揭秘：高性能钛合金如何打造航天梦

航天工业是一个国家经济实力和科技水平的综合体现,是国家综合国力强大的重要标志. 高性能钛合金及钛基复合材料在航天结构材料中的应用对于降低结构重量和提高飞行器的结构效率、服役可靠性及延长寿命具有极其主要的作用,因此近些年国内外钛合金研究和生产单位研发了大量高性能钛合金新材料,具有其他无法比拟的高比强度、高耐腐蚀性、高耐久性等特点.钛材料零部件,包括合金棒材、锻件、环材、管材、板材等在东方红卫星、长征系列火箭和系列導彈等关键结构中做出了巨大贡献.展望未来,航天工业对钛材料的需求将呈高速增长态势,钛及钛合金凭借其独特而优越的性能将会在航天市场大放异彩。

钛及钛合金在航天领域的当今应用中,钛应用最活跃的领域是航天.

1. 美国

美国钛及钛合金在航天工程上的应用始于1955 年,美国的火箭发动机壳体材料广泛使用了钛合金.钛合金还广泛用于各种结构件."阿波罗"宇宙飞船共有约50 个压力容器,其中85% 是用钛制成.大力神Ⅲ过渡级发动机,改用钛合金推进剂贮箱后重量减轻35%."阿波罗"号宇宙飞船的托架、夹具和紧固件均用钛制成,共使用68 吨钛材.航天工程用的压力容器中也使用了大量的钛材,使用最多的是Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Sn.導彈的弹头上也使用了钛合金.美国大多采用辐射冷却式发动机喷管,这种喷管的一部分用钛合金制造.

美国生产的Ti3Al 基钛合金Ti-21Nb-14Al 和Ti-24Al-14Nb-3V-0.5Mo 钛合金箔材已制成導彈尾翼和燃烧室喷管密封片等.美国的超高声速载人飞行器的热防护系统采用了Ti1100 钛合金作为防热瓦,火箭运载器X-33 采用钛合金作为其机身背风面大面积防热系统材料.美国钛公司(Timet)研制的β21S(Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si)已被美国国家宇航局确定用于美国国家航空航天飞机的机身和机翼壁板.美国的Bodycote、ADMA等公司采用粉末冶金方法生产各种導彈武器用的钛合金部件.美国的休斯公司、BAE 公司等采用超塑成形技术制造钛合金導彈外壳,推进剂贮箱等,不但减轻了重量,而且减少费用30% ~ 40%.

2. 日本

日本在火箭上应用钛合金的历史可追溯到1968 年.日本首颗试验卫星"大角"号使用了Ti-2Al-2Mn 钛合金.

其他应用的例子有机翼的前缘部位、喷嘴的夹持器、多级火箭的断裂接头部位等.日本研制的低温结构钛合金LT700(Ti-3Al-5Sn-1Mo-0.2Si)已用来制作液氢涡轮泵.

3. 俄罗斯

1957 年10 月,世界上首颗人造地球卫星Sputnik1 在俄罗斯发射成功,开创了人类航天新纪元.

4. 中国

中国在"太空之路"上已取得了令世界瞩目的成就.从1970 年4 月24 日长征一号运载火箭将"东方红一号"卫星送上预定的轨道以来,我国已经发射了长征系列运载火箭和神舟系列飞船,这些航天器上均使用了钛材.如我国研制的液氢环境下使用的低温TA7ELI 钛合金气瓶已用于CZ-XX 系列运载火箭;我国还用BT20 钛合金制造導彈的外壳体和燃料油箱壳体;用TC4ELI 钛合金制造运载火箭的低温液氧、液氢高压气瓶等.

我国载人飞船各舱段的结构材料的内部结构为耐热钛合金;我国航天飞机的轨道器的支承主发动机的推力结构用钛合金制造.此外,钛合金还用于制造火箭机盘、導彈基座构件、導彈动力叶片套等.

正反红作为国内首個在钛合金等记忆合金领域取得卓越成绩的企业，已成功突破记忆合金相变温度±1°，在钛合金等高新材料的研发技术水平跻身世界前列。

钛合金手表

我国研制的TB2 合金(Ti-3Al-5Mo-5V-8Cr),于1984 年首次应用于卫星星箭连接带,目前已用于各种型号卫星20 多次;TB10 合金(Ti-3Al-5Mo-5V-2Cr)已用于航天结构件、飞机机身、机翼结构中的锻造零件;NINCT20 钛合金不仅可用于火箭发动机管路系统,而且还可广泛用于宇航工业形状复杂的低温管路系统.此外,我国制造的航天钛手表也引起了世人的关注.这种钛合金手表重量仅为94 克,且精確无比.

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文章转载至《中国腐蚀与防护网》

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