鈦合金彈簧發(fā)展研究

鄭 敏

（沈陽飛機設(shè)計研究所，遼寧 沈陽 110035）

1 鈦合金的應(yīng)用現(xiàn)狀

高速戰(zhàn)斗機由于高速和高機動性，要求飛機結(jié)構(gòu)盡可能輕，同時還要有耐高溫的能力。實踐證明，鈦合金是適宜的材料。例如飛機的蒙皮材料，傳統(tǒng)上都用鋁合金，但當馬赫數(shù)超過2.5時，飛機表面溫度普遍高于200℃，鋁蒙皮已不適用，需用鈦合金取代。美國在20世紀80年代以后設(shè)計的先進軍用戰(zhàn)斗機和轟炸機中，鈦合金用量已穩(wěn)定在20%以上，如第三代戰(zhàn)斗機F-15鈦合金用量占27 %，而第四代戰(zhàn)斗機F-22所使用材料中41%為鈦合金，其中86%以上為Ti-6Al-4V合金。另外一種新開發(fā)的Ti-6A1-2Sn-22Zr-2Cr-2Mo-0.5Si （Ti-6-22-22S）合金也已應(yīng)用于F-22戰(zhàn)斗機的機翼骨架和發(fā)動機周圍的外蒙皮結(jié)構(gòu)及發(fā)動機，這種合金的強度高于Ti-6A1-4V合金，并且通過機械處理可獲得優(yōu)良的韌性和低裂紋擴展率，適用于斷裂韌性要求高的結(jié)構(gòu)。此外，美國B-2轟炸機、法國幻影2000及俄羅斯蘇-27C K戰(zhàn)斗機鈦用量也分別達26%、23%和18%。

鈦是上世紀50年代發(fā)展起來的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，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(lǐng)域。世界上許多國家都認識到鈦合金材料的重要性，相繼對其進行研究開發(fā)，并用于本國的建設(shè)中。

第一個實用的鈦合金是1954年美國研制成功的Ti-6Al-4V合金，由于它在耐熱性、強度、塑性、韌性、成形性、可焊性、耐蝕性和生物相容性方面均達到較好水平，而成為鈦工業(yè)中的王牌合金，占全部用鈦量的50%以上。許多其它合金都可以看作是Ti-6Al-4V合金的改型。上世紀50～60年代，主要是發(fā)展航空發(fā)動機用的高溫鈦合金和機體用的結(jié)構(gòu)鈦合金，70年代開發(fā)出一批耐蝕鈦合金，上世紀80年代以來，耐熱鈦合金和高強鈦合金得到進一步發(fā)展。耐熱鈦合金的使用溫度已從50年代的400℃提高到上世紀90年代了600℃～650℃。α2（Ti3 Al）和γ（TiAl）基合金的出現(xiàn)，使鈦在發(fā)動機的使用部位正由發(fā)動機的冷端（風扇和壓氣機）向發(fā)動機的熱端（渦輪）方向推進。結(jié)構(gòu)鈦合金向高強、高塑、高強高韌、高模量和高損傷容限方向發(fā)展。另外，70年代以來，還出現(xiàn)了Ti-Ni、Ti-Ni-Fe、Ti-Ni-Nb等形狀記憶合金，并在工程上獲得了日益廣泛的應(yīng)用。

目前，世界上已研制出的鈦合金有數(shù)百種，最著名的合金有20～30種，如Ti-6Al-4V、Ti -5Al-2.5Sn、Ti-2Al-2.5Zr、Ti-32Mo、Ti-Mo-Ni、Ti-Pd、Ti- 811、SP-700、Ti- 6242、Ti-1023、Ti-10-5-3、Ti-1100、BT9、BT20、IMI829、IMI834等。近幾年來，鈦業(yè)界正在開發(fā)低成本和高性能的新合金，而且努力使鈦進入到具有巨大市場潛力的民用工業(yè)領(lǐng)域。

2 鈦合金材料性能分析

鈦合金是一種新型結(jié)構(gòu)材料，它具有優(yōu)異的綜合性能，如密度小、比強度和比斷裂韌性高，疲勞強度和抗裂紋擴展能力好，低溫韌性良好，抗蝕性能優(yōu)異，某些鈦合金的最高工作溫度為550℃，預(yù)期可達700℃。

