Angesichts der wichtigen Rolle von Titan in den Bereichen Verteidigung, Luftfahrt, Hightech und anderen Bereichen wird es von den Vereinigten Staaten, Russland, Großbritannien, Frankreich und anderen Militärmächten sowie Japan und anderen Ländern hoch geschätzt und wird als aufgeführt strategisches Strukturmetall mit strategischer Bedeutung im 21. Jahrhundert. Die Entwicklung der Titanwissenschaft und -technologie, einschließlich neuer Legierungen, neuer Schmelztechnologie, neuer T-Technologie und Anwendungstechnologie, unterliegt schnellen Veränderungen. Chinas Titanindustrie hat fast 40 Jahre lang Höhen und Tiefen erlebt, mit der Unterstützung des Staates große Fortschritte gemacht und ein eigenes unabhängiges Titanindustriesystem aufgebaut. Basierend auf der Produktion von 1.751 t Titanschwamm und 2.206 t verarbeitetem Titanmaterial in China im Jahr 2000 belief sich die Produktion von Titanschwamm in China im Jahr 2008 auf 49.632, was einem Anstieg um das 27,3-fache in 8 Jahren entspricht; Im Jahr 2008 produzierte China 27.737 Tonnen Titan-Stoßmaterial, was einer Steigerung um das 11,6-fache entspricht.
Aufgrund der hohen Kosten für Titanlegierungsrohstoffe werden 70 bis 80 % der ausländischen Titanmaterialien in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet. Besonders groß ist auch die Nachfrage nach Titanlegierungen im chinesischen Luft- und Raumfahrtbereich. Derzeit beträgt der Anteil der in modernen Flugzeugen in China verwendeten Titanlegierungen etwa 10 bis 12 %, und der Anteil der in Militärflugzeugen verwendeten Titan ist höher, etwa 20 bis 30 %, und der Anteil des in Militärflugzeugen verwendeten Titans Motoren beträgt mehr als 30 %. Auch die Menge an Titan, die in neuen Raketen und Flugkörpern verwendet wird, nimmt zu.
Entwicklung und Anwendung struktureller Titanlegierungen
Mit der schrittweisen Änderung des Flugzeugdesignkonzepts von der einfachen statischen Festigkeit in der Vergangenheit über Sicherheit – Leben, Schaden – Sicherheit bis hin zum modernen Designkonzept für Schadenstoleranz. Fortschrittliche Titanlegierungsmaterialien entwickeln sich allmählich auch in Richtung Schadenstoleranz-Titanlegierungen mit hoher Bruchzähigkeit und geringer Risswachstumsrate. Gegenwärtig stehen ausländische Industrieländer an der Spitze der Entwicklung neuer Titanlegierungsmaterialien mit Schadenstoleranz und der Anwendung fortschrittlicher Flugzeuge, insbesondere des mittelfesten Ti-6Al-4V ELI und hoher Festigkeit -starkes Ti-6-2222S, das in den Vereinigten Staaten F-22, F-35 und C-17 und anderen Flugzeugen der neuen Generation erfolgreich eingesetzt wurde. Die Lebensdauer und Kampfeffektivität des Flugzeugs werden erheblich verbessert. Mit der Entwicklung des Flugzeugdesignkonzepts hat auch die Designidee der Schadenstoleranz bei Titanlegierungsstrukturen in China begonnen, Aufmerksamkeit zu erregen. Seit dem „Zehnten Fünfjahresplan“ hat China unabhängig voneinander die mittelfeste und hochzähe Schadenstoleranz-Titanlegierung TC4-DT und die hochfeste und hochzähe Schadenstoleranz-Titanlegierung TC21 entwickelt und die Verarbeitung etabliert Technologie der Schadenstoleranz-Titanlegierung, die den Grundstein für die Materialanwendungstechnologie für die Entwicklung neuer Flugzeuge in China gelegt hat. Um den Entwicklungsbedarf von Titanlegierungen für Luft- und Raumfahrtstrukturen zu decken, hat China unabhängig niedrigfeste und hochfeste Drahttitanlegierungen (NbTi) und Rohrlegierungen (TAl8) mit ultrahoher Festigkeit der Serie 1300 MPa bis 2000 MPa entwickelt Titanlegierungen (TB8, TBl9, TB20) usw. Zunächst wurde ein neues Titanlegierungsmaterialsystem für Flugzeugstrukturen mit chinesischen Merkmalen entwickelt und eine neue Generation von Titanlegierungs-Anwendungsrahmenstrukturen für Luft- und Raumfahrtstrukturen entwickelt.
