Titan ist weit verbreitet, sein Gehalt übersteigt 0,4 Prozent der Masse der Erdkruste, und die weltweit nachgewiesenen Reserven betragen etwa 3,4 Milliarden Tonnen und liegen damit auf Platz 10 unter allen Elementen (Sauerstoff, Silizium, Aluminium, Eisen, Kalzium). , Natrium, Kalium, Magnesium, Wasserstoff, Titan).
Amerikanische Wissenschaftler erhielten 1910 erstmals metallisches Titan mit der „Natriummethode“ (Natriumreduktion von TiCl4), aber die Titanindustrie entwickelte sich nicht sofort mit der Entdeckung von Titan.
Erst 1948 nach dem Zweiten Weltkrieg wurde das von luxemburgischen Wissenschaftlern erfundene „Magnesium-Verfahren“ (Magnesium-Reduktion TiCl4) für die Produktion in den Vereinigten Staaten eingesetzt und die Titanindustrie begann zu florieren.
Titan ist 40 Prozent weniger dicht als Stahl und seine Festigkeit ist mit der von Stahl vergleichbar, was die strukturelle Effizienz verbessern kann. Gleichzeitig hat Titan eine gute Hitzebeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Elastizität, Elastizität und Formbarkeit. Aufgrund der oben genannten Eigenschaften von Titan werden Titanlegierungen seit dem Erscheinen von Titanlegierungen in der Luftfahrtindustrie verwendet. 1953 wurde Titan zum ersten Mal für die Feuerwand und die Gondel des DC-T-Triebwerks verwendet, die von der Douglas Company aus den Vereinigten Staaten hergestellt wurden, und die Geschichte der in der Luftfahrt verwendeten Titanlegierungen begann.
Das Space Shuttle ist das wichtigste und am weitesten verbreitete Flugzeug. Titan ist das Hauptstrukturmaterial von Flugzeugen, und es ist auch das Material der Wahl für wichtige Komponenten wie Lüfter, Verdichterscheiben und -schaufeln von Flugzeugtriebwerken und ist als "Weltraummetall" bekannt. Je fortschrittlicher das Flugzeug ist, desto mehr Titan wird verwendet. Beispielsweise beträgt der Titangehalt des Flugzeugs der vierten Generation der US-amerikanischen F22 41 Prozent (Massenanteil) und der Titangehalt des F119-Triebwerks 39 Prozent, das derzeit das Flugzeug mit dem höchsten Titangehalt ist. Die Erforschung von Titanlegierungen hat ihren Ursprung in der Luftfahrt, und die Entwicklung der Luftfahrtindustrie hat auch die Entwicklung von Titanlegierungen vorangetrieben. Die Erforschung von Titanlegierungen für die Luftfahrt war schon immer der wichtigste und aktivste Zweig auf dem Gebiet der Titanlegierungen, aber ihre Entwicklung ist auch äußerst schwierig.
In diesem Artikel werden Titanlegierungen aus der Perspektive der Phasenzusammensetzung der Legierungsmatrix klassifiziert. Stellvertretend für Flugzeuge betrachtet konzentriert sich dieser Beitrag auf die Anwendung und Erforschung von Titanlegierungen in Flugzeugtriebwerken, Flugzeugrümpfen und Befestigungselementen für die Luftfahrt. Abschließend werden die bestehenden Probleme bei der Entwicklung von Titanlegierungen für die Luftfahrt analysiert.
1 Klassifizierung von Titanlegierungen
Die Klassifizierung von Titanlegierungen in den Vereinigten Staaten, Großbritannien, Russland, Frankreich, Japan und anderen Ländern wird hauptsächlich von den Herstellern bestimmt, und es gibt viele Namen. Einige Unternehmen verwenden direkt die chemischen Symbole und Nummern der Elemente, um die hinzugefügten Legierungselemente und deren Inhaltsstoffe zu ersetzen, z. B. Ti-6Al-4V (entspricht TC4 in meinem Land). Entsprechend der Phasenzusammensetzung können Titanlegierungen unterteilt werden in: Titanlegierungen vom -Typ mit hexagonal dicht gepackter Struktur (HCP) (einschließlich Legierungen vom nahen - --Typ) – d. h. Haushaltsqualitäten TA und zweiphasig gemischt Plus-Typ-Titanlegierungen – d. h. inländische Sorten von TC und körperzentrierte kubische (BCC)-Titanlegierungen (einschließlich Legierungen vom nahen - --Typ) – d. h. die inländische Marke ist TB.
