航空運輸飛機的材料為什么是鈦合金？
發(fā)布時間：2020-09-10
我們都經常有接觸到航空運輸，比如發(fā)過航空貨運了，比如坐過飛機了。大家看到飛機的時候可能都有個疑問：飛機到底是什么做的呢？為什么可以裝載那么多那么重的貨物還可以飛那么高？我們帶著疑問往下看。
一、鈦的簡介
1948年美國某公司用鎂法成噸生產海綿鈦——這標志著海綿鈦即鈦工業(yè)化生產的開始。而鈦合金因具有比強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用于各個領域。
鈦在地殼中含量較豐富，含量排第九位，遠高于銅、鋅、錫等常見金屬。鈦廣泛存在于許多巖石中，特別是砂石和粘土中。
二、鈦的特性
1.強度高：是鋁合金的1.3倍，鎂合金的1.6倍，不銹鋼的3.5倍，金屬材料中的冠軍。
2.熱強度高：使用溫度比鋁合金高幾百度，可在450～500℃的溫度下長期工作。
3.抗蝕性好：耐酸、耐堿、耐大氣腐蝕，對點蝕、應力腐蝕的抵抗力特別強。
4.低溫性能好：間隙元素極低的鈦合金TA7，在-253℃下還能保持一定的塑性。
5.化學活性大：高溫時化學活性很高，輕易與空氣中的氫、氧等氣體雜質發(fā)生化學反應，生成硬化層。
6.導熱系數小、彈性模量小：導熱系數約為鎳的1/4，鐵的1/5，鋁的1/14，而各種鈦合金的導熱系數比鈦的導熱系數約下降50％。鈦合金的彈性模量約為鋼的1/2。
三、鈦合金的分類及用途
鈦合金按用途可分為：耐熱合金、高強合金、耐蝕合金(鈦-鉬，鈦-鈀合金等)、低溫合金以及特殊功能合金(鈦-鐵貯氫材料和鈦-鎳記憶合金)等。
盡管鈦及其合金應用的歷史不長，但由于它那超眾的性能，已經獲得了多個光榮稱號。首先榮獲的稱號就是“空間金屬”。它重量輕、強度大又耐高溫，特別適于制造飛機和各種航天器。目前世界上生產的鈦及鈦合金，大約有四分之三都用于航空航天工業(yè)。許多原來用鋁合金的部件，都改用了鈦合金。
四、鈦合金的航空應用
鈦合金主要用于飛機及發(fā)動機的制造材料，如鍛造鈦風扇、壓氣機盤和葉片、發(fā)動機罩、排氣裝置等零件以及飛機的大梁隔框等結構框架件。航天器主要利用鈦合金的高比強度，耐腐蝕和耐低溫性能來制造各種壓力容器、燃料貯箱、緊固件、儀器綁帶、構架和火箭殼體。人造地球衛(wèi)星、登月艙、載人飛船和航天飛機也都使用鈦合金板材焊接件。
1950年美國首次在F-84戰(zhàn)斗轟炸機上用作后機身隔熱板、導風罩、機尾罩等非承力構件。60年代開始鈦合金的使用部位從后機身移向中機身、部分地代替結構鋼制造隔框、梁、襟翼滑軌等重要承力構件。70年代起，民用機開始大量使用鈦合金，如波音747客機用鈦量達3640公斤以上占機重28%。隨著加工工藝技術的發(fā)展，在火箭、人造衛(wèi)星和宇宙飛船上，也用了大量的鈦合金。
飛機越先進，使用的鈦越多。美國F—14A戰(zhàn)斗機使用的鈦合金，約占機重的25%；F—15A戰(zhàn)斗機為25.8%；美國第四代戰(zhàn)斗機用鈦量為41%，其F119發(fā)動機用鈦量為39%，是目前用鈦量最高的飛機。
五、鈦合金在航空中被大量應用的原因
現代飛機的航行最高時速已達到音速的2.7倍以上。這么快的超音速飛行，會使飛機與空氣摩擦而產生大量的熱。當飛行速度達到音速的2.2倍時，鋁合金就經受不住了。必須采用耐高溫的鈦合金。
當航空發(fā)動機的推重比從4～6提高到8～10，壓氣機出口溫度相應地從200～300℃增加到500～600℃時，原來用鋁制造的低壓壓氣機盤和葉片就必須改用鈦合金。
近年來科學家們對鈦合金性能的研究工作，不斷取得新的進展。原來由鈦、鋁、釩組成的鈦合金，最高工作溫度為550℃～600℃，而新研制的鈦化鋁（TiAl）合金，最高工作溫度已提高到1040℃。
用鈦合金代替不銹鋼制造高壓壓氣機盤和葉片，可以減輕結構重量。飛機每減輕重10%，可節(jié)省燃料4%。對火箭來說，每減輕1kg的重量，就可增加15km的射程。
