З огляду на важливу роль титану в обороні, авіації, високих технологіях та інших галузях, він був високо оцінений Сполученими Штатами, Росією, Великою Британією, Францією та іншими військовими державами, Японією та іншими країнами, і входить до списку стратегічний конструкційний метал зі стратегічним значенням у 2l ст. Розвиток науки і технологій титану, включаючи нові сплави, нову технологію плавлення, нову технологію T і технологію застосування, зазнає швидких змін. Титанова промисловість Китаю пережила майже 40 років злетів і падінь, за підтримки держави вона досягла значного прогресу та створила власну незалежну систему титанової промисловості. Виходячи з виробництва 1751 т титанової губки та 2206 т титанових оброблених матеріалів у Китаї у 2000 р., виробництво титанової губки в Китаї становило 49632 у 2008 р., збільшившись у 27,3 рази за 8 років; У 2008 році Китай виготовив 27737 тонн титанового торцевого матеріалу, що в 11,6 разів більше.
Через високу вартість сировини для титанових сплавів від 70% до 80% іноземних титанових матеріалів використовуються в авіаційній та аерокосмічній промисловості. Попит на титанові сплави в авіаційній та аерокосмічній галузях Китаю також особливо великий. В даний час частка титанового сплаву, який використовується в сучасних літаках у Китаї, становить приблизно 10%-12%, а частка титану, що використовується у військових літаках, вища, приблизно від 20% до 30%, а частка титану використовується у військових літаках. двигунів більше 30%. Кількість титану, що використовується в нових ракетах, також зростає.
Розробка та застосування конструкційних титанових сплавів
З поступовою зміною концепції дизайну літака від простої статичної міцності в минулому до безпеки - життя, пошкодження - безпеки, аж до сучасної концепції дизайну стійкості до пошкоджень. Удосконалені матеріали з титанових сплавів також поступово розвиваються в напрямку стійких до пошкоджень титанових сплавів з високою в’язкістю до руйнування та низькою швидкістю росту тріщин. В даний час іноземні розвинені країни були в авангарді розробки нових матеріалів зі стійкими до пошкоджень титанових сплавів і застосування передових літальних апаратів, особливо таких як Ti-6Al-4V ELI середньої міцності та висока -міцності Ti-6-2222S, які були успішно застосовані в США F-22, F-35 і C-17 та інших літаках нового покоління. Значно підвищується ресурс і боєздатність літака. З розвитком концепції дизайну літаків ідея дизайну конструкції з титанового сплаву також почала привертати увагу в Китаї. Після «десятої п’ятирічки» Китай самостійно розробив титановий сплав середньої міцності та високої в’язкості TC4-DT, стійкий до пошкоджень, і TC21, високоміцний і стійкий до пошкоджень титановий сплав, а також налагодив обробку технологія стійкості до пошкоджень титанового сплаву, яка заклала основу технології застосування матеріалів для розробки нових літаків у Китаї. Щоб задовольнити потреби в розробці титанових сплавів для авіаційних і аерокосмічних конструкцій, Китай самостійно розробив низькоміцні та високоміцні титанові сплави дроту (NbTi) і трубні сплави (TAl8), серії надвисокої міцності від 1300 МПа до 2000 МПа. титанові сплави (TB8, TBl9, TB20) тощо. Спочатку було сформовано новий тип системи матеріалів із титанового сплаву для конструкції літака з китайськими характеристиками, а також було закладено нове покоління каркасної конструкції з титанового сплаву для авіаційної та аерокосмічної конструкції.
Ti-6Al-4V(TC4) – це титановий сплав середньої міцності, розроблений на початку 1960-х років, із чудовими комплексними властивостями, відомий як універсальний сплав. Титановий сплав TC4 є найпершим і найбільш широко використовуваним у авіація, аерокосмічна структура загального титанового сплаву, включаючи плиту, пруток, кування та лиття. Сплав має хороші властивості зварювання та механічної обробки, а дрібнозернистий сплав має надпластичність, і складні компоненти можна виготовляти за допомогою комбінованого процесу суперпластичного формування/дифузійного з’єднання (SPF/DB).
Високоміцні конструкційні титанові сплави зазвичай відносяться до сплавів з міцністю на розрив понад 1000 МПа, які в даний час представляють міжнародний передовий рівень і знаходять практичне застосування в авіації, головним чином метастабільний сплав типу Ti-15-3, 321s, сплав майже типу Ti{ Двофазні титанові сплави типу {6}} і - -ВТ22. Заміна високоміцної конструкційної сталі 30CrMnSiA, яка зазвичай використовується в конструкціях літаків, на високоміцний конструкційний титановий сплав може зменшити вагу більш ніж на 20%.
Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo(TC21) – це різновид двофазного титану з високою міцністю, високою міцністю та стійкістю до пошкоджень сплав, розроблений у 1970-х роках. Сплав має такі переваги, як висока міцність, хороша стійкість до пошкоджень і чудова здатність до поширення тріщин проти втоми після термомеханічної обробки, що підходить для виготовлення високоміцних і високоміцних несучих компонентів. Завдяки додаванню елемента Si сплав зберігає вищу міцність за середньої температури, що краще, ніж Ti-6AI-4V. Лист сплаву може бути надпластичним, сформованим при кімнатній температурі.
Ti-10V-2Fe-3Al(TB6) – це високоміцний і в’язкий сплав, близький до титанового, розроблений наприкінці 1970-х років. Сплав має такі переваги, як висока питома міцність, хороша в’язкість до руйнування, велика площа загартування, невелика анізотропія, хороші показники кування та висока стійкість до корозії, а також має багато переваг метастабільного титанового сплаву без втрат (характеристики твердого розчину титанового сплаву IT-B, можуть Задовольнити потреби в дизайні стійкості до пошкоджень і високих конструкційних перевагах, вимогах до високої надійності та низьких витрат, максимальній робочій температурі сплаву є прутки, поковки, товсті пластини та профілі в'язкість до руйнування може бути досягнута за допомогою термічної обробки розчином і старінням, що підходить для виготовлення конструкцій з високими вимогами до міцності та в'язкості до руйнування. Чудову в'язкість і низьку швидкість росту тріщин можна отримати за допомогою термомеханічної обробки, яка підходить для конструкцій, що вимагають високої руйнівності. міцність.
Розробка та застосування жаропрочних титанових сплавів
Термічна міцність і висока питома міцність широко використовуються в авіаційних двигунах. Високотемпературний титановий сплав в основному використовується у вентиляторах і компресорах авіаційних двигунів, таких як компресорні диски, лопаті, навігатори, сполучні кільця тощо. Використання титанового сплаву замість оригінального суперсплаву на основі нікелю може зменшити вагу компресора на 30-35%. Частка споживання титану в іноземних передових авіаційних двигунах досягла 25 ~ 39%, наприклад, споживання титанового сплаву двигуном F100 становить 25% від загальної ваги двигуна, двигуном V2500 є 31%, двигуном F119 є 39%. Потреби в розробці високопродуктивних авіаційних двигунів зумовлюють розробку високотемпературного титанового сплаву, використання температури поступово збільшувалося з 1950-х років до сплаву Ti-6Al-4V, представленого сплавом 400 градусів до IMl834 представлений 600 градусами. Вище 600 градусів різке зниження опору повзучості та стійкості до високотемпературного окислення є двома основними перешкодами, що обмежують розвиток титанових сплавів для більш високих температур. Тому 600 градусів Цельсія вважається температурою «теплового бар’єру» для розробки титанових сплавів.
Протягом багатьох років, щоб задовольнити потреби високопродуктивних авіаційних двигунів, Європа, Сполучені Штати, Росія та інші розвинені країни в авіаційній промисловості надають великого значення дослідженням і розробкам високотемпературного титанового сплаву, розробили високу температура титанового сплаву використовується в 350 ~ 600 градусів. Колишній Радянський Союз розробив титанові сплави BT6, BT3-l, BT8, BT9 та інші марки наприкінці 1950-х років, а сплави BTl8 і BT25 були розроблені в 1960-х і 1970-х роках. З того часу, щоб покращити продуктивність і термін служби високотемпературних титанових сплавів, BTl8y, BT25y, BT8M, BT8-1 і BT8M-1 та інші марки високотемпературних титанових сплавів були вдосконалені на основі оригінальних сплавів.
В останні роки титановий сплав BT36 був розроблений, відповідно, для двигунів HK8, IIC90A та інших. Так само Сполучені Штати також будуть використовувати Ti64, Ti811, Ti6242 та інші титанові сплави в JT90, F-110 та інших передових двигунах. Основні технічні показники типових жароміцних титанових сплавів наведені в табл. 2.