1.1 -Typ Titanlegierung
Die einphasige Festlösungslegierung mit -Titan als Matrix im geglühten Zustand ist eine Titanlegierung vom -Typ, die hauptsächlich Elemente wie Al und Sn enthält. Al kann die Zug- und Kriechfestigkeit der Legierung erhöhen, die Dichte der Titanlegierung verringern und die spezifische Festigkeit verbessern und ist ein wichtiges Legierungselement in der Titanlegierung. Um die Mischkristallverfestigungswirkung von Aluminium zu maximieren und eine durch übermäßiges Al verursachte Legierungsversprödung zu vermeiden, sollte die Legierungsarbeit von Hochtemperatur-Titanlegierungen der von ROSENBERG vorgeschlagenen äquivalenten empirischen Formel folgen. Gute thermische Stabilität. Diese Elemente in Alpha-Titanlegierungen dienen der Stabilisierung durch Hemmung oder Erhöhung der Umwandlungstemperatur bei der Umwandlungstemperatur. Verglichen mit Titanlegierungen vom -Typ haben Legierungen vom -Typ eine gute Kriechfestigkeit, Festigkeit, Schweißbarkeit und Zähigkeit und sind die bevorzugten Legierungen zur Verwendung bei hohen Temperaturen. Gleichzeitig weist eine Legierung vom -Typ keine Kältesprödigkeit auf und ist auch für den Einsatz in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen geeignet, was ihren Anwendungsbereich erweitert. -Typ-Legierungen haben eine schlechte Schmiedbarkeit und sind anfällig für Schmiedefehler. Schmiedefehler können durch Reduzieren der Bearbeitungsrate pro Durchgang und häufige Wärmebehandlung kontrolliert werden. Die Matrix ist eine stabile Phase, und für eine Legierung mit gegebener Zusammensetzung ist die Änderung ihrer Eigenschaften hauptsächlich die Änderung der Korngröße, da sowohl die Streckgrenze als auch die Kriechfestigkeit mit der Korngröße und der während der Verformung gespeicherten Energie in Beziehung stehen. Die Festigkeit einer Titanlegierung vom -Typ kann durch Wärmebehandlung nicht verbessert werden, und die Festigkeit ändert sich nach dem Glühen grundsätzlich nicht oder nur geringfügig. Einige Legierungen enthalten mehr Al, Sn, Zr und eine kleine Menge stabilisierender Elemente (im Allgemeinen weniger als 2 Prozent). Obwohl diese Legierungen eine -Phase enthalten, besteht die Matrix hauptsächlich aus einer -Phase, die den Legierungen vom -Typ in Bezug auf Wärmebehandlungsempfindlichkeit und Verarbeitbarkeit sehr nahe kommt und als Titanlegierungen vom - --Typ bezeichnet wird. Legierungen vom - --Typ wurden auf der Grundlage der Erkenntnis entwickelt, dass eine hohe Kriechfestigkeit erhalten werden kann, indem die -Matrix mit Legierungselementen aus fester Lösung verstärkt wird. Die meisten Legierungen vom - --Typ sind inzwischen aufgrund ihrer guten thermischen Stabilität zu Hochtemperatur-Titanlegierungen geworden. wichtige Legierungstypen. Sein Verstärkungsmechanismus besteht darin, dass Atome in der Phase schnell diffundieren und zum Kriechen neigen.
Gebräuchliche Titanlegierungen (einschließlich Legierungen vom - --Typ) umfassen Ti811 (Ti-8Al-1Mo-1V), Ti-6Al{{7). }}Zr-1Mo-1V, Ti-679 (Ti-2.25Al-11Sn-5Zr-1Mo{ {16}}.25Si), BT18 (Ti-7.7Al-11Zr-0.6Mo-1Nb-0.3Si) und Ti6242S (Ti{ {28}}Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si) usw. Die Zusammensetzungen und Eigenschaften sind in Tabelle 2 aufgeführt.
