航空航天用TA18鈦合金管材的研發(fā)及應(yīng)用

楊建朝，席錦會(huì)，楊亞社，南 莉

(西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710201)

0 引言

航空航天飛行器的管路系統(tǒng)主要包括引氣管路、液壓管路、燃油管路等。管路系統(tǒng)是飛機(jī)的生命線，直接影響飛機(jī)的整體性能。如果把發(fā)動(dòng)機(jī)比作飛機(jī)的心臟，那么形形色色的管路就像飛機(jī)的血管網(wǎng)，源源不斷地把各種營(yíng)養(yǎng)輸送到飛機(jī)全身的各個(gè)角落。管路系統(tǒng)的可靠性和持久性是滿足適航要求、保障飛行安全和降低維修成本的重要因素，因此提高管路系統(tǒng)的技術(shù)水平對(duì)提高飛機(jī)性能是非常重要的［1-3］。

管路系統(tǒng)用管材除了對(duì)材料強(qiáng)度有要求外，還對(duì)其塑性、韌性、疲勞壽命、耐蝕性、焊接性等有要求，以達(dá)到良好的綜合性能匹配。另外，還需考慮管材后續(xù)的彎曲、管端頭的成形與連接問(wèn)題［3-4］。

TA18(Ti-3Al-2.5V)是美國(guó)20世紀(jì)60年代末研制的近α型鈦合金，早期是為飛機(jī)管路增壓系統(tǒng)的應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的［5-6］。它不僅具有良好的室、高溫力學(xué)性能和耐腐蝕性能［7-8］，更可貴的是還具有優(yōu)異的冷、熱加工工藝塑性、成形性和焊接性;另外，其對(duì)缺口不敏感［9］，且與復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛度具有優(yōu)良的匹配，可以進(jìn)一步獲得很好的減重效果。因此，TA18鈦合金可以用于制造工作溫度達(dá)315℃，并有一定強(qiáng)度和抗氧化性要求的部件，如TA18鈦合金無(wú)縫管在航空航天方面適合用做飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)上耐高壓、輕質(zhì)的液壓和燃油等管路系統(tǒng)［10-11］。

該合金在室溫下β相非常少，因此不能利用熱處理的方法進(jìn)行強(qiáng)化，其強(qiáng)化途徑主要是冷加工變形。冷加工后，通過(guò)控制熱處理溫度和時(shí)間，可使管材達(dá)到不同的強(qiáng)度水平，最典型的強(qiáng)度級(jí)別有退火態(tài)中強(qiáng)級(jí)(Rp0.2≥620 MPa)和去應(yīng)力退火態(tài)高強(qiáng)級(jí)(Rp0.2≥860 MPa)。其中，退火態(tài)中強(qiáng)級(jí)管材主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)管路系統(tǒng)，去應(yīng)力退火態(tài)高強(qiáng)級(jí)管材主要用于飛機(jī)液壓等管路系統(tǒng)［4，12-13］。本文介紹了中強(qiáng)和高強(qiáng)TA18鈦合金管材國(guó)內(nèi)外的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了我國(guó)與國(guó)外在該合金管材研制技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)制定及推廣應(yīng)用方面的差距，并指出TA18鈦合金管材在我國(guó)飛機(jī)管路系統(tǒng)中的應(yīng)用前景。

1 國(guó)外TA18鈦合金管材的發(fā)展及應(yīng)用

美國(guó)從20世紀(jì)60年代末開(kāi)始對(duì)TA18鈦合金進(jìn)行研制。目前，中強(qiáng)級(jí)TA18鈦合金管材已有成熟的生產(chǎn)技術(shù)，并已進(jìn)行了批量生產(chǎn)。而且通過(guò)采用冷變形后去應(yīng)力退火的方式已經(jīng)可以安全、可靠地實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)級(jí)TA18鈦合金管材的制造。

