航空用途损伤容限钛合金的研究进展

2020-01-18葛晨陕西宝钛集团

环球市场 2020年30期

葛晨陕西宝钛集团

一、概述

1903年莱特兄弟（Wright brothers）发明飞机后，飞机工业正式诞生。此后，飞机工业技术飞速发展，相对应的制造技术也极大提升。但是因为战争时期大多数飞机被敌机击毁，飞机使用寿命还没有在这一时期引起人们的注意。

1954年，英国航空公司“彗星1号”客机的连续失事发生后，英国运输和民航部对试验机体的客舱和驾驶舱进行模拟实验。最终通过试验证实，“彗星1号”的主体结构疲劳强度偏低。首次，飞机结构疲劳隐患进入了人们的视线，从而使得航空业以断裂力学为理论依据从而引出损伤容限概念。

二、损伤容限基本概念

损伤容限指的是，在规定的（未经修复）使用时间内，材料结构抵抗由裂纹、缺陷及损伤而导致破坏的能力。损伤容限首先承认材料在使用前就带有原始缺陷，在使用中不可避免的会受到来自外来物的损伤。但是，必须把这些缺陷和损伤在规定时间内的增长控制在一定的范围内，使得裂纹及缺陷不会发生快速扩展。在此期间内，结构应满足规定的剩余强度要求，以保证机体结构的安全性和稳固性。这就要求材料具有较高的断裂韧性KIC，较低的裂纹扩展速率da/dN和较高的裂纹扩展门槛值△Kth。1974年，美国空军颁布了针对飞机结构完整性设计的新标准《美国空军飞机损伤容限要求MIL-A-83444》。至此开始，美国开始以损伤容限的理论为依据进行飞机的设计及改进。

三、国外航空用途损伤容限钛合金的发展

钛合金作为轻金属合金材料，具有高比强度、抗腐蚀、高温性能稳定的特性，并且与复合材料具有很强的兼容性，在飞机上可以减轻重量，适用于受几何约束区域的高载荷结构，并且减少涂层要求，甚至在部分高温区域代替铝合金。因此，钛合金广泛应用于飞机非承重部位及发动机短舱低温部件。钛合金在飞机上的用量也成为衡量飞机先进性的重要指标之一。以空客飞机为例，1972年研制的A300含钛量为5%，2006年研制的A380的含钛量已经上升到10%。

因此，作为飞机构件的主要材料，就要求钛合金满足损伤容限的设计要求。目前主流的提高钛合金损伤容限性能的方法有：降低合金中间隙元素（O，N，C等）的含量；再结晶退火；β退火。

钛合金的显微组织具有多样性，不同显微组织结构具有差异性较大的性能。因此，通过调整化学成分及热处理工艺是提高钛合金损伤容限性能的主要方式。目前，国外典型的损伤容限钛合金有Ti-6-22-22S和Ti-6Al-4V ELI。表1为损伤容限钛合金在国外飞机上的部分应用：

（一）Ti-6-22-22S

该材料于70年代由美国军方研发，最早使用于发动机中。后加入损伤容限的设计理念，通过工艺改进提高了损伤容限性能，从而成功用于F-22和C-17等军用飞机上。但是由于该材料没有从根本上改善其强度及焊接性能等综合能力，导致其无法大量使用。例如：在F-22飞机上，Ti-6-22-22S的占比仅仅为2.7%。目前的研究表明，在高强度（屈服强度超过1000MPa）的要求下，同时获得高韧性、低裂纹扩展速率、且拥有优异的综合性能几乎是不可能。即在获得高强度、高可焊的同时很难同时获得高损伤容限性能。

（二）超低间隙Ti-6Al-4V合金（Ti-6Al-4V ELI）

在多种航空用钛合金中，Ti-6Al-4V合金的研究较其他类合金较为成熟，其在航空的用量超过钛合金总用量的50%。研究发现，通过在允许波动范围调整Ti-6Al-4V合金元素占比得到的Ti-6Al-4V ELI合金，具有良好的损伤容限性能。

Ti-6Al-4V ELI合金的H，O，Fe元素的最高允许值较Ti-6Al-4V合金值有所降低。该合金的断裂韧性高于93MPa·m1/2（T-L），而强度高于841Mpa。Y.V.R.K.Prasad等研究了含氧量为0.18%的Ti-6Al-4V合金和含氧量为0.13%的Ti-6Al-4V ELI合金的锻造成型特点。研究表明：1.在750-1100°C和10-3-100s-1应变速率范围内，Ti-6Al-4V ELI合金发生超塑变形的温度范围更窄，应变速率更低，延性峰宽更窄，加工过程中需要更加小的温度控制范围；2.在β转变温度范围内的变形机理为1100°C下的动态再结晶，Ti-6Al-4V 合金的变形速率（10-2s-1）比Ti-6Al-4V ELI合金的变形速率（10-3s-1）高；3.与Ti-6Al-4V合金不同，因为在较低的变形速率下可能会形成边缘裂纹和孔洞，Ti-6Al-4V ELI合金应避免在β转变温度附近发生变形。