Titanlegierung vom Typ 1.2 plus
Um die Festigkeit und Zähigkeit von Titanlegierungen zu verbessern, wurden Plus-Titanlegierungen entwickelt. Im Vergleich zu anderen Titanlegierungen werden Pluslegierungen mit -stabilisierenden Elementen und -stabilisierenden Elementen versetzt, um die Phasen und zu verstärken. plus-Legierung hat hervorragende umfassende Eigenschaften. Beispielsweise ist seine Festigkeit bei Raumtemperatur höher als die einer Legierung. Es hat eine gute thermische Verarbeitungsleistung und kann durch Wärmebehandlung verstärkt werden, sodass es für Strukturteile in der Luft- und Raumfahrt geeignet ist. Die geglühte Struktur der Titanlegierung vom Plus-Typ ist eine Plus-Phase, und der Gehalt an Phase beträgt im Allgemeinen 5 bis 40 Prozent. Seine Struktur ist jedoch nicht stabil genug, und die maximale Betriebstemperatur kann nur 500 Grad erreichen, und seine Schweißleistung und Hitzebeständigkeit sind geringer als die einer Titanlegierung vom Typ -.
Titanlegierungen vom Plus-Typ umfassen hauptsächlich TC4 (Ti-6 Al - 4 V ), TC 6 (Ti - 6 Al - 1,5 C r -2,5Mo{ {9}}.5Fe-0.3Si), TC11 (Ti- 6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si), TC17 ( Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr), TC19 (Ti-6Al-2Sn{{ 31}}Zr-6Mo) und TC21 (Ti-6.2Al-2.8Mo) -2Nb-2Sn-2.1Zr{ {42}}.3Cr) und so weiter. Unter ihnen ist die TC11-Legierung auch als Near-Beta-Legierung bekannt.
ZHOU schlug eine Verarbeitungstechnologie der TC11-Legierung vor. Zuerst wird die Legierung bei 15 Grad unter der -Übergangstemperatur wärmebehandelt, gefolgt von einer schnellen Wasserkühlung, und wird dann einer Hochtemperatur- und Niedertemperatur-Härtungs- und Verfestigungswärmebehandlung unterzogen, um eine neue Mikrostruktur zu erhalten. Diese neue Mikrostrukturmatrix besteht aus 15 Prozent gleichachsigen Körnern, 50 bis 60 Prozent geschichteten Körnern und umgewandelten Körnern. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass die Legierung eine hohe Ermüdungsbeständigkeit, eine lange Kriechermüdungslebensdauer, eine hohe Zähigkeit und eine ausgezeichnete Hochtemperatur-Betriebsleistung aufweist, ohne die Plastizität und thermische Stabilität zu verringern.
Und das experimentelle Prinzip des neuen Prozesses und des Zähigkeitsmechanismus wird diskutiert. Das Schlüsselproblem bei der praktischen Anwendung dieser Verarbeitungstechnologie ist die genaue Steuerung der Temperatur.
Dieser TC11-Titanlegierungsbearbeitungsprozess wurde verwendet, um zuverlässige Kompressorscheiben, Rotoren und andere Komponenten für Flugzeugtriebwerke herzustellen.
1.3 -Typ Titanlegierung
Der Gehalt an -stabilisierenden Elementen ist hoch genug, und die Legierung, die durch schnelles Abkühlen der -Phase nach der Lösungsbehandlung und Halten derselben auf Raumtemperatur erhalten wird, wird Titanlegierung vom -Typ genannt. Gemäß der Klassifizierung der Mikrostruktur im stabilen Zustand können Titanlegierungen in stabile Titanlegierungen und metastabile Titanlegierungen unterteilt werden, wie in Abbildung 1 gezeigt. In Abbildung 1 ist MS die martensitische Umwandlungstemperaturlinie, C ist der Mindestgehalt an -stabilen Elementen in metastabilen Legierungen, und S ist der Mindestgehalt an -stabilen Elementen in stabilen Legierungen.
