鈦及鈦合金在航天工業(yè)的應(yīng)用及展望

鄒武裝|文

本文對航天工業(yè)用鈦及鈦合金的研發(fā)現(xiàn)狀和鈦及鈦合金在航天工業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，同時簡要介紹了寶鈦集團(tuán)有限公司對中國航天工業(yè)的貢獻(xiàn)，并對我國航天工業(yè)用鈦的未來前景進(jìn)行了展望。

航天工業(yè)是一個國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科技水平的綜合體現(xiàn)，是國家綜合國力強(qiáng)大的重要標(biāo)志。寶鈦集團(tuán)有限公司（以下簡稱“寶鈦集團(tuán)”）作為國家高新科技企業(yè)，曾先后為我國神舟1～10號飛船提供了重要的鈦金屬材料，包括合金棒材、鍛件、環(huán)材、管材、板材等，為神舟系列的發(fā)射成功做出了貢獻(xiàn)，也為東方紅衛(wèi)星、長征系列火箭和系列導(dǎo)彈等提供了關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)材料。

航天用鈦合金的研發(fā)現(xiàn)狀

高性能鈦合金航天結(jié)構(gòu)材料對于降低結(jié)構(gòu)重量和提高飛行器的結(jié)構(gòu)效率、服役可靠性及延長壽命具有極其主要的作用，因此近些年國內(nèi)外鈦合金研究和生產(chǎn)單位研發(fā)了大量高性能鈦合金新材料。

1.高溫鈦合金

航天飛行器要求鈦合金必須具有優(yōu)異的耐高溫性能。國際上第一個高溫鈦合金是美國研制的Ti-6Al-4V合金。Ti-6Al-4V合金兼具α+β兩相特征，在航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。為最大限度發(fā)揮Al固溶熱強(qiáng)化作用，鈦合金中還加入了Sn、Zr、Mo和Si等元素，相繼開發(fā)了IMI679、Ti6242以 及 IMI685、Ti6242S、IMI834、Ti1100、BT36等合金。

目前，國際先進(jìn)的高溫鈦合金主要有美國研發(fā)的Ti1100合金（Ti-6Al-2.75Sn-4.0Zr-0.4Mo-0.45Si-0.07O2-0.02Fe），其使用溫度可達(dá)600℃，它具備較低的韌性和較大的疲勞裂紋擴(kuò)展速率；英國的IMI834（Ti-5.5Al-4Sn-4Zr-0.3Mo-1Nb-0.5Si-0.06C），同時具備了優(yōu)異的高溫蠕變性能和疲勞性能，使用溫度590℃；俄羅斯研制的BT36（Ti-6.2Al-2Sn-3.6Zr-0.7Mo-0.15Si-5W）、BT18Y（Ti-6.5Al-2.5Sn-4Zr-0.7Mo-1Nb-0.25Si）、Ti633G（Ti-6.5Al-3Sn-3Zr-1Nb-0.3Mo-0.3Si-0.2Gd）和Ti18（Ti-6Al-2Sn-4Zr4Mo-1W-0.2Si）合金，其使用溫度分別為600℃、550～600℃、550℃和550℃。我國研制的高溫合金主要有Ti55（Ti-5.5Al-4Sn-2Zr-1Mo-0.25Si-1Nd）、Ti60（Ti-5.8Al-4.8Sn-2Zr-1Mo-0.35Si-0.85Nd）和 Ti600（Ti-6Al-2.8Sn-4Zr-0.5Mo-0.4Si-1Y），其使用溫度分別為550℃、600℃、600℃。

2.低溫鈦合金

一些鈦和鈦合金在低溫和超低溫下仍能保持其原有的機(jī)械性能。許多退火的鈦合金在-195.5℃溫度下還具有足夠使用的延性和斷裂韌性。含間隙元素特別低的Ti-5Al-2.5SnELI的強(qiáng)度隨溫度的降低而提高，但塑性降低的不多，在低溫下仍有較好的延性及韌性，可在-252.7℃溫度下使用。

NINCT20合金是我國研制的用于火箭發(fā)動機(jī)液氫管路的新型低溫鈦合金，該合金具有強(qiáng)度適中（600～700MPa）、低溫性能、焊接性能、冷成型性能及液氫相容性優(yōu)異的特點(diǎn)，在-253℃（20K）溫度下，強(qiáng)度可達(dá)1200MPa以上，延伸率可達(dá)10%以上。

