鈦合金在航空領(lǐng)域的應(yīng)用及其先進連接技術(shù)的相關(guān)探討

余紹偉 羅杰 張明蕾 李靜

摘要：近年來在航空裝備制造的過程中，對新型材料和連接技術(shù)提出了很高要求，尤其是新型的鈦合金材料，具有航空領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢，連接技術(shù)較為先進，可有效提升結(jié)構(gòu)性能，減輕結(jié)構(gòu)的重量，連接技術(shù)已經(jīng)從原來的輔助制造轉(zhuǎn)變成為飛行制造的關(guān)鍵技術(shù)。因此，在實際工作中應(yīng)該重視鈦合金在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用，積極采用先進的連接技術(shù)，全面提升鈦合金在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：鈦合金;航空領(lǐng)域;應(yīng)用;先進連接技術(shù)

0 ?引言

鈦合金屬于國家防高新技術(shù)武器裝備中較為重要的金屬結(jié)構(gòu)材料，被全球很多國家應(yīng)用在軍事領(lǐng)域中，可有效提升軍事領(lǐng)域中制備工作水平。我國在航空領(lǐng)域中也開始應(yīng)用鈦合金材料，不僅可以生產(chǎn)出質(zhì)量較高、強度高并且重量輕的結(jié)構(gòu)，還能起到航空領(lǐng)域發(fā)展的推動作用。因此，在實際工作中應(yīng)該重視鈦合金在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用，積極引進鈦合金材料，并合理應(yīng)用其先進連接技術(shù)。

1 ?鈦合金在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用

1.1 飛機體中的應(yīng)用分析

鈦合金屬于近年來應(yīng)用在航空領(lǐng)域中的新型輕質(zhì)材料，其應(yīng)用的水平已經(jīng)成為衡量飛機選材先進程度的主要標準。一般情況下，在航空領(lǐng)域的飛機體中應(yīng)用鈦合金，可減輕飛機體的重量，并延長使用壽命。目前我國在民用飛機中已經(jīng)開始采用鈦合金，例如：波音787的飛機機體上面就有15%的材料屬于鈦合金，可有效減輕機體的重量，并延長其使用壽命。從實際情況來講，飛機機體制造的過程中，鈦合金的應(yīng)用范圍很廣，可以用來制作機身結(jié)構(gòu)、液壓管道結(jié)構(gòu)、起落架結(jié)構(gòu)等等，可有效提升制作水平。

1.2 發(fā)動機中的應(yīng)用

航空領(lǐng)域中發(fā)動機對飛機性能與可靠性會產(chǎn)生直接影響，也會直接反映出國家的科技水平與國防實力。目前在航空發(fā)動機中，鈦合金主要用來制作葉片、機匣等零部件，此類零部件可以在高溫的環(huán)境之下應(yīng)用，強度較高，并且具有一定的高溫蠕變抗力，持久強度較為良好，可有效增強發(fā)動機的整體穩(wěn)定性。近年來在航空發(fā)動機推重比逐漸提升的情況下，高壓壓氣機的出口溫度會逐漸提升，使得葉片的工作溫度增加，而經(jīng)過固溶強化之后的鈦合金材料，可以承受的溫度較高，能夠有效應(yīng)對高溫環(huán)境下的問題。

2 ?鈦合金在航空領(lǐng)域中的先進連接技術(shù)

2.1 激光焊接技術(shù)

在航空領(lǐng)域中飛機薄壁類型的鈦合金構(gòu)件，可以采用激光焊接技術(shù)，有效提升焊接加固的工作效果。在實際工作中可以采用二氧化碳激光焊接技術(shù)措施，確定了2.5mm的激光焊接工藝參數(shù)，在可以穿透焊的情況下，二氧化碳激光焊接下的焊縫，具有釘形與近似于X形的兩種截面外貌，其焊縫的形成和焊接熱輸入與激光功率密度等存在直接聯(lián)系。在焊接熱輸入與激光功率密度逐漸增加的情況下，焊縫截面會從釘形向著X型逐漸轉(zhuǎn)變。在使用同樣工藝規(guī)范的過程中，YAG方面的激光焊縫對稱程度要比二氧化碳激光焊縫對稱程度高很多。從鈦合金激光焊接的咬邊缺陷方面來講，A-TIG活性劑應(yīng)用在二氧化碳的激光焊接工作中，能夠有效預(yù)防或是改善咬邊的缺陷問題，降低深熔焊過程中的激光功率密度，并改善焊接熱輸入的閾值。在采用活性劑的過程中，可以增加鈦合金的激光能量吸收度，并降低熔池表面的張力，有助于改善相關(guān)表面張力流的方向。在采用脈沖激光技術(shù)的工作中，可為鈦合金的焊接提供很多新的工藝措施，通過脈沖激光焊接技術(shù)，可通過脈沖量控制鈦合金的焊接質(zhì)量，有效改善目前的工作現(xiàn)狀，增強焊接的工作效果[1]。

采用鈦合金的激光焊接技術(shù)措施，焊接頭屬于非均勻體，組織與性能均有梯度變化，接頭塑性損傷和均勻材料塑性損傷都存在一定差異。在鈦合金激光焊接頭塑性損傷研究中，可以發(fā)現(xiàn)鈦合金的激光焊接操作中，激光熔深的焊接接頭的塑性損傷，主要的過程就是微孔洞的產(chǎn)生、增加與聚合。微孔洞在其中的接頭區(qū)域中呈現(xiàn)出不均勻的分布狀態(tài)，體積的分布會沿著焊接接頭從焊縫到母材具有非線性的分布特點。焊接接頭的微孔洞損傷規(guī)律與主要的載荷大小存在直接聯(lián)系，在載荷很小的時候，焊縫的損傷會比熱影響區(qū)域的損傷大很多，在載荷數(shù)值不斷增加的情況下，焊縫的損傷會比熱影響區(qū)中孔洞積分數(shù)值的增長速度小很多，在載荷增加到某種程度的情況下，熱影響區(qū)域的損傷程度最高[2]。