Ti-6Al-4V(TC4) ist eine Titanlegierung mit mittlerer Festigkeit, die in den frühen 1960er Jahren entwickelt wurde und hervorragende umfassende Eigenschaften aufweist. Sie ist als Universallegierung bekannt. Die TC4-Titanlegierung ist die früheste und am weitesten verbreitete Titanlegierung Luft- und Raumfahrtstruktur aus allgemeinen Titanlegierungen, einschließlich Platten, Stangen sowie Schmiede- und Gussteilen. Die Legierung weist gute Schweiß- und Bearbeitungseigenschaften auf, und die feinkörnige Legierung ist superplastisch, und komplexe Komponenten können durch den Kombinationsprozess superplastische Formung/Diffusionsverbindung (SPF/DB) hergestellt werden.
Hochfeste strukturelle Titanlegierungen beziehen sich im Allgemeinen auf Legierungen mit einer Zugfestigkeit über 1000 MPa, die derzeit das internationale Spitzenniveau darstellen und praktische Anwendungen in Flugzeugen finden, hauptsächlich metastabile Legierung Ti-15-3, 321s, nahezu Legierung Ti{ Zweiphasen-Titanlegierungen vom Typ {6}} und - -BT22. Durch den Ersatz des hochfesten Baustahls 30CrMnSiA, der üblicherweise in Flugzeugstrukturen verwendet wird, durch eine hochfeste Strukturtitanlegierung kann das Gewicht um mehr als 20 % reduziert werden.
Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo(TC21) ist eine Art zweiphasiges Titan mit hoher Festigkeit, hoher Zähigkeit und Schadenstoleranz Legierung, die in den 1970er Jahren entwickelt wurde. Die Legierung bietet die Vorteile einer hohen Festigkeit, einer guten Schadenstoleranz und einer hervorragenden Fähigkeit zur Ermüdungsrissausbreitung nach der thermisch-mechanischen Behandlung, was sich für die Herstellung hochfester und hochfester tragender Komponenten eignet. Durch die Zugabe des Si-Elements behält die Legierung eine höhere Festigkeit bei mittlerer Temperatur, was besser ist als bei Ti-6AI-4V. Das Legierungsblech kann bei Raumtemperatur superplastisch geformt werden.
Ti-10V-2Fe-3Al(TB6) ist eine hochfeste und zähe Titanlegierung, die Ende der 1970er Jahre entwickelt wurde. Die Legierung hat die Vorteile einer hohen spezifischen Festigkeit, einer guten Bruchzähigkeit, einer großen Abschreckfläche, einer kleinen Anisotropie, einer guten Schmiedeleistung und einer starken Korrosionsbeständigkeit und weist viele Vorteile einer metastabilen Titanlegierung ohne Verlust auf (IT-B-Mischkristalleigenschaften der Titanlegierung, Dose). Erfüllen Sie die Anforderungen an ein schadenstolerantes Design und hohe strukturelle Vorteile, hohe Zuverlässigkeit und niedrige Kosten sowie eine maximale Betriebstemperatur von 320 Grad. Die Hauptprodukte der Legierung sind Stangen, Schmiedeteile, dicke Platten und Profile Bruchzähigkeit kann durch Lösungs- und Alterungswärmebehandlung erreicht werden, die für die Herstellung von Strukturteilen mit hohen Anforderungen an Festigkeit und Bruchzähigkeit geeignet ist. Durch thermomechanische Behandlung, die für Strukturen geeignet ist, die eine hohe Bruchfestigkeit erfordern, kann eine hervorragende Zähigkeit und eine geringe Risswachstumsrate erreicht werden Zähigkeit.