六、鈦合金機加工特性分析
首先，鈦合金導熱系數低，僅是鋼的1/4，鋁的1/13，銅的1/25。因切削區(qū)散熱慢，不利于熱平衡，在切削加工過程中，散熱和冷卻效果很差，易于在切削區(qū)形成高溫，加工后零件變形回彈大，造成切削刀具扭矩增大、刃口磨損快，耐用度降低。
其次，鈦合金的導熱系數低，使切削熱積于切削刀附近的小面積區(qū)域內不易散發(fā)，前刀面摩擦力加大，不易排屑，切削熱不易散發(fā)，加速刀具磨損。最后，鈦合金化學活性高，在高溫下加工易與刀具材料起反應，形成溶敷、擴散，造成粘刀、燒刀、斷刀等現象。
七、加工中心加工鈦合金特點
1.加工中心可以多個零件同時加工，提高生產效率。
2.提高零件的加工精度，產品一致性好。加工中心有刀具補償功能，可以獲得機床本身的加工精度。
3.有廣泛的適應性和較大的靈活性。如本零件的圓弧加工、倒角和過渡圓角。
4.可以實現一機多能。加工中心可以進行銑削、鉆孔、鏜孔、攻絲等一系列加工。
5.可以進行精確的成本計算，控制生產進度。
6.不需要專用夾具，節(jié)約大量成本經費，縮短生產周期。
7.大大減輕了工人的勞動強度。
8.可以與UG等加工軟件進行多軸加工。
八、刀具及冷卻液材料的選擇
1、刀具材料選用應滿足下列要求：
足夠的硬度。刀具的硬度必須要遠大于鈦合金硬度。
足夠的強度和韌性。由于刀具切削鈦合金時承受很大的扭矩和切削力，因此必須有足夠的強度和韌性。
足夠的耐磨性。由于鈦合金韌性好，加工時切削刃要鋒利，因此刀具材料必須有足夠的抗磨損能力，這樣才能減少加工硬化。這是選擇加工鈦合金刀具最重要的參數。
刀具材料與鈦合金親合能力要差。由于鈦合金化學活性高，因此要避免刀具材料和鈦合金形成溶敷、擴散而成合金，造成粘刀、燒刀現象。
經過對國內常用刀具材料和國外刀具材料進行試驗表明，采用高鈷刀具效果理想，鈷的主要作用能加強二次硬化效果，提高紅硬性和熱處理后的硬度，同時具有較高的韌性、耐磨性、良好的散熱性。
2、銑刀的幾何參數
鈦合金的加工特性決定刀具的幾何參數與普通刀具存在著較大區(qū)別。
螺旋角β選擇較小的螺旋升角，排屑槽增大，排屑容易，散熱快，同時也減小切削加工過程中的切削抗力。
前角γ切削時刃口鋒利，切削輕快，避免鈦合金產生過多切削熱，從而避免產生二次硬化。
后角α減小刀刃的磨損速度，有利于散熱，耐用度也得到很大程度的提高。
3、切削參數選擇
鈦合金機加工應選擇較低的切削速度，適當大的進給量，合理的切深和精加工量，冷卻要充分。
切削速度VcVc=30～50m/min
進給量f粗加工時取較大進給量，精加工和半精加工取適中的進給量。
切削深度apap=1/3d為宜，鈦合金親合力好，排屑困難，切削深度太大，會造成刀具粘刀、燒刀、斷裂現象。
精加工余量αc適中鈦合金表面硬化層約0.1~0.15mm，余量太小，刀刃切削在硬化層上，刀具容易磨損，應該避免硬化層加工，但切削余量不宜過大。
4、冷卻液
鈦合金加工最好不用含氯的冷卻液，避免產生有毒物質和引起氫脆，也能防止鈦合金高溫應力腐蝕開裂。
選用合成水溶性乳化液，也可自配用冷卻液。
切削加工時冷卻液要保證充足，冷卻液循環(huán)速度要快，切削液流量和壓力要大，加工中心都配有專用冷卻噴嘴，只要注意調整就能達到預期的效果。
來源：搜鈦網
“寶雞盛輝鈦業(yè)有限公司，主營各種規(guī)格鈦棒、鈦加工件、鈦異形件；我們鈦棒的材料選用優(yōu)良材質，符合標準，不偷工減料；我們鈦棒的規(guī)格多樣滿足您的需求；我們鈦棒的表面光滑、結構穩(wěn)定、無凹凸、耐酸、耐堿、耐腐蝕、無裂紋。我們的目標是以優(yōu)異的產品、可靠的質量、優(yōu)越的終身效能費用比和有效的服務，滿足顧客日益增長的需要，質量是我們的自尊心。我們的生產理念：質量至上、用戶滿意、精益求精、務實創(chuàng)新。”
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