为为基基的的高高温温钛钛合合金金和和铸铸造造钛合金钛合金等。等。u非非航航空空航航天天用用钛钛合合金金方方面面则则主主要要应应用用于于化化工工装装置置、有有色色冶冶金金、发发电电站站冷冷凝凝器器、海海水水淡淡化化设设备备和和汽汽车车零零件件、人人工关节等领域。工关节等领域。 22 4.2 航空用钛合金的分类与一般性能航空用钛合金的分类与一般性能2. 工业纯钛的主要物理性能工业纯钛的主要物理性能233. 钛的耐腐蚀性钛的耐腐蚀性 如如上上所所述述，由由于于氧氧对对钛钛的的亲亲和和力力很很高高，在在钛钛表表面面常常有有一一层层薄薄而而坚坚固固的的氧氧化化膜膜。这这层层氧氧化化膜膜
29、的的存存在在使使得得钛钛在在许许多多强强腐腐蚀蚀介介质质中中呈呈钝钝化化状状态态，因因而而钛钛具具有有十十分分突突出出的的耐耐腐腐蚀蚀性性能能。工工业业纯纯钛钛在在中中性性和和碱碱性性溶溶液液、氧氧化化性性酸酸中中均均有有高高的的耐耐腐腐蚀蚀性性。此此外外在在海海水水中中钛钛不不受受腐腐蚀蚀，甚甚至至有有名名的的王王水水（一一份份硝硝酸酸加加三三份份盐盐酸酸）在在常常温温下下对对钛钛的的作作用用也也很很小小。氢氢氟氟酸酸、盐盐酸酸、磷磷酸酸、硫硫酸酸以以及及为为数数不不多多的的几几种种热热、浓浓有有机机酸酸：草草酸酸、甲甲酸酸、三三氯氯（代代）乙乙酸酸、三三氟氟（代代）乙乙酸酸、氯氯化化铝铝及
30、及卤卤素素元元素素与与钛钛发发生生作作用用，主主要要是是由由于于它它们们侵侵蚀蚀和和破破坏坏了了钛钛的的保保护护层层。加加入入氧氧化化剂剂或或离离子子时时此此种种腐腐蚀蚀情情况况可可得得到改善。到改善。244. 钛的力学性能钛的力学性能(1) 室温性能室温性能纯钛具有一定的强度，钛合金则具有较高的强度。纯钛具有一定的强度，钛合金则具有较高的强度。工业纯钛工业纯钛=265617MPa45钢：钢：900 MPa ，抗拉，抗拉 650 MPa 屈服屈服钛合金钛合金=6861176 MPa高强钛合金高强钛合金1176 MPa 由于钛的比重仅为钢的由于钛的比重仅为钢的60%，所以钛具有较高的比强度。，所
31、以钛具有较高的比强度。252627(2) 高温性能高温性能 大大多多数数钛钛合合金金在在500时时仍仍具具有有一一定定的的机机械械性性能能，但但一一般只在般只在450左右使用。左右使用。 钛钛合合金金高高温温性性能能的的改改善善主主要要是是靠靠寻寻找找理理想想的的合合金金系系统统以以及及改改进进工工艺艺来来达达到到的的。如如调调整整合合金金元元素素，提提高高材材料料的的蠕蠕变变强强度度、热热稳稳定定性性以以及及抗抗盐盐应应力力腐腐蚀蚀的的能能力力，改改进进热热处处理理制制度度，注注意意合合理理的的操操作作，防防止止可可能能的的气气体体和和其其它它物物质质的的污污染染等等均均能能达达到到上上述述
32、目目的的。但但要要研研制制出出一一种种性性能能优优良良、工工艺艺简简单单、成成本本低低廉廉的的材材料料也也却却非非易易事事。因因为为往往往往由由于于注注意意了了一一方方面面的的要要求求（如如高高强强度度），却却很很可可能能在在另另一一种种性性能能（如如蠕蠕变变性性能能）方方面面受受到到影影响响。所所以以，尽尽管管各各国国都都在在大大力力研研究究，但但能能长长期期经经受受生生产产、使使用用实实践践的的考考验验，具具有有优优异异的的综综合合性性能的钛合金为数并不很多。能的钛合金为数并不很多。2829(3) 低温性能低温性能 某某些些压压力力容容器器（航航天天装装置置上上的的液液氧氧、氢氢及及氟氟贮