2.2 電子束焊接技術(shù)

對于電子束的焊接技術(shù)而言，主要是高能束流加工工藝，在上個世紀六十年代初期，就應(yīng)用在原子能工業(yè)領(lǐng)域與飛機制造領(lǐng)域中，可進行貴重金屬的焊接處理。近年來在我國航空領(lǐng)域技術(shù)快速發(fā)展的過程中，已經(jīng)開始采用電子束焊接技術(shù)，尤其在鈦合金零件制造中，電子束焊接技術(shù)的應(yīng)用，可有效提升焊接工作效果。一般情況下，鈦合金在高溫狀態(tài)之下，會吸收氧氣與氮氣，使得接頭呈現(xiàn)出脆化的狀態(tài)，而使用真空電子束技術(shù)，能夠形成較為優(yōu)質(zhì)的焊縫，并且真空電子束焊接的過程中，具有獨特的鈦合金焊接優(yōu)勢。美國在戰(zhàn)斗機的機身上，已經(jīng)采用電子束焊接技術(shù)進行鈦合金的焊接，焊縫的長度在87mm，厚度為20mm，可見電子束焊接技術(shù)的應(yīng)用，能夠延長焊縫長度，減少厚度。因此，在連接工作中應(yīng)該積極采用電子束的焊接技術(shù)，提升鈦合金的焊接工作質(zhì)量[3]。

2.3 摩擦焊接技術(shù)

航空領(lǐng)域中鈦合金材料的應(yīng)用，摩擦焊接技術(shù)主要分為有線性摩擦焊接與攪拌摩擦焊接兩種，屬于新型的固相連接措施，在焊接期間不會出現(xiàn)變形現(xiàn)象，焊接頭的拉伸強度較高，可改善目前的鈦合金焊接現(xiàn)狀，如圖1所示，屬于鈦合金摩擦焊接的原理，在實際焊接的工作中，通過線性摩擦焊接的方式，可使得異種鈦合金材料相互連接，滿足當前航空發(fā)動機的雙性能葉盤連接需求，提升焊接工作的效果[4]。

2.4 復合焊接技術(shù)

航空鈦合金生產(chǎn)制造的領(lǐng)域中，復合焊接技術(shù)屬于新型焊接方式，目前主要采用激光與電弧兩種焊接技術(shù)進行復合焊接處理，可形成一定的協(xié)同效應(yīng)，全面增加焊縫的寬度與深度，實現(xiàn)同軸復合的良好工作目的，具有一定的焊接應(yīng)用水平。在航空領(lǐng)域中采用鈦合金復合焊接技術(shù)措施，與單一的激光焊接相比，可增加激光的功率，加快焊接操作的速度，焊接之后焊縫的截面外貌良好，咬邊較小。主要是其中的激光焊接技術(shù)與電弧技術(shù)相互協(xié)同，共同發(fā)揮出技術(shù)的積極作用。與此同時，還可以將TIG作為主要的焊接基礎(chǔ)，使用復合激光熱源的相關(guān)焊接措施，能夠提升接頭的成形質(zhì)量與性能，從根本上增強焊接操作的質(zhì)量。在研究中還可以發(fā)現(xiàn)，航空領(lǐng)域中采用激光-TIG電弧復合焊接技術(shù)，焊頭抗彎曲的強度會比TIG焊接焊頭高很多，可改善單一焊接技術(shù)應(yīng)用的不足[5]。

3 ?結(jié)語

近年來在航空領(lǐng)域中已經(jīng)開始采用鈦合金材料，主要應(yīng)用在飛機機體與發(fā)動機方面，可減輕零件的重量，并提升制造的質(zhì)量。為在航空領(lǐng)域中高質(zhì)量采用鈦合金材料，應(yīng)該積極的應(yīng)用先進連接技術(shù)，通過激光焊接技術(shù)、復合焊接技術(shù)、摩擦焊接技術(shù)的應(yīng)用，提升焊縫的質(zhì)量與強度，打破傳統(tǒng)工作的局限性，優(yōu)化各方面的焊接工作模式與體系，不斷增強目前的焊接操作效果與水平，將先進連接技術(shù)的作用和優(yōu)勢發(fā)揮出來，使鈦合金在航空領(lǐng)域中得到良好應(yīng)用。

參考文獻：

[1]李亞江，劉坤.鈦合金在航空領(lǐng)域的應(yīng)用及其先進連接技術(shù)[J].航空制造技術(shù)，2015，11（16）：34-37.

[2]姜沄青.論先進鈦合金材料在航空航天領(lǐng)域中應(yīng)用[J].科技展望，2016，55（35）：91-92.

[3]何丹琪，石顥.鈦合金在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用探討[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2016，22（18）：50-51.

[4]米磊.鈦合金在航空領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2015，55（18）：303-388.

[5]何蕾.鈦合金在航空領(lǐng)域的市場展望[J].金屬世界，2015，46（5）：56-198.

作者簡介：余紹偉（1986-），男，云南紅河州人，本科，高級工程師，現(xiàn)任貴州航天精工制造有限公司研究所副所長，重點研究方向為自鎖螺母設(shè)計及工藝技術(shù)。