Entwicklung und Anwendung von Hochtemperatur-Titanlegierungen
Thermische Festigkeit und hohe spezifische Festigkeit werden in Flugzeugtriebwerken häufig eingesetzt. Hochtemperatur-Titanlegierungen werden hauptsächlich in Lüftern und Kompressoren von Flugtriebwerken verwendet, beispielsweise in Kompressorscheiben, Schaufeln, Navigatoren, Verbindungsringen usw. Durch die Verwendung einer Titanlegierung anstelle der ursprünglichen Superlegierung auf Nickelbasis kann das Gewicht des Kompressors um 30 bis 35 % reduziert werden. Der Anteil des Titanverbrauchs in ausländischen fortschrittlichen Flugtriebwerken hat 25 bis 39 % erreicht, so macht der Titanlegierungsverbrauch des F100-Motors 25 % des Gesamtgewichts des Motors aus, der V2500-Motor 31 % und der F119-Motor 39 %. Der Entwicklungsbedarf von Hochleistungsflugzeugtriebwerken trieb die Entwicklung von Hochtemperatur-Titanlegierungen voran. In den 1950er Jahren wurde der Temperatureinsatz allmählich von der Ti-6Al-4V-Legierung, vertreten durch 400 Grad, auf die IMl834-Legierung ausgeweitet dargestellt durch 600 Grad. Oberhalb von 600 Grad sind der starke Rückgang der Kriechfestigkeit und der Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen die beiden Haupthindernisse, die die Entwicklung von Titanlegierungen auf höhere Temperaturen beschränken. Daher gilt 600 °C als „Wärmebarriere“-Temperatur für die Entwicklung von Titanlegierungen.
Im Laufe der Jahre haben Europa, die Vereinigten Staaten, Russland und andere entwickelte Länder in der Luftfahrtindustrie großen Wert auf die Forschung und Entwicklung von Hochtemperatur-Titanlegierungen gelegt, um den Anforderungen leistungsstarker Flugzeugtriebwerke gerecht zu werden Temperatur-Titanlegierung, verwendet bei 350–600 Grad. Die ehemalige Sowjetunion entwickelte in den späten 1950er Jahren BT6, BT3-l, BT8, BT9 und andere Qualitäten von Titanlegierungen, und in den 1960er und 1970er Jahren wurden BT18- und BT25-Legierungen entwickelt. Seitdem wurden BTl8y, BT25y, BT8M, BT8-1 und BT8M-1 sowie andere Qualitäten von Hochtemperatur-Titanlegierungen verbessert, um die Leistung und Lebensdauer von Hochtemperatur-Titanlegierungen zu verbessern auf Basis der Originallegierungen.
In den letzten Jahren wurde die Titanlegierung BT36 für HK8-, IIC90A- und andere Motoren entwickelt. In ähnlicher Weise werden in den Vereinigten Staaten auch Ti64, Ti811, Ti6242 und andere Titanlegierungen in JT90-, F-110- und anderen fortschrittlichen Motoren verwendet. Die wichtigsten technischen Indikatoren typischer Hochtemperatur-Titanlegierungen sind in Tabelle 2 aufgeführt.