33、贮箱箱）工工作作温温度度分分别别为为-183、-253、-269及及-212，要要求求材材料料在在极极低低温温度度下下仍仍具具有有较较好好的的物物理理和机械性能。和机械性能。 工工业业纯纯钛钛可可以以在在-196的的环环境境里里应应用用，而而Ti-5Al-2.5Sn(TA7)以以及及Ti-5Al-4V(TC3)使使用用温温度度可可达达 -253，AT2系系合合金金（以以Ti-Zr为为基基体体，用用铌铌、钒钒或或钼构成的三元合金）低温性能很好。钼构成的三元合金）低温性能很好。30315. 5. 钛的工艺性能钛的工艺性能(1) 切削加工性切削加工性 钛钛合合金金零零件件的的机机械械加加工工比比铝铝
34、合合金金、结结构构钢钢困困难难得得多多。原原因因在在于于钛钛合合金金的的特特性性，屈屈服服极极限限与与强强度度极极限限之之比比很很高高为为0.850.95（钢钢0.650.75 ）；导导热热性性较较差差；钛钛易易粘粘附附于于刀刀具具；高高温温下下与与气气体体的的化化学学活活性性很很强强；合金元素的偏析使切削层性能不一等。合金元素的偏析使切削层性能不一等。 32 屈屈服服极极限限与与强强度度极极限限之之比比很很高高，使使钛钛合合金金冷冷作作硬硬化化增增高高，即即冷冷作作硬硬化化层层增增大大，从从而而降降低低合合金金塑塑性性，使使刀刀具具磨磨损损加加剧剧。基基于于这这个个因因素素，再再加加上上导导
35、热热性性差差，致致使使切切削削区区温温度度升升高高，因因而而使使合合金金的的有有害害气气体体含含量量增增加加（特特别别是是对对于于薄薄截截面面）。金金属属气气体体含含量量过过高高，切切屑屑便便无无法法塑塑性性变变形形，而而且且收收缩缩率率变变为为负负值值。刀刀具具前前刀刀刃刃面面与与切切屑屑的的摩摩擦擦而而迅迅速速磨磨损损，后后刀刀刃刃面面与与加加工工表表面面也也迅迅速速磨磨损损。金金属属基基体体，特特别别是是零零件件表表层层的的性性能能不不一一，促促使使刀刀具具磨磨损损。同同时时，即即使使在在连连续续加加工工时也造成断续切削。时也造成断续切削。33 切切屑屑与与刀刀前前表表面面的的接接触触面
36、面积积比比钢钢小小5066%，而而刀刀尖尖上上的的接接触触压压力力却却增增大大同同样样的的幅幅度度，因因而而局局部部温温度度很很高高，足足以以引引起起氧氧化化和和形形成成薄薄的的坚坚硬硬层层，使使切切削削加加工工困困难难。合合金金的的导导热热性性低低，使使刀刀刃刃难难以以导导热热和和冷冷却却。此此外外，刀刀刃刃前前面面不不形形成成积积屑，而加工钢时有积屑，它有利于导热。屑，而加工钢时有积屑，它有利于导热。 34 钛钛合合金金表表面面有有一一层层硬硬壳壳，加加工工性性很很差差。由由于于硬硬壳壳的的硬硬度度和和厚厚度度不不均均匀匀，对对切切削削加加工工性影响也不相同。性影响也不相同。 钛钛合合金金
