鈦合金焊接結(jié)構(gòu)在先進(jìn)飛行器中的應(yīng)用及發(fā)展

孫培業(yè)

摘要：本文主要介紹了鈦合金在先進(jìn)飛行器中的有效應(yīng)用，結(jié)合飛行器的研究現(xiàn)狀和鈦合金的工藝特性對其進(jìn)行分析，希望能對相關(guān)研究人員給予一參考和幫助。

關(guān)鍵詞：鈦合金；飛行器；工藝特性；應(yīng)用

飛行器對人們的日常出行和保衛(wèi)國家的安全具有重要的作用，因此，關(guān)于飛行器的研究一直在進(jìn)行，特別是針對制造飛行器的材料方面。由于飛行器工作過程中一些重要部位需要使用質(zhì)輕且強(qiáng)度高，耐高溫腐蝕等材料，經(jīng)過長時間的研究和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鈦合金材料最符合當(dāng)前飛行器制造過程中的要求，與此同時，與航空事業(yè)相關(guān)的特種焊接技術(shù)也得到快速的發(fā)展，由此而形成的鈦合金焊接結(jié)構(gòu)航空飛行器的制造提供了重要的技術(shù)支持，也為進(jìn)一步推動航空飛行器的發(fā)展起到了積極的作用。

一、鈦及鈦合金材料的特點(diǎn)

鈦合金從上世紀(jì)六十年代開始被廣泛使用，近些年，隨著航空航天事業(yè)的飛速發(fā)展，飛行器在制造的過程中對材料的性能要求逐漸提升，而鈦合金具有的優(yōu)越性能也使其成為了在飛行器制造過程中使用最多的材料。相較于目前在工業(yè)領(lǐng)域使用最多的鋼結(jié)構(gòu)材料來說，鈦合金具有以下四個突出的優(yōu)點(diǎn)：第一，密度小，其密度僅為4.5g/cm3，同等體積的情況下，鈦合金材料的質(zhì)量僅為鋼材的百分之六十，這對于航天飛行器來說是一個不可多得的優(yōu)點(diǎn)；第二，熔點(diǎn)高，航天飛行器在使用的過程中，在穿越大氣層的時候必然會與空氣發(fā)生摩擦從而導(dǎo)致飛行器表面溫度升高，普通材料無法承受該溫度會發(fā)生融化，嚴(yán)重情況下導(dǎo)致飛行器機(jī)身損毀，而鈦及鈦合金材料所具有的耐高溫特性，其所能承受的溫度最高可達(dá)1668℃，使用該材料做成的飛行器外層保護(hù)涂層可以有效防止運(yùn)行過程中因高溫造成的殼體融化，對飛行器內(nèi)部結(jié)構(gòu)起到有效的保護(hù)作用；第三，韌性好，鈦及鈦合金材料在低溫狀態(tài)至溫度為500℃之間都能保持很好的韌性，能夠滿足飛行在不同環(huán)境下的工作條件；最后一點(diǎn)則是鈦及鈦合金具有很高的強(qiáng)度，在使用的過程中作為飛行器機(jī)殼材料能很好的防止外部撞擊，并對內(nèi)部的物體和結(jié)構(gòu)起到很好的保護(hù)作用。除此之外，鈦及鈦合金還具有很好的耐腐蝕能力，飛行器需要在超高溫、真空、強(qiáng)腐蝕、超低溫等一些極端的環(huán)境條件下工作，而鈦及鈦合金材料所具有的一些優(yōu)點(diǎn)能夠幫助飛行器在極端條件下正常的運(yùn)行，因此，使用鈦及鈦合金材料能夠幫助飛行器安全且高效的工作。

二、鈦及鈦合金焊接結(jié)構(gòu)在先進(jìn)飛行器中的有效應(yīng)用

（一）鈦及鈦合金焊接結(jié)構(gòu)的問題

鈦是一種化學(xué)性質(zhì)非?；顫姷慕饘伲赦伡捌浜辖鸾M成的材料在進(jìn)行焊接的過程中，受高溫熔融、低溫或常溫冷卻等過程的影響，勢必會對材料內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，從而會對最終形成的鈦合金結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能造成不利的影響。

總的來說，經(jīng)過焊接成型的鈦合金結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的主要問題有以下兩個方面；第一，氧化和氮化，在高溫熔融的過程中，鈦及鈦合金可以與周圍環(huán)境周的H、O、N等元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而在結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成孔隙，而這些孔隙在形成后很難消除，并會影響最終形成結(jié)構(gòu)的塑性；第二，體積異變和脆化，鈦合金材料在高溫焊接的過程中極易發(fā)生同素異構(gòu)的變化，由此造成材料內(nèi)部的晶格常數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致材料的體積出現(xiàn)變化，使得焊接結(jié)構(gòu)件內(nèi)部晶粒粗大，而在鈦合金本身具有的熱傳導(dǎo)率低，導(dǎo)熱性差的特點(diǎn)也會使得焊縫的熔池在高溫區(qū)域長時間停留，這種情況下材料在進(jìn)行組織轉(zhuǎn)變的過程中會使得焊縫處的金屬結(jié)構(gòu)發(fā)生脆化，降低了該結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度。