Розробка високотемпературного титанового сплаву в Росії є дуже досконалою та зрілою, утворюючи повний набір системи титанового сплаву. Існують два або три додаткові марки високотемпературного титанового сплаву при певному температурному рівні, наприклад, сплави, які можна використовувати при 500 градусах, це BT8, BT9 і BT8-1, 550 градусів це BT25 і BT25y, і 600 градусів це BTl8y і BT36. Росія рекомендує BT25y для дисків-рулеток і лопатей ротора, що використовуються при 450-550 градусах C у компресорах високого тиску авіаційних двигунів, і BTl8y для дисків-рулеток, що використовуються при 550-600 't3. Хоча BT36 був розроблений, він, здається, не отримав належної уваги. Китай запровадив російське виробництво пластин і брусків зі сплаву BT36. Після аналізу було виявлено значну сегрегацію компонентів на пластинах і брусках зі сплаву, проблема однорідності складу не була вирішена належним чином, а його продуктивність при високих температурах не досягла рівень сплаву IMl834.
Британський високотемпературний титановий сплав розробив найбільш зрілий, з власною незалежною системою, утворюючи серію титанових сплавів, які використовуються при різних температурах. Поки що сплав IMl685 є найбільш широко використовуваним і найбільшою кількістю високотемпературних титанових сплавів у Великобританії, таких як двигун серії RB211, двигун RBl99, двигун Adour і двигун M53. Сплав IMl829 використовується в компресорі високого тиску двигуна RB211-535C. Диск заднього 3-ступеню, барабан і задня вісь інтегровані за допомогою електронно-променевого зварювання, яке замінює сплав на основі нікелю на RB211-535C, зменшуючи вагу ротора на 30%. Успішна розробка сплаву IMl834 забезпечила надійну технічну підтримку для деяких високопродуктивних двигунів, хоча час розробки недовгий, але він був випробуваний і застосований на різних двигунах, таких як Boeing 777, вибір цивільного великого двигуна. Trent700 (Турбулентність), усі колеса, барабани та задні вали компресора високого тиску виготовлені зі сплаву IMl834 і зварені разом методом електронно-променевого зварювання. Trent700 став першим новим цивільним двигуном, який використовує повністю титановий ротор компресора високого тиску, що значно зменшує вагу двигуна, а ротор компресора високого тиску двигуна EJ200 також використовує сплав IMl834. IMl834 також використовується на двигуні Pratt & Whitney PW350.
Розробка високотемпературних титанових сплавів у Сполучених Штатах також відносно зріла, і найбільшими сплавами, які використовуються в двигуні, є переважно Ti-6Al-4V і Ti-6242S.
Сплав Ti-1100 заснований на складі сплаву Ti-6242S, завдяки регулюванню вмісту елементів Al, Sn, Mo та Si максимальна температура використання сплаву підвищується до 600 градусів. Зрозуміло, що сплав Ti-1 100 використовувався у виробництві дисків компресора високого тиску та лопаток турбіни низького тиску для модифікованого двигуна Lycoming T55-712.
Розробка титанових сплавів у Китаї в основному йде шляхом імітації, наприклад, сплав TC11 відповідає сплаву BT9, TA11, TA19, TC17, що відповідає класу Сполучених Штатів Ti-811, Ti-6242 S і Ti-17. За останні 2 0 роки Китай почав йти шляхом саморозвитку, імітуючи, наприклад, високотемпературний титановий сплав TA12(Ti-55), додаючи рідкоземельний елемент Nd; На основі сплаву TAl2 вміст Al, Sn і Si відповідно збільшено в сплаві Ti-60, що додатково покращує властивість високотемпературної повзучості та міцність сплаву, а також дозволяє досягти робочої температури сплаву 600 градусів. 550-градусний високотемпературний титановий сплав Ti-633G був виготовлений шляхом додавання рідкоземельного елемента Gd на основі сплаву IMl829 з Британії. Нещодавно на основі сплаву Ti-1100 було додано близько 0,1Y і названо Ti-600.
Розробка та застосування низькотемпературного титанового сплаву
Конструкційні деталі, що використовуються при низьких температурах, вимагають хорошої пластичності, низької теплопровідності та відмінних технологічних властивостей при збереженні певної міцності. Низькотемпературні конструкційні матеріали в країні та за кордоном - це в основному нержавіюча сталь, алюмінієвий сплав, титановий сплав і сплав на основі нікелю. Титановий сплав має хороші комплексні властивості при низьких температурах і широко цінується в країнах по всьому світу протягом багатьох років. При низькій температурі межа текучості титанового сплаву значно підвищується, приблизно в 3-6 разів, ніж у аустенітної нержавіючої сталі. Проте в’язкість до руйнування зменшується зі зниженням температури, приблизно від 0.25 до 0.5 аустенітної нержавіючої сталі. Оскільки щільність титанового сплаву набагато менша, ніж у нержавіючої сталі, а при низьких температурах теплопровідність низька, коефіцієнт розширення малий і немагнітний, він використовується як важливий низькотемпературний інженерний матеріал в галузі аерокосмічної техніки та надпровідності.