37、切切削削加加工工与与钢钢的的主主要要区区别别是是增增加加进进给给量量和和切切削削深深度度时时降降低低切切削削速速度度。切切削削速速度度应应比比钢钢降降低低23倍倍，以以保保证证刀刀具具的的必必要要寿寿命。因此，生产率要降低。命。因此，生产率要降低。3536 加加工工钛钛合合金金比比加加工工钢钢一一般般要要求求更更高高的的切切削削力力，因因此此必必须须采采用用高高刚刚性性机机床床。切切削削力力大大而而弹弹性性模模量量低低，会会加加大大毛毛坯坯的的弹弹性性变变形形，很很难难制制成成尺尺寸寸精精确确的的加加工工件件。因因此此，零零件件的的固固定定和和加加工工必必须须使使刀刀具具相相对于零件支点的扭矩
38、和弯矩为最小对于零件支点的扭矩和弯矩为最小。37 钛钛合合金金的的铣铣削削采采用用中中等等进进给给量量，铣铣削削速速度度为为1418m/min。锯锯切切时时，采采用用有有波波纹纹形形锯锯齿齿的的锯锯条条，齿齿距距56mm。钛钛的的磨磨削削则则有有些些困困难难，为为防防止止金金属属温温度度升升高高及及磨磨削削工工具具与与金金属属发发生生相相互互作作用用，磨磨削削时时严严禁禁采采用用高高速速度度。因因此此选选择择成成分分适适宜宜的的冷冷却却液液和和把把冷冷却却液液送送至至加加工工区的压力起着重要作用。区的压力起着重要作用。 金金属属钛钛的的细细屑屑被被滑滑油油油油污污后后易易自自燃燃，钛钛的的粉粉
39、尘尘有有爆爆炸炸危危险险。在在熄熄灭灭正正在在燃燃烧烧的的钛钛时时，不不能能使使用用普普通通灭灭火火剂剂（水水、泡泡沫沫灭灭火火剂剂和和二二氧氧化化碳碳），必必须须使使用用镁镁火火焰焰用用的的干砂、白云石灰以及适宜的灭火器。干砂、白云石灰以及适宜的灭火器。38 (2) 成形性能成形性能 钛板的成形性能与其内部组织、力学性能以及变形条件有关。钛板的成形性能与其内部组织、力学性能以及变形条件有关。 五五十十年年代代开开始始，在在飞飞机机结结构构上上采采用用了了钛钛板板零零件件。由由于于钛钛屈屈服服强强度度高高，弹弹性性模模量量低低，因因而而回回弹弹极极大大。这这样样，在在钛钛板板零零件件生生产产过
40、过程程中中便便遇遇到到了了大大量量的的成成形形问问题题。比比如如将将一一块块厚厚度度为为1mm的的退退火火TC4平平板板压压入入半半径径为为100mm的的弧弧形形模模中中，取取出出时时仍仍为为平平板板。就就其其弹弹性性大大小小而而论论，它它超超过过了了弹弹簧簧钢钢板板。热热压压机机床床问问世世之之前前，美美国国北北美美航航空空公公司司曾曾组组织织了了70多多人人的的手手工工校校形形工工段段，专专门门解解决决零零件件的的成成形精度问题。形精度问题。39 国国内内在在开开始始生生产产钛钛零零件件时时，碰碰到到的的问问题题也也很很多多。原原因因是是对对铝铝板板零零件件熟熟悉悉的的钣钣金金工工和和技技
41、术术人人员员，对对钛钛板板成成形形却却很很不不适适应应。首首先先下下料料切切边边工工序序就就因因剪剪刀刀刀刀刃刃磨磨损损太太快快而而成成为为难难题题；校校形形时时锤锤头头极极易易镦镦粗粗，敲敲修修过过程程中中锤锤头头弹弹回回很很高高，零零件件、模模具具上上锤锤击击印印痕痕累累累累仍仍未未能能使使零零件件贴贴模模就就范范。难难怪怪国国内内都都把把钛钛称称为为难难成成形形材材料料，有有人人则则称称它它是是热热成成形形材材料料，这这是是对对钛钛板板成成形形性性能能笼笼统统的的和和偏偏于于感感性性的的评评价价。但但这这不不应应妨妨碍碍人人们们对对其其进进行行具具体体分分析析，掌掌握握其特性，以便作出恰