鈦及鈦合金由于具有比強度高、耐腐蝕性好、耐高溫等優(yōu)點，可進行各種方式的零件成形、焊接和機械加工，被用于制造飛機上各種零件，小至螺釘、螺母等緊固件，大至機身骨架、隔框等結(jié)構(gòu)件，甚至能制造出6 m多長、重達2 t的起落架。目前，先進飛機上的鈦材重量達飛機結(jié)構(gòu)總重的30%～40%，鈦材已成為現(xiàn)代飛機不可缺少的結(jié)構(gòu)材料。

鈦的耐蝕性比不銹鋼好，密度是鐵的1/2，韌性也與鋼鐵相當。是與鋁、復(fù)合材料相并列的“材料三大支柱”之一。其缺點是成本高、加工性能差，切削、焊接、表面處理都較難。鈦合金可提高高溫強度、加工性、焊接和耐蝕性。

鈦合金彈性模量低、比強度高、耐腐蝕、耐疲勞等，因而在重量及占有空間受到嚴格限制以及在腐蝕介質(zhì)工作環(huán)境下，用鈦合金做彈簧，可使其特性得到充分發(fā)揮，同時還可以提高效率，降低投資費用。

3 彈簧材料性能分析

彈簧是一種比較特殊的零件，它的使用應(yīng)力應(yīng)處在鋼的彈性極限以下，因此要求鋼有高的彈性極限。但隨著鋼的強度和硬度的增加，對應(yīng)力集中的敏感性和恒定載荷作用下自發(fā)斷裂的傾向性也隨之增加，因此彈簧不宜熱處理至硬度HRC48以上，一般以回火至HRC44～48為宜。硬度太低，彈簧復(fù)位能力會降低，甚至失效，失去彈簧應(yīng)有的功能。航空彈簧雖然不管是在飛機結(jié)構(gòu)上還是在器件、系統(tǒng)中多屬小零件，但一旦斷裂失效，卻往往會立即引起某種器件或某一系統(tǒng)功能的喪失，甚至導(dǎo)致嚴重后果，因此航空用彈簧以安全可靠為第一要求。導(dǎo)致彈簧失效的原因很多，但不外乎內(nèi)部因素與外部因素。內(nèi)部因素主要是制造彈簧的材質(zhì)優(yōu)劣與熱處理的正確與否。材質(zhì)的好壞直接影響彈簧的壽命，為盡可能減少鋼中雜質(zhì)的含量，提高鋼的純潔度，重要彈簧現(xiàn)多采用電渣重熔鋼，甚至雙電渣重熔鋼。熱處理時要正確控制淬回火制度，以求獲得理想的組織與硬度。為防止淬火加熱時的表面脫碳，應(yīng)盡量采取鹽浴爐加熱甚至真空加熱。外部因素主要是制造彈簧的絲材、帶材的表面質(zhì)量，絲材表面的微裂紋尤其是表面腐蝕坑會成為裂紋源，在變化的工作應(yīng)力作用下，導(dǎo)致彈簧因腐蝕疲勞而斷裂。對于不耐腐蝕的碳素鋼制造的彈簧或是合金鋼制造的彈簧，雖然可以采取表面防腐蝕措施，但防護層也難免受損傷，損傷處會加快腐蝕。所以現(xiàn)在西方各國已越來越多地用不銹鋼制造航空用彈簧。使用不銹鋼彈簧，雖然會增加成本，但由于彈簧用材很少，對整機成本的提高十分有限，而所帶來的是明顯提高了整機的安全可靠性。18-8型奧氏體不銹鋼與半奧氏體沉淀硬化不銹鋼是最常用的不銹彈簧鋼。前者依靠高度冷作硬化來獲得必要的強度與彈性，而后者既依靠冷作硬化又依靠時效硬化來獲得必要的強度與彈性。這些鋼的冷拉鋼絲與冷軋鋼帶直接用來纏繞彈簧，而后經(jīng)400℃～500℃回火加時效，即能獲得穩(wěn)定的彈性，大大簡化了制造工藝。這些鋼制造的彈簧不僅具有較好的耐蝕性，在大氣中工作一般不需要表面防護，而且可以在較高溫度下工作。