Russlands Entwicklung von Hochtemperatur-Titanlegierungen ist sehr perfekt und ausgereift und bildet ein komplettes System von Titanlegierungen. Es gibt zwei oder drei optionale Hochtemperatur-Titanlegierungsgrade auf einem bestimmten Temperaturniveau, zum Beispiel sind die Legierungen, die bei 500 Grad verwendet werden können, BT8, BT9 und BT8-1, bei 550 Grad sind BT25 und BT25y und bei 600 Grad sind BTl8y und BT36. Russland empfiehlt BT25y für die Roulettescheiben und Rotorblätter, die bei 450-550 Grad C in Hochdruckkompressoren von Flugzeugtriebwerken verwendet werden, und BTl8y für die Roulettescheiben, die bei 550-600 't3 verwendet werden. Obwohl der BT36 entwickelt wurde, scheint er nicht die entsprechende Aufmerksamkeit erhalten zu haben. China hat die russische Produktion von BT36-Legierungsplatten und -stangen eingeführt. Nach der Analyse gibt es eine starke Komponententrennung auf den Legierungsplatten und -stangen, das Problem der Gleichmäßigkeit der Zusammensetzung wurde nicht gut gelöst und die Hochtemperaturleistung hat das nicht erreicht Niveau der IML834-Legierung.
Die britische Hochtemperatur-Titanlegierung hat sich am ausgereiftesten entwickelt und verfügt über ein eigenes unabhängiges System, das eine Titanlegierungsserie bildet, die bei unterschiedlichen Temperaturen verwendet wird. Bisher ist die IMl685-Legierung die am weitesten verbreitete und die größte Anzahl an Hochtemperatur-Titanlegierungen im Vereinigten Königreich, wie z. B. der Motor der RB211-Serie, der RBl99-Motor, der Adour-Motor und der M53-Motor. Die Legierung IMl829 wird im Hochdruckkompressor des RB211-535C-Motors verwendet. Die hintere 3-Stufenscheibe, die Trommel und die Hinterachse sind durch Elektronenstrahlschweißen integriert, wodurch das Nickelbasislegierungsmaterial bei RB211-535C ersetzt wird und das Gewicht des Rotors um 30 % reduziert wird. Die erfolgreiche Entwicklung der IMl834-Legierung hat eine solide technische Unterstützung für einige Hochleistungstriebwerke bereitgestellt. Obwohl die Entwicklungszeit nicht lang ist, wurde sie bei einer Vielzahl von Triebwerken getestet und angewendet, beispielsweise bei der Boeing 777-Flugzeugauswahl ziviler Großtriebwerke Trent700 (Turbulenz): Alle Räder, Trommeln und hinteren Wellen des Hochdruckkompressors bestehen aus einer IMl834-Legierung und werden durch Elektronenstrahlschweißverfahren miteinander verschweißt. Der Trent700 ist der erste neue zivile Motor, der einen Hochdruck-Kompressorrotor vollständig aus Titan verwendet, was das Gewicht des Motors deutlich reduziert, und der Hochdruck-Kompressorrotor des EJ200-Motors verwendet ebenfalls die Legierung IMl834. Der IMl834 wird auch im Pratt & Whitney PW350-Motor verwendet.
Die Entwicklung von Hochtemperatur-Titanlegierungen in den Vereinigten Staaten ist ebenfalls relativ ausgereift, und die größten im Motor verwendeten Legierungen sind hauptsächlich Ti-6Al-4V und Ti-6242S.
Die Ti-1100-Legierung basiert auf der Zusammensetzung der Ti-6242S-Legierung. Durch Anpassen des Gehalts an Al-, Sn-, Mo- und Si-Elementen wird die maximale Einsatztemperatur der Legierung auf 600 Grad erhöht. Es wird davon ausgegangen, dass die Ti-1 100-Legierung bei der Herstellung von Hochdruckverdichterscheiben und Niederdruckturbinenschaufeln des T55-712-modifizierten Triebwerks von Lycoming verwendet wurde.