42、当的处理。其特性，以便作出恰当的处理。 40钛的主要成形性能可以归纳如下：钛的主要成形性能可以归纳如下：钛钛板板强强度度较较高高，要要求求成成形形机机床床的的吨吨位位较较大大，单单位位成成形形力高。力高。在在常常温温下下钛钛的的抗抗拉拉强强度度与与屈屈服服强强度度十十分分接接近近，因因而而决决定定了了材材料料的的塑塑性性变变形形范范围围窄窄，成成形形过过程程中中变变形形稍稍大大就就有有可可能能产产生生破破坏坏。这这对对拉拉弯弯和和拉拉形形等等要要求求控控制制应应力力的的成成形形工艺很不利。工艺很不利。钛钛及及其其合合金金的的弹弹性性模模量量E小小，仅仅为为钢钢材材的的一一半半左左右右，因因而反
43、映冲压回弹大小的而反映冲压回弹大小的 /E的比值比钢大得多；的比值比钢大得多；均均匀匀延延伸伸率率值值或或稳稳定定性性指指数数n值值较较低低，所所以以拉拉伸伸发发生生失失稳稳前前的的应应变变较较小小。同同时时断断面面收收缩缩率率亦亦较较低低，而而且且波波动动范范围围大大。因因此此容容易易发发生生破破坏坏而而出出现现废废品品，或或只只能能作作变变形形程度较小的零件。程度较小的零件。41钛板的弯曲能力差，只有普通材料的五分之一左右。凡有钛板的弯曲能力差，只有普通材料的五分之一左右。凡有弯曲变形的工序（如闸压和橡皮成形），工件的弯曲半径都弯曲变形的工序（如闸压和橡皮成形），工件的弯曲半径都应加大。应
44、加大。受压时的稳定性较低，仅为一般材料的一半左右，易失稳受压时的稳定性较低，仅为一般材料的一半左右，易失稳起皱。再加上弯曲性能不好，在起皱部件波纹部常可见到弯起皱。再加上弯曲性能不好，在起皱部件波纹部常可见到弯裂（即所谓裂（即所谓“皱裂皱裂”），这也是钛板成形中的一大问题。），这也是钛板成形中的一大问题。硬度比钢约高出一倍，加上强度高，因此用于成形钛材的硬度比钢约高出一倍，加上强度高，因此用于成形钛材的模具材料应当有较高的强度和硬度。模具材料应当有较高的强度和硬度。钛的抗磨损能力比不锈钢还低，极易损伤零件和模具。钛的抗磨损能力比不锈钢还低，极易损伤零件和模具。由于存在较高的残余应力，在冲压件上
45、产生裂纹，冲压之由于存在较高的残余应力，在冲压件上产生裂纹，冲压之后，零件产生翘曲。为了消除应力，零件于冲压后应进行退后，零件产生翘曲。为了消除应力，零件于冲压后应进行退火处理。火处理。冷变形后发生急剧硬化，因而需要增加中间退火次数。冷变形后发生急剧硬化，因而需要增加中间退火次数。对于缺口、缺陷以及变形速度敏感性大，给冲压成形带来不对于缺口、缺陷以及变形速度敏感性大，给冲压成形带来不利影响。利影响。42 为为了了克克服服钛钛合合金金在在室室温温下下成成形形的的困困难难，改改善善钛钛及及钛钛合合金金的的冲冲压压性性能能，往往往往不不得得不不采采用用加加热热成成形形方方法法。随随着着钛钛板板应应用
