航空航天系统结构材料研究进展综述 ⑾

全钛SR-71黑鸟的前视图
 

 

航空航天工业，包括空气框架制造商和发动机制造商，都表示需要新的高温铝合金。它可以在150°C的温度下成功运行，用于超音速机身或发动机部件。出于经济考虑，合金开发不能再使用过去100年中占主导地位的纯经验、试错法。建模和仿真以及实验可用于提高合金设计的效率，优化加工和制造操作。这种方法可以大大缩短合金开发和将新材料插入航空航天系统所需知识库生成的时间。流线型合金设计的一种方法如图14所示。第一步是选择一个系统，该系统提供获得所需微观结构和性能的承诺，以满足所述目标，这是通过广泛的文献搜索和对可用数据的评估来实现的。选择系统后，需要确定提供最大潜力以实现项目目标的相空间。

图14 显示典型合金开发活动主要元素的流程图。

 

由于相图表示合金状态与温度、压力和合金浓度的函数关系，因此相图可用于确定理想的相场。通常情况下，复杂合金系统的相图尚未确定，必须使用CALPHAD等程序进行计算。该方法基于系统中相竞争的思想，通过对各个相的热力学建模，建立相之间的平衡。根据相稳定性、测量的热力学性质和测量的转变点（包括液相线、固相线、共晶等），对相进行建模。

 

Kattner的一篇文章对相图计算中热力学函数的使用进行了极好的概述。这种计算减少了确定多组分系统平衡条件所需的工作量。Dubost阐述了轻合金（如铝）的工业应用和平衡相图的测定。材料设计现在可以被视为预测具有所需性能的合金合成的可用模型的最佳应用。当然，所有的理论计算都必须通过实验来验证，但实验应该基于可靠的理论，而不是尝试错误的方法。

 

一旦确定了合金系统和相场，可通过位错模拟方法确定最大强度所需的最佳沉淀结构和形态。通过模拟方法获得的知识已在一些铝合金中得到验证。对于高温应用的合金，析出物结构的热稳定性是重要的，必须同时考虑相粗化和相竞争。单一第二相的粗化在热力学上归因于第二相与铝基体之间的总界面能降低的趋势。界面能由化学能和相关应变能组成。

 

使用VASP等程序进行的第一性原理计算可用于通过向界面或内部沉淀结构添加选定的微量元素来计算界面能以及总能量和界面能的变化。这种计算将有助于选择微量元素，有望在不使用试错法的情况下减少沉淀的粗化。该程序也可用于验证晶体结构和计算弹性常数。第二相弹性常数的定量数据是确定强化机制的重要基础。这些参数也在决定第二相粒子的习惯面和平衡形状的演化中起作用，因为它们决定了与晶格失配相关的弹性应变能。一旦确定了候选合金，就必须通过机械性能测试等对方法进行评估。但这种方法应能简化合金设计，从而有助于早期插入新的高性能材料。

 

2.1.5.钛合金在飞机上的应用

 

几十年来，钛合金在军用和商用飞机上都被用于特殊用途。除了上文所述的高速军用飞机SR-71外，钛合金还可用于重型结构，如战斗机的舱壁、B1-B轰炸机的翼盒和波音747的起落架横梁。这些组件在图15、图16、图17中示出。在每种情况下，选择钛合金是因为与铝合金相比，钛合金具有相同或更好的密度校正强度、良好的损伤容限和优异的耐腐蚀性。三种应用广泛使用α+β合金Ti-6Al-4V（Ti-6-4）。高强度合金的损伤容限（韧性和裂纹扩展）通常会降低。

 

图 B1-B轰炸机机翼盒扩散焊接照片

 

对于断裂临界结构，即静态强度的结构，不稳定裂纹扩展开始前的临界裂纹尺寸与参数(KIc/YS)2成正比。因此，在韧性没有相应增加的情况下加入更高强度的合金会增加灾难性失效的风险，这通常是不可接受的。除了钛合金的固有机械性能外，耐腐蚀性使其具有吸引力，尤其是对于嵌入飞机中的部件，因此，很难检查腐蚀侵蚀。与高强度铝合金相比，钛合金具有更好的抗一般腐蚀性和抗剥落腐蚀的基本免疫力。

 

钛合金也可用于其较高强度允许物理较小结构构件承载相同载荷的情况，即使由于钛合金密度较高，因此没有重量优势。后一种情况的一个例子是图17所示的起落架横梁。从严格的结构效率角度来看，铝合金将具有可比性，且价格将大大降低。然而，如果选择了铝合金，起落架横梁将无法安装在机身的可用空间内，从而造成空气动力学损失。