Beta-Legierungen haben eine gute Kaltformbarkeit im Lösungszustand und sind auch ausgezeichnet in der Härtbarkeit und im Ansprechverhalten auf Wärmebehandlung.
Die üblicherweise verwendete Wärmebehandlungsmethode ist eine erste Lösungsbehandlung und dann eine Alterung bei 450 bis 650 Grad. Auf der ursprünglichen Matrix der Legierung wird eine feine Phase ausgefällt, die eine zweite Phase mit dispergierter Verteilung bildet, die den Festigungsmechanismus der Legierung darstellt. Verglichen mit anderen Arten von Titanlegierungen scheidet eine -Titanlegierung während des Alterns mehr Phase aus und enthält mehr -Phasengrenzflächen, um die Bewegung von Versetzungen zu verhindern, sodass die Festigkeit von -Titanlegierungen bei Raumtemperatur am höchsten ist.
Die Fähigkeit eines Metallmaterials, bei Verformung und Bruch Energie zu absorbieren, wird als Zähigkeit bezeichnet. Je mehr Energie ein Material aufnimmt, desto besser ist die Zähigkeit. Die Bruchzähigkeit ist ein Indikator für die Zähigkeit eines Materials, der den Widerstand des Materials gegen die Ausbreitung von Rissen und anderen scharfen Defekten widerspiegelt. Allgemein gesagt zeigen die Bruchzähigkeit und Festigkeit von Titanlegierungen einen umgekehrten Trend, das heißt, die Bruchzähigkeit nimmt ab, wenn die Festigkeit zunimmt. Um die Anwendung von -Titanlegierungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie zu untersuchen, ist es notwendig, Mikrostrukturen mit guter Festigkeit und Bruchzähigkeit sowie Verarbeitungstechnologie und Wärmebehandlungsregime zu entwerfen. Legierungszusammensetzung und Mikrostruktur sind die beiden Hauptfaktoren, die die Bruchzähigkeit von Beta-Titanlegierungen bestimmen. Die Legierungszusammensetzung bestimmt die Menge an Beta-Phase in der Legierung sowie die Art und Bruchzähigkeit der Legierung. Auch die Morphologie, Menge und das Volumen der Mikrostruktur beeinflussen die Bruchzähigkeit der Legierung. Fu Yanyan und andere glaubten, dass das -stabilisierende Element und das mittelgroße Element Zr einer -Titanlegierung die Festigkeit der Legierung verbessern und die Bruchzähigkeit verringern können. Die feinen Körner können die Festigkeit von gealterten Titanlegierungen nicht effektiv verbessern und verringern die Bruchzähigkeit von Ti-15-3-Legierungen, haben aber keine signifikante Wirkung auf die Bruchzähigkeit von -C- und Ti-1023-Legierungen.
Die Festigkeit der Alterungs-Titanlegierung hängt hauptsächlich vom Gehalt und der Größe der durch Alterung ausgeschiedenen Sekundärphase ab. In dem Fall, dass sie die gleiche Primärphase enthalten, kann die feine Sekundärphase die Festigkeit der Legierung signifikant verbessern.
Die Vergröberung der Primärphase und die Umwandlung der Primärphase von sphärisch zu flockig führt zu einer Abnahme der Duktilität und einer Erhöhung der Bruchzähigkeit von Titanlegierungen. Die Dual-Mode-Struktur der Titanlegierung hat eine gute Übereinstimmung von Festigkeit, Duktilität und Zähigkeit.
Der Grund für die weit verbreitete Verwendung von Titanlegierungen liegt auch darin, dass sie die Vorteile einer hohen Festigkeit und hohen Plastizität aufweisen, die andere Arten von Titanlegierungen nach dem Altern nicht erreichen können. Gleichzeitig ersetzen die wärmebehandelbare Verstärkung und die Fähigkeit zur Tiefenhärtung der Titanlegierung nach und nach die Plus-Zweiphasen-Titanlegierung als bevorzugtes Strukturmaterial für Flugzeugrümpfe und -flügel und spielen eine immer wichtigere Rolle in der Luft-und Raumfahrtindustrie. immer wichtigere Rolle.