Die Entwicklung von Titanlegierungen in China besteht hauptsächlich darin, den Weg der Nachahmung zu gehen, wie z. B. die Legierung TC11 entsprechend der Legierung BT9, TA11, TA19, TC17, entsprechend der US-Qualität Ti-811, Ti-6242 S und Ti-17. In den letzten 20 Jahren hat China begonnen, den Weg der Eigenentwicklung zu beschreiten und dabei beispielsweise die Hochtemperatur-Titanlegierung TA12(Ti-55) zu imitieren, der das Seltenerdelement Nd hinzugefügt wurde; Auf der Basis der TAl2-Legierung wird der Gehalt an Al, Sn und Si in der Ti-60-Legierung entsprechend erhöht, was die Kriecheigenschaften und die Festigkeit der Legierung bei hohen Temperaturen weiter verbessert und dafür sorgt, dass die Betriebstemperatur der Legierung erreicht wird 600 Grad. Eine 550-Grad-Hochtemperatur-Titanlegierung Ti-633G wurde durch Zugabe des Seltenerdelements Gd auf Basis der IMl829-Legierung aus Großbritannien hergestellt. Kürzlich wurden der Ti-1100-Legierung etwa 0,1 Y zugesetzt und Ti-600 genannt.
Entwicklung und Anwendung einer Niedertemperatur-Titanlegierung
Strukturteile, die bei niedrigen Temperaturen eingesetzt werden, erfordern eine gute Plastizität, eine geringe Wärmeleitfähigkeit und hervorragende Verarbeitungseigenschaften bei gleichzeitiger Beibehaltung einer gewissen Festigkeit. Niedrigtemperatur-Strukturmaterialien im In- und Ausland sind hauptsächlich Edelstahl, Aluminiumlegierungen, Titanlegierungen und Legierungen auf Nickelbasis. Titanlegierungen verfügen über gute umfassende Eigenschaften bei niedrigen Temperaturen und werden seit vielen Jahren von Ländern auf der ganzen Welt sehr geschätzt. Bei niedrigen Temperaturen erhöht sich die Streckgrenze von Titanlegierungen erheblich, was etwa dem 3- bis 6-fachen der Streckgrenze von austenitischem Edelstahl entspricht. Allerdings nimmt die Bruchzähigkeit mit abnehmender Temperatur ab, etwa 0,25 bis 0,5 bei austenitischem Edelstahl. Da die Dichte von Titanlegierungen viel geringer ist als die von Edelstahl und bei niedrigen Temperaturen die Wärmeleitfähigkeit gering, der Ausdehnungskoeffizient klein und nicht magnetisch ist, wird sie als wichtiges technisches Material für niedrige Temperaturen verwendet in den Bereichen Luft- und Raumfahrt und Supraleitung.
Titanlegierung mit Bienenstruktur bei niedrigen Temperaturen und anderen kubisch raumzentrierten Metallen, deren plastisch-spröder Übergangstemperatur (TPR) hoch ist, da die Temperatur sinkt, nimmt die plastische Zähigkeit ab und kann im Allgemeinen nicht bei niedrigen Temperaturen verwendet werden. Der TPR von und nahezu titanhaltigen Legierungen ist im Allgemeinen sehr niedrig und die Plastizität bei niedrigen Temperaturen ist gut, sodass einige der international anerkannten Niedertemperatur-Titanlegierungen grundsätzlich zu den und nahezu titanhaltigen Legierungen gehören. Unter den Titanlegierungen können auch Titanlegierungen mit geringerem Kohlenstoffgehalt, wie z. B. Ti-6Al-4V ELI, bei Temperaturen von flüssigem Wasserstoff (22 K) gut verwendet werden. Reines Titan und Titanlegierungen wie Ti-5Al-2.5Sn ELl sind ideale Tieftemperatur-Strukturmaterialien bei Temperaturen von flüssigem Helium (4,2 K), aber andere Verunreinigungen als die Legierungszusammensetzung müssen kontrolliert werden. insbesondere der Gehalt an Sauerstoff und Eisen. Die Zunahme der Eisen- und Sauerstoffanteile führt dazu, dass das Titanmaterial bei niedrigen Temperaturen spröde wird, und die Zunahme phasenstabiler Elemente wie Eisen und Mangan führt leicht zu Kerbversprödung.