46、用的的扩扩大大，热热成成形形与与热热校校形形技技术术也也得得到到发发展展。此此外外，某某些些具具有有超超塑性特性的钛板，还可以利用超塑性原理进行加工塑性特性的钛板，还可以利用超塑性原理进行加工。 综合钛的各种有关特性，可以简要地归纳成以下几点：综合钛的各种有关特性，可以简要地归纳成以下几点：比重小，强度大，比强度高；比重小，强度大，比强度高；能耐多种介质的腐蚀，特别是对海水的抗蚀性能突出；能耐多种介质的腐蚀，特别是对海水的抗蚀性能突出；在高温下化学性能活泼，易受污染；在高温下化学性能活泼，易受污染；屈强比高，塑性变形区小，常温下加工困难；屈强比高，塑性变形区小，常温下加工困难；弹性模量低，回弹
47、大；弹性模量低，回弹大；延性较低；延性较低；对对切切口口、划划伤伤以以及及其其它它表表面面缺缺陷陷敏敏感感，易易产产生生裂裂纹纹、擦擦伤伤，容易粘接；容易粘接；热传导率小；热传导率小；细小粒子容易着火。细小粒子容易着火。43第第6章章 钛合金钣金零件的成形钛合金钣金零件的成形 在在飞飞机机各各种种结结构构件件中中，钣钣金金件件占占6570%，其其中中钛钛合合金金的的应应用用越越来来越越多多。用用板板材材成成形形制制作作的的零零件件有有各各种种蒙蒙皮皮、包包括括整整流流包包皮皮和和整整流流罩罩在在内内的的复复杂杂形形状状零零件件、带带孔孔或或下下陷陷的的直直线线和和曲曲线线型型板板制制零零件件、
48、带带翻翻边边及及波波纹纹槽的平面零件等槽的平面零件等。 零零件件的的可可成成形形性性在在很很大大的的程程度度上上取取决决于于合合金金的的工工艺艺性性。所所谓谓工工艺艺性性是是指指合合金金材材料料及及由由这这种种合合金金制制作作的的结结构构的的综综合合性性能能，它它能能采采用用最最完完善善的的工工艺艺，在在材材料料消消耗耗最少、时间最短的条件下保证较高的质量。最少、时间最短的条件下保证较高的质量。44 6.0 钛板的基本力学试验数据钛板的基本力学试验数据45 钛合金的钛合金的 比值比值脆性脆性 钛合金的钛合金的 E/回弹量大，手工修整极其困难回弹量大，手工修整极其困难 n值大值大材料均匀变形的能
49、力强材料均匀变形的能力强 值大值大表明在同样受力条件下，板料厚度表明在同样受力条件下，板料厚度方向上的变形能力低，减少起皱，方向上的变形能力低，减少起皱，有利于拉延进行和产品质量提高。有利于拉延进行和产品质量提高。46 6.1 钛板的成形特性钛板的成形特性 要要制制作作一一个个形形状状复复杂杂的的优优质质钣钣金金件件，需需要要涉涉及及板板材材许许多多方方面面的的性性质质。从从一一块块平平板板变变成成复复杂杂形形状状的的零零件件，反反映映出出材材料料的的变变形形性性（塑塑性性变变形形的的可可能能与与程程度度）、稳稳定定性性（变变形形过过程程是是否否起起皱皱或或颈颈缩缩）、抗抗磨磨损损性性（板板料
50、料与与模模具具接接触触磨磨擦擦损损伤伤的的程程度度）、回回弹弹（工工件件从从模模具具中中取取出出后后的的精精度度或或贴贴模模程程度度）等诸多特性。现简述如下：等诸多特性。现简述如下：471. 变形性变形性 常常用用的的变变形形性性指指标标是是单单向向拉拉伸伸时时的的相相对对延延伸伸率率和和拉拉断断时时的的断断面面收收缩缩率率。指指的的是是在在一一定定长长度度上上的的相相对对变变形形。拉拉伸伸断断裂裂时时包包括括整整个个长长度度上上的的均均匀匀变变形形和和局局部部细细颈颈区区的的集集中中变变形形，把把延延伸伸率率细细分分为为出出现现细细颈颈前前的的均均匀匀延延伸伸率率和和细细颈颈区区的的局局部部