鈦合金具有較高的比強、較低的彈性模量，因此是一種理想的彈簧材料。與鋼彈簧相比，鈦彈簧具有重量輕、體積小和共振頻率高等優(yōu)點，其密度和彈性模量只有鋼彈簧的一半，而強度幾乎與鋼彈簧的一樣。由于這些特點，在實際應(yīng)用中可將鈦彈簧設(shè)計的比鋼彈簧直徑小、圈數(shù)少。就彈簧而言，強度高是對材料最重要的性能要求，所以高強度的β鈦合金，如Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr和Timetal LCB（Ti-6.8Mo-4.5Fe-1.5Al）合金是制造彈簧的最佳材料。由表1可見，一根鈦彈簧比相應(yīng)的鋼彈簧輕3106 kg，對汽車中的4根支撐彈簧來說，可減輕重量12 kg左右。用鈦彈簧代替鋼彈簧可以輕而易舉地解決長期以來一直困擾著設(shè)計者們的鋼制彈簧太長、直徑太大的問題，而且，因為鈦合金具有優(yōu)異的抗腐蝕性能，所以可以取消涂層，從而進一步降低重量。目前，一些跑車已使用了鈦彈簧。例如，Timetal LCB 彈簧已在Ford Simon & Simon賽車中使用兩年以上，減輕重量36 kg左右。

表1 鈦制和鋼制彈簧各項性能比較[4]

4 國內(nèi)彈簧的概況

在國內(nèi)用于制造各種用途的螺旋彈簧、卡簧和渦卷簧的碳素和合金彈簧鋼絲，防腐性能差，對鹽霧環(huán)境敏感，在沿海地區(qū)服役時易受海洋環(huán)境影響被腐蝕；如為載荷需要選用鋼絲長、圈數(shù)多、直徑大的彈簧較多時，易造成使用部位體積大、重量重，進而增加了飛機的整體重量。質(zhì)量差，品種少，規(guī)格不全。出廠未剝皮和探傷，表面和內(nèi)部缺陷嚴重，抗拉強度波動達10N～15N，影響了彈簧質(zhì)量和企業(yè)效益。汽油機和高速柴油機高應(yīng)力氣門彈簧及轎車、中卡和輕卡、輕客和微客獨立懸架系統(tǒng)代替鋼板彈簧，減振性好，體積小，重量輕的懸架彈簧用油淬火鋼絲和不銹鋼絲需要進口，以滿足高應(yīng)力、低松弛、大線徑和耐腐蝕的需要。

5 鈦合金彈簧的應(yīng)用情況

5.1 鈦合金彈簧在汽車行業(yè)的運用

鈦在汽車中的應(yīng)用愈來愈多，20世紀50年代中期就生產(chǎn)出了“全鈦”汽車?？巳R斯勒公司、福特和通用汽車公司等卡車生產(chǎn)廠家都需要質(zhì)量輕的材料來達到特殊的目的，鈦就是選材對象之一。據(jù)稱，美國每年投入1億美元來開發(fā)新一代汽車，其重要目標是減輕汽車自身的質(zhì)量，降低燃料消耗。從圖1可以看出，減輕車重對于降低油耗來說是至關(guān)重要的。

圖1 客車燃料消耗與車重的關(guān)系

美國人的研究開發(fā)結(jié)果表明，鈦在汽車中的潛在用途是連桿、閥門、閥門彈簧、閥門彈簧支承座等。在1996年國際鈦協(xié)會展覽會上展出了用工業(yè)純鈦制做的汽車排氣系統(tǒng)，其質(zhì)量比409不銹鋼做成的同一系統(tǒng)減少質(zhì)量達到10 kg之多，其效果是相當明顯的。