Die ehemalige Sowjetunion war weltweit führend in der Entwicklung und Anwendung von Niedertemperatur-Titanlegierungen und in der frühen Entwicklung der Titanlegierungen OT4, OT4-L, BT5-1KT, TT{ {5}}BKT und andere Legierungen werden häufig in der Ausrüstung von Weltraumraketen verwendet. Die Festigkeit dieser Legierungen stieg bei 2 K auf 1400 MPa, während die Dehnung über 10 % blieb. Zu den in den USA entwickelten und verwendeten Niedertemperatur-Titanlegierungen gehören hauptsächlich Ti-5Al-2.5Sn, Ti-8Al-1Mo-1V, Ti -6Al-3Nb-2Zr und andere Niedertemperatur-Titanlegierungen.
China begann später mit der Entwicklung und Anwendung von Niedertemperatur-Titanlegierungen als die Vereinigten Staaten und Russland. China hat im „neunten Fünfjahresplan“ die bestehenden Leistungstests und Anwendungsforschungen für Niedertemperatur-Titanlegierungen TA7, TC1 und TC4 durchgeführt „In der Zeit wurden geeignete Titanlegierungen für Niedertemperatur-Rohrleitungssysteme entwickelt. Das Legierungssystem ist Ti-Al-Zr, Ti-A1-Zr-Mo. Ti-AIL-Sn-Mo, Ti-Al-Zr-Sn-Mo usw.
Entwicklung und Anwendung von Titan-Tischgold für dichte Teile
Der Einsatz von Verbindungselementen aus Titanlegierungen ist im Ausland weit verbreitet und es kommen weiterhin verschiedene neue Verbindungselemente auf den Markt. Große zivile Verbindungselemente aus einer Titanlegierung belaufen sich auf Hunderttausende Stück. Bei gleichem Festigkeitsindex sind Titanbefestigungen 70 % leichter als die Masse von Stahl, und die Ermüdungsfestigkeit und Empfindlichkeit gegenüber Spannungskonzentrationen von Titanlegierungen sind besser als bei ähnlichen Verwendungen von Stahl, in einer Vielzahl von Dichtungsstreifen mit hoher Korrosionsstabilität, so die Anwendung von Titan-Tight-Ringen für Luftfahrtausrüstung ist sehr wichtig.
Entwicklung von Befestigungselementen aus Titanlegierungen
Verbindungselemente aus Titanlegierungen werden hauptsächlich in drei Arten von Materialien verwendet: Die erste Art ist eine zweiphasige Legierung mit niedrigem Mo-Äquivalent, wie z. B. Ti-6Al-4V; Die zweite Kategorie sind metastabile Legierungen, einschließlich III, Ti-44.5Nb, Ti-15-3 in den Vereinigten Staaten und TB2, TB3 und TB8 in China; Die dritte Klasse ist die unterkritische Zusammensetzung von zweiphasigen Legierungen vom Typ - wie zum Beispiel Russlands BT16l. Die folgende Tabelle zeigt die Eigenschaften von Befestigungsmaterialien aus Titanlegierungen.
Ti{{0}}Al-4V ist eine zweiphasige Legierung mit niedrigem Mo-Äquivalent und dem niedrigsten Stabilitätskoeffizienten (nur 0,27) und dem höchsten Aluminiumäquivalent (bis zu 6) der drei Legierungen . Der Betaphasengehalt im geglühten Zustand beträgt also nur 7 % (Volumenanteil). Seine Vorteile sind die niedrigste Dichte, die beste Festigkeit und Ermüdungsleistung, die einfachste Zusammensetzung und die niedrigsten Kosten für Halbzeuge. Da die Plastizität bei Raumtemperatur jedoch nicht hoch genug ist, muss bei der Verarbeitung von Verbindungselementen die Induktion eingesetzt werden