美國(guó)自1971年開(kāi)始將TA18鈦合金管材逐漸納入相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(如AMS、ASTM、MIL等)。美國(guó)航空用TA18鈦合金管材執(zhí)行AMS宇航標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)行的中強(qiáng)級(jí)TA18鈦合金管材標(biāo)準(zhǔn)為AMS4943J和AMS4946D，其中，AMS4943J最早頒布于1971年，于2012年進(jìn)行了修訂。高強(qiáng)級(jí)TA18鈦合金管材的標(biāo)準(zhǔn)有AMS4944J、AMS4945F和 AMS4946D，AMS4944J最早頒布于 1974年，于 2011年進(jìn)行了修訂;AMS4945F最早頒布于1989年，于2014年進(jìn)行了修訂;AMS4946D最早頒布于2002年，于2014年進(jìn)行了修訂。AMS4946D中包含3類(lèi)TA18鈦合金管材，分別為低強(qiáng)級(jí)、中強(qiáng)級(jí)和高強(qiáng)級(jí)。目前，國(guó)外未曾有關(guān)于TA18鈦合金管材制備技術(shù)方面的文獻(xiàn)報(bào)道。

而應(yīng)用方面，在20世紀(jì)70年代，美國(guó)首先在洛克希德C-5A軍機(jī)上使用Ti-3Al-2.5V合金管材，隨后該合金管材在F-14A、F-15和波音747、757、767等飛機(jī)的液壓、燃油管路系統(tǒng)中被推廣應(yīng)用，在波音、通用、麥道、普惠、羅羅、空客等公司的軍用飛機(jī)和商用客機(jī)等運(yùn)輸工具上也被廣泛使用［14］。除了航空應(yīng)用外，該合金管材還被廣泛應(yīng)用于航天飛機(jī)、衛(wèi)星等領(lǐng)域。目前，西方國(guó)家的許多新的軍事工程的管件部分正使用該合金，已成為軍機(jī)和民機(jī)管路系統(tǒng)的必選材料之一［15］。俄羅斯、日本、西歐(主要是英國(guó))對(duì)TA18鈦合金管材的研發(fā)及應(yīng)用未見(jiàn)有文獻(xiàn)詳細(xì)報(bào)道，但從粗略的報(bào)道可知，俄羅斯VSMPO公司可生產(chǎn)TA18鈦合金管材，且已將該合金(對(duì)應(yīng)俄羅斯牌號(hào)為OT4-0)管材用于飛機(jī)放油和通風(fēng)系統(tǒng)中。日本、英國(guó)也可生產(chǎn)TA18鈦合金管材，并用于飛機(jī)液壓、空調(diào)和燃油系統(tǒng)。

2 我國(guó)TA18鈦合金管材的發(fā)展及應(yīng)用

我國(guó)于20世紀(jì)70年代中期開(kāi)始對(duì)中強(qiáng)級(jí)TA18鈦合金進(jìn)行研究，主要研究單位有西北有色金屬研究院、西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司及寶鈦集團(tuán)有限公司等。其中，西北有色金屬研究院經(jīng)過(guò)“七五”及“八五”攻關(guān)，對(duì)中強(qiáng)級(jí)TA18鈦合金管材的化學(xué)成分、加工工藝、組織性能等做了系統(tǒng)的研究，形成了一套完整的研究及生產(chǎn)資料，研制的中強(qiáng)級(jí)TA18鈦合金管材滿足了AMS4943和AMS4944B的標(biāo)準(zhǔn)要求，為研究高強(qiáng)級(jí)TA18鈦合金管材奠定了基礎(chǔ)。西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司成立后，在西北有色金屬研究院的研究基礎(chǔ)上，自籌經(jīng)費(fèi)對(duì)多種規(guī)格(φ6 mm×1 mm、φ8 mm ×1 mm、φ10 mm ×1 mm、φ14 mm ×1 mm、φ16.5 mm×1 mm)的中強(qiáng)級(jí)TA18鈦合金管材進(jìn)行研制，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)階段的研制、多批次小批量生產(chǎn)階段的試制后，熟練掌握了生產(chǎn)技術(shù)，并形成了批量化生產(chǎn)，產(chǎn)品各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到美國(guó)宇航標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)航空航天軍用標(biāo)準(zhǔn)的要求。生產(chǎn)的中強(qiáng)級(jí)TA18鈦合金管材已向多家用戶供貨，用于航空飛機(jī)和航天飛機(jī)的管路系統(tǒng)。