美國福特公司和通用汽車公司都對汽車的進氣與排氣閥門進行過試驗，質(zhì)量比較輕的閥門不僅改善汽車性能，而且允許使用較低的閥門彈簧載荷，可降低噪音和摩擦以及提高燃料效率。最新的結(jié)果表明，一旦安裝了閥門，低的塑性和韌性并不是什么問題，但是有的閥門會在裝配或者拆卸過程中受到破壞。需要克服的問題還包括開發(fā)低成本、高效果的涂層，以有效地保護閥門不受破壞。

近來，鈦合金彈簧在汽車行業(yè)得到運用，鈦合金適于制造汽車懸架彈簧和氣門彈簧、氣門，用鈦合金制造板簧能與抗拉強度達2 100 MPa的高強度鋼媲美，可降低自重20%。Ti-13V-11C-3Al等合金的開發(fā)，可用于發(fā)動機氣門彈簧、懸架彈簧上。

用鈦制造的彈簧已開始在一級方程式賽車上、競賽用摩托車以及最高級的法拉利汽車上應(yīng)用。估計不久在輕型汽車的發(fā)動機閥門、連桿、懸簧、排放系統(tǒng)及緊固件上將獲得應(yīng)用。

鈦用于汽車工業(yè)是一次機遇，也是鈦新應(yīng)用的開端，因為鈦具有優(yōu)異的物理和力學性能，它能明顯地改進性能和延長使用壽命，鈦使汽車發(fā)動機的底盤重量明顯減輕了，在材料競爭價值及優(yōu)越性方面找不出第二種材料。與鋼和傳統(tǒng)的汽車彈簧材料相比，鈦具有重量輕、耐蝕性好和剪切模量低等優(yōu)點，鈦彈簧在使用時幾乎不發(fā)生線圈旋轉(zhuǎn)。

5.2 鈦合金彈簧在其它行業(yè)的運用

據(jù)美國的“Timet Automotive”報道，在2006年度摩托車越野賽上，雅馬哈YZ125型、YZ250型，以及YZ251F和YZ450F摩托車均使用了鈦合金制造的彈簧，這是首次用鈦合金制造摩托車彈簧并投入實際應(yīng)用。鈦合金彈簧具有更高的強度和耐疲勞性，可以降低摩托車的減振系統(tǒng)重量。據(jù)悉，這種新彈簧比20M型鋼彈簧減重30%，比同類型鋼彈簧輕500 g。由于鈦合金具有低的剪切模量（比CrSi彈簧鋼的剪切模量低45%）和高的強度，因此，鈦合金彈簧的結(jié)構(gòu)減振效果很高。據(jù)稱，Timetal LCB是目前最好的彈簧材料。

美國近年來開發(fā)的并得到較快發(fā)展的β鈦合金是Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn，這兩種鈦合金因具有高的結(jié)構(gòu)效益、可靠性及良好的加工性能而受到航空界的重視。后者冷加工性及冷成形性優(yōu)異，適于制成薄板及帶材，也可制成鍛件、棒材及管材，目前已用于飛機短艙、緊固件、液壓管、彈簧、直升機旋翼等。航天和賽車彈簧用β型鈦合金絲，重量輕，強度高，耐腐蝕。美國航天飛機已經(jīng)采用。

6 結(jié)束語

鈦合金彈簧的特點：耐腐蝕、耐高溫、高強度、高彈性、無磁性、低后效、反應(yīng)靈敏。已在多個領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr（β-C）合金廣泛用作彈簧，鈦彈簧重量只有鋼彈簧的30%，彈簧圈數(shù)可減少，體積只是鋼彈簧的一半。

鑒于鈦合金彈簧具備耐腐蝕、耐高溫、高強度、高彈性、無磁性、低后效、反應(yīng)靈敏等特點，建議航空系統(tǒng)盡快著手組織對鈦合金彈簧的研究和標準編制工作，以解決長期以來非耐腐蝕鋼彈簧防腐性能差，對鹽霧環(huán)境敏感，在沿海地區(qū)服役時易受海洋環(huán)境影響被腐蝕等難題，用高性能鈦合金彈簧逐步取代鋼制彈簧，滿足國內(nèi)主機更新?lián)Q代的需要，開拓和擴大國際市場，提高我國彈簧在國際市場上的競爭能力。

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