титановий сплав зі структурою бджіл при низьких температурах та інші об’ємно-центровані кубічні метали, його температура пластично-крихкого переходу (TPR) висока, коли температура знижується, пластична в’язкість зменшується, як правило, не може використовуватися при низьких температурах. TPR титанових і майжетитанових сплавів, як правило, дуже низька, і є хороша пластичність при низьких температурах, тому деякі міжнародно визнані низькотемпературні титанові сплави в основному належать до майжетитанових сплавів. Серед титанових сплавів титанові сплави, що містять менше, такі як Ti-6Al-4V ELI, також можуть добре використовуватися при температурах рідкого водню (22 К). Чистий титан і титанові сплави, такі як Ti-5Al-2.5Sn ELl, є ідеальними низькотемпературними конструкційними матеріалами при температурах рідкого гелію (4,2 К), але слід контролювати домішки, окрім складу сплаву, особливо вміст кисню і заліза. Збільшення вмісту заліза та кисню робить титановий матеріал крихким при низькій температурі, а збільшення фазово стабільних елементів, таких як залізо та марганець, легко призводить до крихкості з надрізами.
Колишній Радянський Союз був провідним у світі розробником і застосуванням низькотемпературних титанових сплавів, а також першими розробками титанових сплавів OT4, OT4-L, BT5-1KT, TT{ {5}}БКТ та інші сплави широко використовуються в ракетно-космічному обладнанні. Міцність цих сплавів зросла до 1400 МПа при 2 К, а відносне подовження залишилося вище 10%. Низькотемпературні титанові сплави, розроблені та застосовувані в Сполучених Штатах, в основному включають Ti-5Al-2.5Sn, Ti-8Al-1Mo-1V, Ti -6Al-3Nb-2Zr та інші низькотемпературні титанові сплави.
Китай у розробці та застосуванні низькотемпературного титанового сплаву, ніж Сполучені Штати та Росія, почав пізніше, Китай провів існуючі TA7, TC1, TC4 низькотемпературні випробування продуктивності титанового сплаву та дослідження застосування в "дев'ятому п'ятирічному плані". " період, розроблений придатний для низькотемпературної системи трубопроводів з титанових сплавів, система сплавів Ti-Al-Zr, Ti-A1-Zr-Mo. Ti-AIL-Sn-Mo, Ti-Al-Zr-Sn-Mo тощо.
Розробка та застосування столового титанового золота для герметичних деталей
Застосування кріплення з титанового сплаву за кордоном було дуже поширеним, і продовжують з'являтися різні нові кріплення. Великі цивільні витрати на окремі кріплення з титанового сплаву обчислюються сотнями тисяч штук. При тому самому індексі міцності титанові кріпильні елементи на 70% легші за масу сталі, а міцність титанового сплаву на втому та чутливість до концентрації напруги є кращими, ніж аналогічні види сталі, у різноманітних погодних смугах з високою стійкістю до корозії, тому застосування титанових герметичних кілець для авіаційної техніки є дуже важливим.
Розробка кріплення з титанового сплаву
Кріпильні вироби з титанового сплаву в основному використовуються в трьох типах матеріалів: перший тип є двофазним сплавом з низьким вмістом Mo, наприклад Ti-6Al-4V; Друга категорія — метастабільні сплави, включаючи III, Ti-44.5Nb, Ti-15-3 у Сполучених Штатах і TB2, TB3 і TB8 у Китаї; Третій клас - докритичний склад двофазних сплавів - типу, наприклад російського БТ16л. У наступній таблиці наведено характеристики кріпильних матеріалів із титанового сплаву.
Ti{{0}}Al-4V є двофазним сплавом з низьким вмістом Мо, який має найнижчий коефіцієнт стабільності (лише 0,27) і найвищий алюмінієвий еквівалент (до 6) з трьох сплавів . Таким чином, вміст бета-фази в відпаленому стані становить лише 7% (об'ємна частка). Його перевагами є найменша щільність, найкращі показники міцності і втоми, найпростіший склад, найнижча вартість напівфабрикатів. Однак, оскільки пластичність при кімнатній температурі недостатньо висока, при обробці кріплення необхідно використовувати індукцію