近年來(lái)，我國(guó)航空航天工業(yè)的快速發(fā)展對(duì)TA18鈦合金管材的性能提出了更高的要求，需要其在具有高強(qiáng)度的同時(shí)保證較好的塑性，另外還要求管材的收縮應(yīng)變比(CSR值)≥1.3，而一般鈦管材對(duì)CSR值沒(méi)有要求，在高強(qiáng)級(jí)TA18鈦合金管材中首次對(duì)此性能提出要求。去應(yīng)力退火態(tài)TA18鈦合金管材的性能具體要求為:Rm≥862 MPa，Rp0.2≥724 MPa，A≥12%;CSR≥1.3;壓扁時(shí)板間距達(dá)到12t(t為成品管材公稱(chēng)壁厚)，盡量要求達(dá)到10t;用74°錐進(jìn)行擴(kuò)口，使擴(kuò)口后外徑為原名義外徑的1.2倍。目前，航空用高強(qiáng)度TA18鈦合金管材在我國(guó)尚處于研制階段，未投入使用。我國(guó)航空飛機(jī)液壓管路系統(tǒng)用管材現(xiàn)仍是不銹鋼管，但隨著我國(guó)航空工業(yè)的不斷發(fā)展，不斷地追求飛機(jī)的輕型化、高速化、長(zhǎng)壽命，重大型號(hào)改型和新機(jī)設(shè)計(jì)對(duì)高性能TA18鈦合金管材的需求越來(lái)越迫切，而進(jìn)口TA18鈦合金管材由于受限制、工期較長(zhǎng)而且管材尺寸單位與國(guó)際單位不一致，因此急需國(guó)產(chǎn)化。

國(guó)內(nèi)對(duì)于高強(qiáng)級(jí)TA18鈦合金管材的研究主要集中在以下3個(gè)方面:①管材的制備技術(shù)研究［16-21］;②管材的性能評(píng)價(jià)［22-23］;③管路連接技術(shù)與應(yīng)用研究等。參與研究的單位主要有航空設(shè)計(jì)單位611所，飛機(jī)制造單位132廠，管材研制與生產(chǎn)單位西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司和寶鈦集團(tuán)有限公司，性能檢測(cè)與評(píng)價(jià)單位621所等。其中，西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司經(jīng)過(guò)4年的研制，在化學(xué)成分、軋制工藝、退火制度、管材尺寸精度控制等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。目前，已初步掌握了高強(qiáng)級(jí)TA18鈦合金管材的制備工藝，其CSR值、壓扁性能以及彎曲性能的控制也取得重大突破，系統(tǒng)地了解了影響各項(xiàng)性能(如力學(xué)性能、CSR值、壓扁、擴(kuò)口、彎曲等)的主要因素，而且掌握了各項(xiàng)性能之間的關(guān)聯(lián)性，在制備工藝方面已經(jīng)擁有了較成熟的經(jīng)驗(yàn)，可進(jìn)行小批量穩(wěn)定生產(chǎn)。

在標(biāo)準(zhǔn)制定方面，我國(guó)于1998年發(fā)布了GJB 3423—98《航空用Ti-3Al-2.5V鈦合金管材規(guī)范》(中強(qiáng)級(jí)TA18鈦合金管材)，并于2008年對(duì)其進(jìn)行修訂，變更為GJB 3423A—2008《航空用鈦合金管材規(guī)范》。而高強(qiáng)級(jí)TA18鈦合金管材至今還沒(méi)有正式頒布相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)執(zhí)行的是某單位起草的《TA18鈦合金管材材料技術(shù)規(guī)范(暫行)》，該技術(shù)規(guī)范是根據(jù)美國(guó)宇航標(biāo)準(zhǔn)中高強(qiáng)級(jí)TA18鈦合金管材的性能指標(biāo)編制的，各項(xiàng)指標(biāo)要求與美國(guó)宇航標(biāo)準(zhǔn)基本一致，但個(gè)別指標(biāo)還有一定的差距。預(yù)期中國(guó)在3～5年內(nèi)會(huì)形成高強(qiáng)級(jí)TA18鈦合金管材的國(guó)標(biāo)或國(guó)軍標(biāo)。