51、延延伸伸率率，对对使使用用来来说说更更方方便便。前前者者与与试试样样长长度度无无关关，后者则代表局部达到破裂时的变形程度。后者则代表局部达到破裂时的变形程度。 塑塑性性变变形形可可达达到到的的程程度度归归结结起起来来可可表表达达为为应应变变速速度度、温温度度与应力状态的函数。即与应力状态的函数。即 Deform=f(V,T,S)482. 稳定性稳定性 冲压成形时的稳定性有两种类型。冲压成形时的稳定性有两种类型。 一一为为受受拉拉时时，比比如如拉拉弯弯或或拉拉型型的的稳稳定定性性，这这主主要要取取决决于于材材料料的的均均匀匀延延伸伸率率 或或n值值，而而厚厚向向异异性性指数指数 的影响则很小。的
52、影响则很小。 另另一一个个是是受受压压时时的的稳稳定定性性。为为建建立立评评判判方方法法，选选用用相相同同尺尺寸寸与与厚厚度度尺尺寸寸的的长长板板条条，在在两两端端同同样样铰铰支支下下，沿沿长长度度受受压压，并并使使应应力力刚刚好好达达到到塑塑性性状状态态，这这时时板板条条的的长长度度L与与厚厚度度t之之比比就就代代表表该该材材料料在在成成形形时时的的相相对对稳稳定定性性，或或叫叫抗抗皱皱能能力力。其其值值越越大大越稳定。越稳定。493. 抗磨损性抗磨损性 钛钛和和钛钛合合金金的的抗抗磨磨损损性性很很低低，因因为为钛钛和和其其它它金金属属在在滑滑动动接接触触状状态态下下，很很容容易易“焊焊接接
53、”在在一一起起。即即使使当当正正压压力力和和相相对对滑滑动动都都很很小小，部部分分表表面面也也会会粘粘住住；如如果果强强行行将将其其拆拆开开，就就会会严严重重地地破破坏坏表表面面光光洁洁度度。正正因因为为这这样样，钛钛材材不不宜宜制制作作螺螺纹纹和和齿齿轮轮。显显而而易易见见，在在钛钛板板冲冲压压成成形形时时就就必必须须采采取取表表面面保护及减磨措施，以便尽量避免零件的擦伤和模具的损坏。保护及减磨措施，以便尽量避免零件的擦伤和模具的损坏。钛合金零件钛合金零件其他金属零件其他金属零件粘着点粘着点504. 回弹回弹 众众所所周周知知，要要使使板板料料成成形形，必必须须要要施施加加一一个个超超过过它
54、它屈屈服服点点的的应应力力，使使其其产产生生塑塑性性变变形形，并并迫迫使使它它与与模模具具贴贴合合。但但从从模模具具中中将将零零件件中中取取出出后后，因因为为应应力力释释放放就就会会发发生生与与原原来来变变形形方方向向相相反反的的所所谓谓回回弹弹变变形形。它它使使零零件件的的角角度度、半半径径和和深深度度等等与与模模具具产产生生显显著著的的偏偏差差，这这是是钛钛成成形形的的主主要要困困难难之之一一。究究其其原原因因，则则是是弹弹性性变变形形引引起起的的。所所以以，用用刚刚刚刚产生塑性变形的应变作为回弹的指标，即产生塑性变形的应变作为回弹的指标，即其值越大，成形精度越低。其值越大，成形精度越低。
55、51 6.2 钛板的冷成形钛板的冷成形 钛板在室温下的成形称为钛板的冷成形。钛板在室温下的成形称为钛板的冷成形。 在在飞飞机机制制造造中中冷冷成成形形是是铝铝合合金金、黑黑色色金金属属（钢钢）的的钣钣金金件件常常规规的的生生产产方方法法，在在常常用用的的冲冲压压成成形形设设备备上上进进行行。由由于于冷冷成成形形不不涉涉及及加加热热问问题题，方方法法比比较较成成熟熟，技技术术难难点点较较少少。钛钛和和钛钛合合金金板板材材零零件件在在可可以以采采用用冷冷成成形形方方法法生生产产时，应尽量采用。时，应尽量采用。 虽虽然然总总的的来来说说钛钛合合金金的的冷冷成成形形较较差差，但但一一些些塑塑性性较较好