3.高強(qiáng)鈦合金

高強(qiáng)鈦合金是指經(jīng)熱處理后室溫強(qiáng)度大于1000MPa的鈦合金。國外高強(qiáng)鈦合金研發(fā)主要以美國和俄羅斯為主，而且產(chǎn)品都得到了廣泛應(yīng)用。我國高強(qiáng)鈦合金研究則由仿制逐漸轉(zhuǎn)型為自主研發(fā)，如北京有色金屬研究總院研究的TB10合金（Ti-3Al-5Mo-5V-2Cr）典型性能為：σb=1360MPa，KIC=67MPam1/2，已用于航天結(jié)構(gòu)件、飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼。西北有色金屬研究院創(chuàng)新研制的Ti-1300、Ti-5322等高強(qiáng)鈦合金。Ti-1300的抗拉強(qiáng)度超過1350MPa，延伸率超過8%，斷裂韌性超過55MPa.m1/2。Ti-5322抗拉強(qiáng)度超過1300MPa，延伸率超過7%。

4.高強(qiáng)高韌鈦合金

典型的高強(qiáng)高韌鈦合金是美國研制的Ti62222S合金。該合金具有良好的強(qiáng)度、塑性和斷裂韌性匹配；疲勞裂紋擴(kuò)展抗力高；具有深淬透性；高彈性模量；中溫有良好的抗蠕變性能，室溫斷裂強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別大于1300MPa和1200MPa，且其高溫性能也很好。

TC21(Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-1Nb-0.1Si)是我國創(chuàng)新研制的高強(qiáng)高韌損傷容限型鈦合金。該合金具有良好的強(qiáng)度、塑性、斷裂韌性、裂紋擴(kuò)展速率的匹配，是一種非常有應(yīng)用前景的高強(qiáng)高韌損傷容限型結(jié)構(gòu)鈦合金。由該合金生產(chǎn)的大規(guī)格棒材在保證室溫高強(qiáng)度的前提下，斷裂韌性可高達(dá)90MPa.m1/2。

BTi-6554(Ti-6Cr-5Mo-5V-4Al)是寶鈦集團(tuán)研制的高強(qiáng)高韌鈦合金，該材料的力學(xué)性能可以達(dá)到Rm=1270MPa,Rp0.2=1230MPa,KIC=77.8MPam1/2。

北京有色金屬研究院和寶鈦集團(tuán)共同研制的Ti-63高強(qiáng)高韌鈦合金（Ti-Al-V-Cr-Mo-Sn-Zr-Si），其Rm=1200MPa,KIC=77MPa.m1/2。

鈦及鈦合金在航天領(lǐng)域的應(yīng)用

當(dāng)今，鈦應(yīng)用最活躍的領(lǐng)域是航天。美國在航天用鈦方面，其規(guī)模和技術(shù)都走在世界前列。作為美國的競爭對手俄羅斯也一直注重航天上用鈦計劃。同樣，中國隨著航天工程迅猛發(fā)展，鈦及鈦合金也得到廣泛應(yīng)用。

1.美國

美國鈦及鈦合金在航天工程上的應(yīng)用始于1955年，美國的火箭發(fā)動機(jī)殼體材料廣泛使用了鈦合金。鈦合金還廣泛用于各種結(jié)構(gòu)件?！鞍⒉_”宇宙飛船共有約50個壓力容器，其中85%是用鈦制成。大力神Ⅲ過渡級發(fā)動機(jī)，改用鈦合金推進(jìn)劑貯箱后重量減輕35%?！鞍⒉_”號宇宙飛船的托架、夾具和緊固件均用鈦制成，共使用68噸鈦材。航天工程用的壓力容器中也使用了大量的鈦材，使用最多的是Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Sn。導(dǎo)彈的彈頭上也使用了鈦合金。美國大多采用輻射冷卻式發(fā)動機(jī)噴管，這種噴管的一部分用鈦合金制造。美國生產(chǎn)的Ti3Al基鈦合金Ti-21Nb-14Al和Ti-24Al-14Nb-3V-0.5Mo鈦合金箔材已制成導(dǎo)彈尾翼和燃燒室噴管密封片等。美國的超高聲速載人飛行器的熱防護(hù)系統(tǒng)采用了Ti1100鈦合金作為防熱瓦，火箭運(yùn)載器X-33采用鈦合金作為其機(jī)身背風(fēng)面大面積防熱系統(tǒng)材料。美國鈦金屬公司（Timet）研制的β21S（Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si）已被美國國家宇航局確定用于美國國家航空航天飛機(jī)的機(jī)身和機(jī)翼壁板。美國的Bodycote、ADMA等公司采用粉末冶金方法生產(chǎn)各種導(dǎo)彈武器用的鈦合金部件。美國的休斯公司、BAE公司等采用超塑成形技術(shù)制造鈦合金導(dǎo)彈外殼，推進(jìn)劑貯箱等，不但減輕了重量，而且減少費(fèi)用30%～40%。