3 國(guó)內(nèi)外TA18鈦合金管材制造與應(yīng)用方面的差距

3.1 標(biāo)準(zhǔn)方面

國(guó)內(nèi)外中強(qiáng)及高強(qiáng)級(jí)TA18鈦合金管材的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分別見(jiàn)表1、2。

表1 國(guó)內(nèi)外中強(qiáng)級(jí)TA18鈦合金管材生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比Table 1 Standards contrast of middle strength level TA18 titanium alloy tube

表2 國(guó)內(nèi)外高強(qiáng)級(jí)TA18鈦合金管材生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比Table 2 Standards contrast of high strength level TA18 titanium alloy tube

從表1可以看出，對(duì)于中強(qiáng)級(jí)TA18鈦合金管材，AMS4943H在尺寸公差方面的要求低于GJB 3423A—2008，而探傷標(biāo)準(zhǔn)要求高于 GJB 3423A—2008，其他指標(biāo)要求與 GJB 3423A—2008一致;AMS4946B力學(xué)性能、壓扁、尺寸公差、探傷標(biāo)準(zhǔn)方面的要求均高于GJB 3423A—2008，其他指標(biāo)要求與GJB 3423A—2008一致。從表2可以看出，對(duì)于高強(qiáng)級(jí) TA18鈦合金管材，AMS4944G、AMS4945C和 AMS4946B在力學(xué)性能、壓扁、CSR值、尺寸公差和探傷要求等方面與國(guó)內(nèi)暫行技術(shù)規(guī)范有差別，其他指標(biāo)與國(guó)內(nèi)暫行技術(shù)規(guī)范一致。

3.2 技術(shù)方面

國(guó)外中強(qiáng)及高強(qiáng)級(jí)TA18鈦合金管材均已有成熟的生產(chǎn)技術(shù)。國(guó)內(nèi)中強(qiáng)級(jí)TA18鈦合金管材的研制水平與國(guó)外基本相當(dāng)，而高強(qiáng)級(jí)TA18鈦合金管材還處于研制階段，雖然基本掌握了高強(qiáng)級(jí)TA18鈦合金管材的制備工藝，但是壓扁性能、尺寸精度和穩(wěn)定性方面與國(guó)外還有一定差距，需進(jìn)一步優(yōu)化。

3.3 應(yīng)用方面

國(guó)外TA18鈦合金管材已在各種飛機(jī)上廣泛應(yīng)用，而我國(guó)只有中強(qiáng)級(jí)TA18鈦合金管材在飛機(jī)及其發(fā)動(dòng)機(jī)上有小批量應(yīng)用，高強(qiáng)級(jí)TA18鈦合金管材的應(yīng)用仍屬空白。

4 結(jié)語(yǔ)

TA18鈦合金管材以其優(yōu)異的綜合性能在航空航天方面有重要應(yīng)用。以美國(guó)為首的發(fā)達(dá)國(guó)家在TA18鈦合金管材的制備技術(shù)及應(yīng)用方面均領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)。近年來(lái)，隨著我國(guó)航空工業(yè)的發(fā)展，高強(qiáng)級(jí)TA18鈦合金管材的需求越來(lái)越迫切，國(guó)內(nèi)在中強(qiáng)級(jí)TA18鈦合金管材研制的基礎(chǔ)上對(duì)高強(qiáng)級(jí)TA18鈦合金管材進(jìn)行了關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，通過(guò)近幾年的研究，TA18鈦合金管材的研制已經(jīng)取得階段性成果，有望在2～3年內(nèi)用于國(guó)產(chǎn)飛機(jī)。

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