（二）鈦及鈦合金焊接結(jié)構(gòu)在先進(jìn)飛行器中的有效應(yīng)用

在最初的應(yīng)用中，上述缺陷問題阻礙了鈦及鈦合金焊接結(jié)構(gòu)的發(fā)展，但是進(jìn)入到二十一世紀(jì)后，隨著材料科學(xué)研究的進(jìn)步和發(fā)展，針對鈦合金焊接結(jié)構(gòu)的一些缺陷問題也得到了解決，另外一些無法避免的問題則通過研究新的鈦合金材料種類去替代，由此也為飛行器的研究和發(fā)展帶來更多的發(fā)展動力。目前，美國和俄羅斯在鈦及鈦合金焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)用于先進(jìn)飛行器的研究方面處于世界領(lǐng)先的地位。

美國作為世界上的軍事大國，擁有世界最先進(jìn)的戰(zhàn)斗機(jī)，為了滿足戰(zhàn)斗機(jī)本身安全性、隱蔽性和機(jī)動性，相關(guān)專家選取幾種不同的鈦合金材料，包括了對高強(qiáng)韌鈦合金Ti62222S和高溫鈦合金Ti6Al4V等，通過結(jié)合鈦合金材料的應(yīng)用部位及結(jié)構(gòu)，綜合分析了材料的性能，通過綜合對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)Ti6Al4V合金所具有的綜合性能最符合飛行器工作環(huán)境的需求，其韌性好，可塑性強(qiáng)，同時還具有良好的損傷容限，此外該合金還具有良好的焊接工藝性，能夠在焊接后最大程度保持原有的特性，由此，Ti6Al4V成為了第一代大量應(yīng)用于飛行器關(guān)鍵部位制造的鈦合金材料，但是，隨著時間的流逝，該合金制造的飛行器在應(yīng)用過程中也體現(xiàn)出來一些問題，例如，耐熱性和冷加工特性差且制造工藝流程十分復(fù)雜等，這些問題迫使有關(guān)方面的專家繼續(xù)對鈦合金進(jìn)行研究，并在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)能替代該合金且綜合性能更優(yōu)越的材料，之后成功研究出來的Ti1100便是能替代Ti6Al4V的新的合金種類，目前一杯大量應(yīng)用于飛行器機(jī)身及其他重要的部位。

俄羅斯的軍事力量是世界上唯一能與美國相抗衡的國家，每年都會花費(fèi)大量的人力、物理和財力在軍事研究上，在最初發(fā)現(xiàn)鈦合金焊接結(jié)構(gòu)在飛行器制造行業(yè)存在著巨大的發(fā)展?jié)摿r，便將對該結(jié)構(gòu)的研究納入政府計劃研究板塊，并對此進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，最終成功將鈦合金焊接結(jié)構(gòu)件應(yīng)用于起蘇27戰(zhàn)機(jī)的主承重部分，不僅降低了戰(zhàn)斗機(jī)本身的重量，而且節(jié)約了戰(zhàn)斗機(jī)的制造成本，為該國的軍事大國地位奠定了良好的基礎(chǔ)，隨后俄羅斯加大力度對鈦合金焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，并在之后的戰(zhàn)斗機(jī)中大量使用鈦合金材料，在不減少戰(zhàn)斗機(jī)作戰(zhàn)能力的前提下多次提升戰(zhàn)斗機(jī)的綜合作戰(zhàn)能力。

三、總結(jié)與發(fā)展

鈦合金的出現(xiàn)帶領(lǐng)世界制造業(yè)向優(yōu)質(zhì)輕型發(fā)展，同時也為世界各國的軍事航空事業(yè)打開新的研究之門。隨著各國對軍事航空事業(yè)的重視和深入研究，在不久的將來，鈦合金焊接結(jié)構(gòu)將會在世界制造業(yè)的大舞臺上大放光彩。

參考文獻(xiàn)：

[1]何陽，屈孝和，王越，等.鈦合金的發(fā)展及應(yīng)用綜述[J].裝備制造技術(shù)，2014，10.

[2]黃寶明，郭德倫，張?zhí)飩}.鈦合金焊接結(jié)構(gòu)在先進(jìn)飛機(jī)中的應(yīng)用和發(fā)展[J].航空材料學(xué)報，2003，10.

[3]張緒虎，單群，陳永來，等.鈦合金在航天飛行器上的應(yīng)用和發(fā)展[J].中國材料進(jìn)展，2011，6.