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全俄航空材料研究院在新一代低成本鈦合金加工和研究領域的經(jīng)驗
作者：admin
發(fā)布時間：23-10-27
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制造新一代先進飛機和噴氣發(fā)動機都需要使用新材料并確保成本效益，這反映在全俄航空材料研究院發(fā)布的“2030年材料及其加工技術發(fā)展戰(zhàn)略方向”中。自2000年代初，全俄航空材料研究院一直在加強低合金鈦合金領域的研究。2004年，獲得以鐵、氮、氧為主要合金元素，添加少量鉬進行強化的新型低成本鈦合金，wt. %：0.6~1.0 Fe，0.3–0.6 Mo，0.3–0.4 O， 0.04–0.05 N。該合金具有適中的強度性能(σB=800–890MPa)，塑性好(δ=18.4–26.8%),沖擊韌性高(KCU=520–560kJ/m2). 這種合金被推薦用于醫(yī)療產(chǎn)品，因為它具有增加的生物惰性并且不含有毒元素（例如釩）。然而，合金的主要缺點是其低溫工藝性能不足，無法用它制成薄板半成品。合金的強度也不足以制造具有重要用途的航空零件。
迄今為止，幾乎所有提高傳統(tǒng)鈦合金強度和降低密度的可能性都已用盡。此外，許多高性能鈦合金（如BT38、BT23、SP-700、Beta CEZ）的合金化體系復雜，含有稀缺和昂貴的元素。低成本鈦合金的概念：
——合金化元素設計組分少，摒棄貴的或者稀缺的合金化元素（Mo, Ta, Zr, Ni, W），選擇價格低廉的合金化元素（Al，F(xiàn)e，Cu等）作為主要成分；
——配料時盡量選擇容易獲得中間合金的元素（Al-V, Al-Mo, Mo-W-Ti-Al中間合金），以及“天然”的中間合金（Ti-Fe，V-Fe）；
——選擇添加微量的稀土元素（РЗЭ不超過0.5%），在不明顯提高價格的基礎上顯著改善綜合性能；
——廣泛使用廢料和回收料。
本文綜述了全俄航空材料研究院開發(fā)的低成本鑄造合金ВТ40Л（Ti-Al-V-Mo-Fe-Si）和兩種新型結(jié)構(gòu)合金B(yǎng)T44（Ti-Al-РЗЭ）和BT45（Ti-Al-V-Fe-РЗЭ）的特點（備注：РЗЭ-稀土元素）。以及由合金制成的薄板半成品為基體，與玻璃或碳纖維復合材料交替制成的預浸料，在保持相同承載能力的情況下，與全金屬結(jié)構(gòu)相比，鈦聚合物層狀復合材料質(zhì)量可降低20%。
表1. 全俄航空材料研究院開發(fā)的低成本鈦合金的成分
BT40Л合金是一種鑄造合金。其成分是基于使用氧和碳的低成本合金化元素。該合金旨在獲得強度達到1050MPa并提高長時疲勞性能的鑄件。ВТ40Л合金的主要用途是用于制造渦輪機汽輪、螺旋推進器、殼體、中間支架、固定基座的異型鑄件——取代系列鑄造鈦合金ВТ6Л和ВТ20Л。合金化BT40Л合金的基本原理是采用非稀缺的β穩(wěn)定元素（V、Mo、Fe）和中性增韌劑（Zr），其含量不超過1.2%。除主要合金元素外，合金還摻雜了氧和碳，因此在壓制消耗電極時，應控制海綿鈦的氧和碳含量。由于采用綜合方法選擇合金的化學成分，可以在鑄錠中獲得沒有枝晶內(nèi)部偏析的組織，這大大簡化了在隨后鑄造該合金鑄件時實現(xiàn)均勻形貌的組織狀態(tài)。
BT44合金（2014年通過認證）是一種中等強度的變形結(jié)構(gòu)近α鈦合金。選擇合金合金化體系時應考慮建立穩(wěn)定均勻結(jié)構(gòu)的需要——體積分數(shù)不小于95%的α相。合金中度摻鋁，在很大程度上決定了鈦合金的綜合力學性能。鑭系稀土釓被用作微添加劑，有效改性鑄態(tài)組織。在退火狀態(tài)下，合金呈近單相組織，不能熱處理強化。BT44合金的優(yōu)點是其可加工性，加上其強度特性和氫脆傾向小，因此與OT4、BT20和ПТ-3B合金相比，該合金可以在相對較低的溫度和較小的變形力下制成半成品。BT44合金用于制造飛機機身內(nèi)部套件中低承壓部件，在溫度高達350°C的條件下長期工作，在一般氣候條件下短期工作——高達425°C。
BT45合金（2015年通過認證）是一種以Ti-Al-V-Fe系為基礎的高強度可變形結(jié)構(gòu)（α+β）鈦合金。合金中摻雜鋁、釩、鐵，提供復合強度性能；稀土元素的引入可以實現(xiàn)對鑄態(tài)組織的有效改性。在退火狀態(tài)下，BT45合金具有兩相（α+β）結(jié)構(gòu)，β穩(wěn)定相體積分數(shù)達到10%。此外，合金成分具有顯著的技術優(yōu)勢，因為它提供了使用廣泛的爐料的可能性。變形半成品可以通過熱處理進行強化，熱處理包括從（α+β）相區(qū)高溫段加熱后淬火，和在500-600℃溫度范圍內(nèi)時效，空冷。ВТ45合金用于制造飛機機身內(nèi)部設置的中承壓部件，在溫度高達400°С的條件下長期工作，在一般氣候條件下短期工作——高達450°С。
與類似合金（ОТ4、ВТ20、ПТ-3B、ВТ6、Ti-6-4）相比，低成本鈦合金ВТ44和ВТ45對加工后與碳纖維復合材料連接的變形半成品表面的耐腐蝕性能有所提高。因此，推薦它們用于與碳纖維預浸料（蒙皮元件、裝飾結(jié)構(gòu)等）的復合接頭的制造，其工作溫度由碳纖維的耐熱性決定。與同類合金的相應指標相比較，所開發(fā)合金的物理力學特性的綜合結(jié)果見表 2。
表2 國內(nèi)外低成本鈦合金物理和力學性能對比
下一步的工作主要集中在對低成本鈦合金熱機械加工工藝的研究，得到厚度為0.4~0.8mm的無織構(gòu)薄板半成品，用來制備鈦聚合物層狀復合材料。除此之外，要求開發(fā)一種新的低模量鈦基合金，專門用于制造這種復合材料的連接件。
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