2 Entwicklung und Anwendung von Titanlegierungen für die Luftfahrt
In den 1950er Jahren traten Militärflugzeuge in die Ära der Überschallgeschwindigkeit ein, und die ursprünglichen Aluminium- und Stahlkonstruktionen konnten den neuen Anforderungen nicht mehr gerecht werden. Zu dieser Zeit traten Titanlegierungen in die Phase der industriellen Entwicklung ein. Titanlegierungen haben hervorragende Eigenschaften wie geringe Dichte, hohe spezifische Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit, nicht magnetisch, schweißbar, breiter Betriebstemperaturbereich (269 bis 600 Grad) und können für verschiedene Formen, Schweißen und Bearbeiten von Teilen verwendet werden . Die Luftfahrt wurde bald weit verbreitet. In den frühen 1950er Jahren begannen Militärflugzeuge, industrielles Reintitan zu verwenden, um weniger beanspruchte Strukturteile wie Hitzeschilde, Heckverkleidungen und Geschwindigkeitsbremsen des Rumpfhecks herzustellen. In den 1960er Jahren wurden Titanlegierungen ferner auf wichtige spannungstragende Strukturteile wie Gleitklappen von Flugzeugen, tragende Schotts, Mittelflügel-Kastenträger und Fahrwerksträger aufgetragen. In den 1970er Jahren hatte sich die Anwendung von Titanlegierungen in Flugzeugstrukturen von Kampfflugzeugen auf große Militärbomber und Transportflugzeuge ausgeweitet, und eine große Anzahl von Titanlegierungsstrukturen wurde auch in Zivilflugzeugen verwendet.
Nach dem Eintritt in die 1980er Jahre hat das in Zivilflugzeugen verwendete Titan allmählich zugenommen und das in Militärflugzeugen verwendete Titan übertroffen. Je fortschrittlicher das Flugzeug, desto mehr Titan wird verwendet. Die Tabellen 3 und 5 führen den Massenanteil von Titanmaterialien auf, die in Jägern der dritten und vierten Generation sowie in modernen Bombern und Transportflugzeugen in den Vereinigten Staaten verwendet werden, die Arten von Titanlegierungen, die in allgemeinen Flugzeugen verwendet werden, und die Menge an Titanlegierungen und Verbundmaterialien in Airbus-Flugzeugen verwendet. Aus Tabelle 5 ist ersichtlich, dass die Verwendung von Titan in Airbus A380-Flugzeugen 10 Prozent erreicht hat und Titan zu einem unverzichtbaren Strukturmaterial für moderne Flugzeuge geworden ist. Titanlegierungen für die Luftfahrt können je nach Verwendungszweck in Titanlegierungen für Flugzeugtriebwerke, Titanlegierungen für Flugzeugrümpfe und Titanlegierungen für Befestigungselemente für die Luftfahrt unterteilt werden. In den letzten Jahren haben Menschen eingehende Forschungen zur Anwendung von Titanlegierungen für die Luftfahrt in den oben genannten drei Aspekten durchgeführt.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Titanlegierung ein großes Schub-Gewichts-Verhältnis, eine hohe Zähigkeit, eine gute Festigkeit und Schweißbarkeit aufweist und ein Luftfahrtmaterial mit hervorragenden umfassenden Eigenschaften ist. In den letzten Jahrzehnten wurden die Legierungstheorie, die umfassende Verstärkungs- und Zähtechnologie und der Wärmebehandlungsprozess von Titanlegierungen für die Luftfahrt stark entwickelt. Derzeit konzentriert sich die Forschung zu Titanlegierungen hauptsächlich auf die thermische Stabilität bei hohen Temperaturen, die Kriechfestigkeit und das Design und den Herstellungsprozess von Titanlegierungen mit geringen Kosten. Mit der Vertiefung der Forschung wird der technologische Fortschritt der kostengünstigen Verarbeitung von Titanlegierungen durch High-End-Luftfahrtanwendungen vorangetrieben und damit der Kostenengpass, der die Verbesserung der Dosierung und des Anwendungsniveaus von Titanlegierungen für die Luftfahrt begrenzt, grundlegend durchbrochen. Ein Volltitanflugzeug könnte in nicht allzu ferner Zukunft Realität werden.
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