钛合金焊接结构在先进飞行器中的应用及发展

孙培业

摘要：本文主要介绍了钛合金在先进飞行器中的有效應用，结合飞行器的研究现状和钛合金的工艺特性对其进行分析，希望能对相关研究人员给予一参考和帮助。

关键词：钛合金；飞行器；工艺特性；应用

飞行器对人们的日常出行和保卫国家的安全具有重要的作用，因此，关于飞行器的研究一直在进行，特别是针对制造飞行器的材料方面。由于飞行器工作过程中一些重要部位需要使用质轻且强度高，耐高温腐蚀等材料，经过长时间的研究和实验发现，钛合金材料最符合当前飞行器制造过程中的要求，与此同时，与航空事业相关的特种焊接技术也得到快速的发展，由此而形成的钛合金焊接结构航空飞行器的制造提供了重要的技术支持，也为进一步推动航空飞行器的发展起到了积极的作用。

一、钛及钛合金材料的特点

钛合金从上世纪六十年代开始被广泛使用，近些年，随着航空航天事业的飞速发展，飞行器在制造的过程中对材料的性能要求逐渐提升，而钛合金具有的优越性能也使其成为了在飞行器制造过程中使用最多的材料。相较于目前在工业领域使用最多的钢结构材料来说，钛合金具有以下四个突出的优点：第一，密度小，其密度仅为4.5g/cm3，同等体积的情况下，钛合金材料的质量仅为钢材的百分之六十，这对于航天飞行器来说是一个不可多得的优点；第二，熔点高，航天飞行器在使用的过程中，在穿越大气层的时候必然会与空气发生摩擦从而导致飞行器表面温度升高，普通材料无法承受该温度会发生融化，严重情况下导致飞行器机身损毁，而钛及钛合金材料所具有的耐高温特性，其所能承受的温度最高可达1668℃，使用该材料做成的飞行器外层保护涂层可以有效防止运行过程中因高温造成的壳体融化，对飞行器内部结构起到有效的保护作用；第三，韧性好，钛及钛合金材料在低温状态至温度为500℃之间都能保持很好的韧性，能够满足飞行在不同环境下的工作条件；最后一点则是钛及钛合金具有很高的强度，在使用的过程中作为飞行器机壳材料能很好的防止外部撞击，并对内部的物体和结构起到很好的保护作用。除此之外，钛及钛合金还具有很好的耐腐蚀能力，飞行器需要在超高温、真空、强腐蚀、超低温等一些极端的环境条件下工作，而钛及钛合金材料所具有的一些优点能够帮助飞行器在极端条件下正常的运行，因此，使用钛及钛合金材料能够帮助飞行器安全且高效的工作。

二、钛及钛合金焊接结构在先进飞行器中的有效应用

（一）钛及钛合金焊接结构的问题

钛是一种化学性质非常活泼的金属，由钛及其合金组成的材料在进行焊接的过程中，受高温熔融、低温或常温冷却等过程的影响，势必会对材料内部的晶体结构产生影响，从而会对最终形成的钛合金结构件的力学性能造成不利的影响。

总的来说，经过焊接成型的钛合金结构产生的主要问题有以下两个方面；第一，氧化和氮化，在高温熔融的过程中，钛及钛合金可以与周围环境周的H、O、N等元素发生化学反应，从而在结构内部形成孔隙，而这些孔隙在形成后很难消除，并会影响最终形成结构的塑性；第二，体积异变和脆化，钛合金材料在高温焊接的过程中极易发生同素异构的变化，由此造成材料内部的晶格常数发生变化，导致材料的体积出现变化，使得焊接结构件内部晶粒粗大，而在钛合金本身具有的热传导率低，导热性差的特点也会使得焊缝的熔池在高温区域长时间停留，这种情况下材料在进行组织转变的过程中会使得焊缝处的金属结构发生脆化，降低了该结构件的强度。

（二）钛及钛合金焊接结构在先进飞行器中的有效应用

在最初的应用中，上述缺陷问题阻碍了钛及钛合金焊接结构的发展，但是进入到二十一世纪后，随着材料科学研究的进步和发展，针对钛合金焊接结构的一些缺陷问题也得到了解决，另外一些无法避免的问题则通过研究新的钛合金材料种类去替代，由此也为飞行器的研究和发展带来更多的发展动力。目前，美国和俄罗斯在钛及钛合金焊接结构应用于先进飞行器的研究方面处于世界领先的地位。

美国作为世界上的军事大国，拥有世界最先进的战斗机，为了满足战斗机本身安全性、隐蔽性和机动性，相关专家选取几种不同的钛合金材料，包括了对高强韧钛合金Ti62222S和高温钛合金Ti6Al4V等，通过结合钛合金材料的应用部位及结构，综合分析了材料的性能，通过综合对比结果发现Ti6Al4V合金所具有的综合性能最符合飞行器工作环境的需求，其韧性好，可塑性强，同时还具有良好的损伤容限，此外该合金还具有良好的焊接工艺性，能够在焊接后最大程度保持原有的特性，由此，Ti6Al4V成为了第一代大量应用于飞行器关键部位制造的钛合金材料，但是，随着时间的流逝，该合金制造的飞行器在应用过程中也体现出来一些问题，例如，耐热性和冷加工特性差且制造工艺流程十分复杂等，这些问题迫使有关方面的专家继续对钛合金进行研究，并在此基础上发现能替代该合金且综合性能更优越的材料，之后成功研究出来的Ti1100便是能替代Ti6Al4V的新的合金种类，目前一杯大量应用于飞行器机身及其他重要的部位。

俄罗斯的军事力量是世界上唯一能与美国相抗衡的国家，每年都会花费大量的人力、物理和财力在军事研究上，在最初发现钛合金焊接结构在飞行器制造行业存在着巨大的发展潜力时，便将对该结构的研究纳入政府计划研究板块，并对此进行了大量的实验研究，最终成功将钛合金焊接结构件应用于起苏27战机的主承重部分，不仅降低了战斗机本身的重量，而且节约了战斗机的制造成本，为该国的军事大国地位奠定了良好的基础，随后俄罗斯加大力度对钛合金焊接结构进行研究，并在之后的战斗机中大量使用钛合金材料，在不减少战斗机作战能力的前提下多次提升战斗机的综合作战能力。

三、总结与发展

钛合金的出现带领世界制造业向优质轻型发展，同时也为世界各国的军事航空事业打开新的研究之门。随着各国对军事航空事业的重视和深入研究，在不久的将来，钛合金焊接结构将会在世界制造业的大舞台上大放光彩。

参考文献：

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