2.日本

日本在火箭上應(yīng)用鈦合金的歷史可追溯到1968年。日本第一顆試驗衛(wèi)星“大角”號使用了Ti-2Al-2Mn鈦合金。其他應(yīng)用的例子有機(jī)翼的前緣部位、噴嘴的夾持器、多級火箭的斷裂接頭部位等。日本研制的低溫結(jié)構(gòu)鈦合金LT700（Ti-3Al-5Sn-1Mo-0.2Si）已用來制作液氫渦輪泵。

3.俄羅斯

1957年10月，世界上第一顆人造地球衛(wèi)星Sputnik1在俄羅斯發(fā)射成功，開創(chuàng)了人類航天新紀(jì)元。俄羅斯鈦在航天工程上應(yīng)用的實(shí)例很多。如“能源-暴風(fēng)雪”號、“和平-1”號、“進(jìn)步”號、“金星”號、“月球”號航天器中均廣泛使用了鈦及鈦合金材料，用OT4合金板材制造液體燃料火箭發(fā)動機(jī)的燃燒倉和“和平-1”號軌道站對接件，用OT4-1合金制造發(fā)動機(jī)吊架構(gòu)件、燃料箱、管接頭和托架等。BT5-1和ПT3B合金用于制造容器-增壓系統(tǒng)蓄壓器和低溫液體儲存箱，BT5-1合金還用于制造液氫輸送泵的葉輪。此外，TH1合金還用作天線、推桿、接觸器及航天減震部件。

4.中國

中國在“太空之路”上已取得了令世界矚目的成就。從1970年4月24日長征一號運(yùn)載火箭將“東方紅一號”衛(wèi)星送上預(yù)定的軌道以來，我國已經(jīng)發(fā)射了長征系列運(yùn)載火箭和神舟系列飛船，這些航天器上均使用了鈦材。如我國研制的液氫環(huán)境下使用的低溫TA7ELI鈦合金氣瓶已用于CZ-XX系列運(yùn)載火箭；我國還用BT20鈦合金制造導(dǎo)彈的外殼體和燃料油箱殼體；用TC4ELI鈦合金制造運(yùn)載火箭的低溫液氧、液氫高壓氣瓶等。

我國載人飛船各艙段的結(jié)構(gòu)材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為耐熱鈦合金；我國航天飛機(jī)的軌道器的支承主發(fā)動機(jī)的推力結(jié)構(gòu)用鈦合金制造。此外，鈦合金還用于制造火箭機(jī)盤、導(dǎo)彈基座構(gòu)件、導(dǎo)彈動力葉片套等。

我國研制的TB2合金（Ti-3Al-5Mo-5V-8Cr），于1984年首次應(yīng)用于衛(wèi)星星箭連接帶，目前已用于各種型號衛(wèi)星20多次；TB10合金（Ti-3Al-5Mo-5V-2Cr）已用于航天結(jié)構(gòu)件、飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼結(jié)構(gòu)中的鍛造零件；NINCT20鈦合金不僅可用于火箭發(fā)動機(jī)管路系統(tǒng)，而且還可廣泛用于宇航工業(yè)形狀復(fù)雜的低溫管路系統(tǒng)。

此外，我國制造的航天鈦手表也引起了世人的關(guān)注。這種鈦合金手表重量僅為94克，且精確無比。

未來展望

展望未來，我們相信在強(qiáng)大國力的支持下，我國航天工業(yè)的發(fā)展必將迎來大發(fā)展、大突破。航天工業(yè)對鈦材料的需求將呈高速增長態(tài)勢，這必將推動鈦在航天領(lǐng)域應(yīng)用的大力發(fā)展。我們相信，鈦及鈦合金憑借其獨(dú)特而優(yōu)越的性能將會在航天市場大放異彩，應(yīng)用前景十分廣闊。