浅谈钛合金焊接结构在先进飞机中的应用及发展

毛艳蕾 赵国庆 陈泽龙

91206部队 山东 青岛 266108

1 钛合金的焊接技术

1.1 钛合金的特点

在近20年的飞机制造业发展中，钛合金结构的应用中，全面提高了飞机结构的质量，主要依托钛合金本身具备的特殊性能。对钛合金这种特殊材料来说，其具备以下特点：①首先，钛合金的密度很小，室温状态下，钛元素的密度仅为4.5g/cm3，相当于钢材料的60%，并且钛合金的屈服极限与抗拉强度都要比钢材料与铝材料高很多。②其次，钛合金具有超强的韧性，及时在500℃的高温环境下，钛合金已然能够展现出良好的耐腐蚀能力，同时热传导率也比较低，弹性模量也很低，仅为钢材料的55%。③再次，钛合金还具有良好的抗裂纹生长能力以及抗腐蚀了，材料强度也比较大，能够展现出良好的耐热性和持久强度。④最后，钛合金还具有超高的熔点，最高温度可以达到1668℃，同时线性膨胀系数较小，钛元素本身为同素异构特性，在常温状态下呈密排六方结构，当温度超过882.5℃时，呈现体心立方结构[1]。

1.2 钛合金焊接技术存在的问题

钛合金作为一种特殊的合金材料，其具有十分活泼的金属性质，同时又是高熔点材料。在一般情况下，钛合金的多晶体材料能够展现出良好组织与性能，并且凭借其优越的物理特性和化学特性，使得钛合金在焊接过程中具有特殊的工艺特点。钛合金是的力学性能对组织的要求很大，在焊接过程中需要经过复杂的化学过程，包括加热、熔化、反应、冷却和固相等环节，并且每个环节都要对温度和成分进行合理把控，对条件的要求比较苛刻，同时在焊接过程中也会出现热收缩、膨胀、参与变形的问题，不但改变了材料本身的性质，同时也会产生有害气体，甚至造成接头硬化、裂纹和残余应力的问题，导致钛合金材料性能改变，所以，钛合金焊接技术过程十分复杂，主要的问题也包括以下几点：①首先，钛合金材料很容易出现氧化现象，当温度达到300℃、500℃、600℃时，会不断吸收氢、氧、氮，然后引发氧化反应，特别是在钛合金的高温状态下，对氢、氧、氮元素极具亲和力，能够加快氧化反应，降低接头的塑性。②其次，钛合金的熔点在室温达到熔点的温度变化中，实现了同素异构的转变，当温度低于882.5℃时，钛合金又以密排六方结构存在，当温度升高至882.5℃时时，钛合金呈体心立方结构存在。由此可见，在高温焊接环境下，钛合金的结构常数发生了改变，影响了体积变化，从而热影响钛合金的性能。③最后，钛合金是一种页数的铸态组织，具有输送、粗晶、气孔和偏析等缺陷，尤其是当温度超过300℃焊接时，会吸收大量杂质，从而产生较高的静压力。

2 国外飞机上钛合金焊接结构的应用

目前最优秀的飞机国外高度重视它的制造水平，用以满足长距离作战需求，战机注重新材料和新结构的运用，从而人更好地发挥出他的高机动型与高速飞行，同时也满足隐身能力，飞机主要采用多种不同型号的钛合金结构，包括Ti-6-4ELI、Ti-6-222、Ti-10-2-3、Ti-15-3、Ti-3-2.5等六种钛合金。此外，针对钛合金材料的经历、可塑性、疲劳特性、焊接性能、隐身性能和机械加工特点进行测试研究，从而实现各个因素的平衡。Ti-6-4ELI钛合金材料具有良好的韧性，在退火状态下应用，能够表现出卓越的损伤容限与加工特性，在飞机中应用大量的Ti-6-4ELI钛合金结构，能够发挥出良好的性能效果。国外一直没有停止先进飞机的钛合金材料研究，并高度重视钛合金结构的工艺水平，在50-70年代初期，国外就在钛合金制造领域取得了巨大的成果，并不断的应用到飞机制造领域中，针对不同的机体结构需求，从非承力构件到重要承力构件，从板材扩大到型材，最终实现大型锻件，在壁板、翼肋环节中实现了钛合金结构的应用，并结合不同部位的特点，实现了良好的焊接结构。国外在航天工业发展中实现了先进的焊接技术，并一直处于世界领先行业，近年来实现了飞速发展，认为钛合金焊接结构是先进飞机在不可缺少的重要结构，全面研究钛合金焊接结构的应用价值，积极探索钛合金焊接植被技术手段，促进新型飞机的性能水平提升[2]。

3 钛合金焊接结构在我国现今飞机中的应用

随着我国经济水平的不断提升，在航空航天事业上取得了较大的突破，近年来，我国不断发展航空工业，并在飞机的制造中广泛应用钛合金材料结构，并对一些钛合金紧固件实现了全面发展，我国战机飞机中，钛合金结构材料的运用能够实现良好的疲劳性、损伤容限、耐腐蚀性，同时建造成本也在可接受范围内，实现了结构整体化与轻量化性能的发展。在我国的飞机中选择了6个钛合金牌号，其中包括低强高塑性、中强中韧性、中强高韧性、高强高韧性和系统用材等，并凭借着钛合金自身的结构特点，广泛应用在机身、机翼、吊挂和接头处，发挥出了综合力学性能优势，推动了我国航空航天领域的发展。

4 钛合金焊接结构的应用发展

随着钛合金的不断研究与开发，逐步成为轻型结构的重要材料，目前，钛合金焊接结构的应用越来越广泛，特别是在航空航天领域中，占据了重要的地位，同时对钛合金的结构和性能进行了全面优化，促进了先进飞机的应用和发展。在现阶段的大型军用飞机中，对尺寸和速度提出了更好的要求，同时还要具备高机动性，因此，钛合金焊接结构的研究，解决了航空制造的关键问题，也体现出了明显的焊接优势，焊接技术也由原来的非户主制造变成了飞机制造的关键技术，促进了新型飞机的设计与发展。