56、好的的钛钛合合金金（如如TA2、TC1等等），在在一一定定程程度度上上仍仍可可采采用用冷冷成成形形。如如平平缓缓的的双双曲曲度度蒙蒙皮皮可可在在常常温温下下用用蒙蒙皮皮拉拉形形机机成成形形；如如果果弯弯曲曲半半径径较较大大，直直线线型型材材可可在在室室温温下下压压弯弯成成形形；压压制制形形状状简简单单且且弯弯曲曲半半径径较较大大的的弯弯曲曲件件；成成形形简简单单的的拉拉深件等。深件等。52 LOIRE FET 600T_4000/4200数控蒙皮拉形机数控蒙皮拉形机 53 美国美国LF公司公司 A-7B数控型材拉弯机数控型材拉弯机 54 钛钛板板较较高高的的厚厚向向异异性性指指数数 值值，在在
57、拉拉深深成成形形时时，受受拉拉区区材材料料的的承承载载能能力力相相对对较较强强，弥弥补补了了屈屈服服极极限限接接近近强强度度极限的缺陷，便板料的冷拉伸性能得到了改善。极限的缺陷，便板料的冷拉伸性能得到了改善。 根根据据试试验验作作出出的的统统计计方方程程，极极限限拉拉伸伸系系数数K与与 的的关关系为：系为：K=1.86+0.307 0.002从从该该式式可可看看出出， 值值大大的的材材料料有有较较高高的的K值值。实实践践也也证证实实了了钛钛合合金金筒筒形形件件的的拉拉深深性性能能并并不不比比LY12M、30CrMnSi和和1Cr18Ni9Ti等等材材料料逊逊色色。如如TC1M，K值值可可达达1
58、.77，而而TA2M，K值值可可达达2.36。若若分分二二次次拉拉伸伸，中中间间退退火火以以消消除除冷冷作作硬硬化化及及内内部部残残余余应应力力，可可进进一一步步提提高高K值值，如如TC1的的K值由值由1.77可提高到可提高到1.93。 冷冷成成形形后后往往往往弹弹性性回回弹弹量量大大，并并引引起起材材料料冷冷作作硬硬化化。为为消消除除残残余余应应力力，改改善善材材料料性性能能，必必须须进进行行退退火火。国国内内有有的的工工厂厂对对TC1零零件件最最终终退退火火规规范范定定为为：54010，10min。55 鉴鉴于于冷冷成成形形具具有有工工艺艺简简单单，可可在在常常规规的的铝铝合合金金冲冲压压
59、成成形形设设备备（冲冲床床、液液压压机机、蒙蒙皮皮拉拉形形机机、滚滚弯弯机机、闸闸压压床床、落落锤锤、型型拉拉机机及及弯弯板板机机等等）上上进进行行。同同时时又又考考虑虑到到该该法法的的局局限限性性，因因此此常常利利用用冷冷成成形形制制作作钛钛板板预预成成形形件件，而而后后再再用用热热校校形形的的方方法法消消除除不不符符合合设设计计图图纸纸要要求求的的缺缺陷陷，如如冷冷成成形形后后常常出出现现的的角角度度、弯弯曲曲半半径径、型型面面尺尺寸寸和和外外型型的的超超差差，凸凸弯弯边边上上出出现现的的不不易易清清除除的的皱皱纹纹，零零件件起起皱皱与与扭扭曲，腹板鼓动或翘曲等。曲，腹板鼓动或翘曲等。冷冲压预成形冷冲压预成形热校形热校形56个人观点供参考，欢迎讨论