 

钛合金也是高强度钢的非常好的替代品，即使在最高强度水平下，钢的结构效率也相当高。这里的问题是，当强度水平>1250 MPa时，钢对氢脆的敏感性变得更高。使用强度高于此值的钢材需要使用保护涂层，如油漆或镀镉或铬。前者需要定期维护以修复划痕和缺口，而后者由于环境和健康危害的原因正在逐步淘汰。大多数商用飞机的起落架传统上由高强度钢制成，如AISI 4340，热处理强度为1800–1900 MPa。

 

服务历史表明，尽管使用了严格的维护程序，但仍经历了多次氢脆故障。最近，一种高强度β合金Ti-10V-2Fe-3Al（Ti-10-2-3）被选为波音777的起落架。对于该应用，将Ti-10-2-3热处理至1250 MPa强度水平。尽管成本增加，使用Ti-10-2-3的决定取决于实现重量减轻和消除氢脆失效风险的能力。这是直接归因于材料的附加客户价值的一个很好的例子。B-777起落架如图18所示。先前提到的新型超大型空中客车飞机（A-380）似乎也将使用钛合金起落架，尽管合金的选择尚未最终确定。这种选择的驱动因素也是重量减轻，如果考虑铝合金，可能还有可用空间。钛合金在起落架上的这种相对较新的应用是由于对β合金的理解和生产能力的提高而得以实现的。

图为波音777的起落架总成。水平锻件为Ti-10-2-3，是目前使用的最大的β合金锻件。

 

β合金在大型飞机上的另一个相对较新的应用是弹簧。这些钛合金弹簧取代钢弹簧，重量显著减轻，也无需涂漆保护。由于弹簧通常承受扭转载荷，因此断裂问题不太重要。因此，具有极高强度但低拉伸延展性的β合金可以安全使用。合金经过冷拉或轧制，卷绕成弹簧并进行时效处理，以达到超过1400 MPa的强度。相对较低的β合金模量（60–100 GPa）加上较高的屈服强度，允许弹簧具有非常大的弹性位移范围，这也是有益的。几种β合金弹簧的示例如图19所示。几种βTi合金常用于弹簧，包括Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr（βC）和Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn。

图19所示图为波音飞机上使用的三种β合金弹簧。

 

在耐腐蚀性是首要考虑因素的情况下，钛合金也被用于飞机。钛合金在与碳纤维复合材料接触时表现出良好的电偶兼容性，而铝合金则没有。因此，随着每一代飞机复合材料的使用增加，使用钛合金作为配件和附件以缓解电偶腐蚀的需求也增加了。这些配件和附件通常负载不重，因此是使用钛铸件的主要机会，钛铸件的成本低于机加工锻件或装配组件。钛铸造技术在过去15-20年中取得了进步，可以生产出复杂的净形状。这种铸件已经在飞机发动机上使用了好几年，但飞机设计师采用这项技术的速度很慢。

 

军用运输机上使用的铸件示例如图20所示。这种单件铸件取代了由22件组成的装配件，从而大大节约了成本。经过热等静压（HIP’d）的钛合金铸件不存在孔隙，因此具有与具有相同微观结构的锻造产品相当的疲劳强度。这与铝合金的情况相反，在铝合金中，气致孔隙很常见，并且这种孔隙不能通过热等静压处理来封闭。这导致铝铸件采用铸造系数，这会影响其结构效率。对于热等静压钛合金铸件，没有类似的需求，这使得设计过程更直接，并在结构效率方面产生更具吸引力的结果。这一点也将在飞机发动机使用Ti时再次提及。

 

另一种替代加工锻件或加工板材的方法是一种新工艺，称为激光增材制造（laser Additional manufacturing）。在这个过程中，粉末被送入激光束，激光束将粉末熔化并将熔化的金属沉积在平坦的基板上，形成一个直立的肋。该肋不一定是直的，并且可以呈曲线形状，因为工件在激光下移动，并由计算机数控伺服机构引导，其方式与数控机床中的机床相同。这一工艺虽然仍在开发中，但在某些情况下，替代工艺需要去除高达80%的起始重量的情况下，展示了制造净形状的前景。
 

图21 由激光增材制造的带有深凹的钛合金形状。

 

关于该工艺还有一些尚未回答的问题，包括粉末的成本和控制孔隙率的能力，但这是一种提高输入材料利用率的有吸引力的方法，特别是对于那些必须通过机械加工产生深槽的设计。图21显示了通过激光添加制造制造的零件示例。

 

最后，直升机旋翼使用高强度钛合金，使得飞机的总重高于最初的预