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航空运输飞机的材料为什么非得要用钛合金？

导读：我们都经常有接触到航空运输 ， 比如发过航空货运了 ， 比如坐过飞机了 。 大家看到飞机的时候可能都有个疑问：飞机到底是什么做的呢？为什么可以装载那么多那么重的货物还可以飞那么高？我们带着疑问往下看 。
航空运输飞机的材料为什么非得要用钛合金？
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一、钛的简介
1948年美国杜邦公司才用镁法成吨生产海绵钛——这标志着海绵钛即钛工业化生产的开始 。 而钛合金因具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域 。
钛在地壳中含量较丰富 ， 含量排第九位 ， 远高于铜、锌、锡等常见金属 。 钛广泛存在于许多岩石中 ， 特别是砂石和粘土中 。
二、钛的特性
强度高：是铝合金的1.3倍 ， 镁合金的1.6倍 ， 不锈钢的3.5倍 ， 金属材料中的冠军 。
热强度高：使用温度比铝合金高几百度 ， 可在450～500℃的温度下长期工作 。
抗蚀性好：耐酸、耐碱、耐大气腐蚀 ， 对点蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强 。
低温性能好：间隙元素极低的钛合金TA7 ， 在-253℃下还能保持一定的塑性 。
化学活性大：高温时化学活性很高 ， 轻易与空气中的氢、氧等气体杂质发生化学反应 ， 生成硬化层 。
导热系数小、弹性模量小：导热系数约为镍的1/4 ， 铁的1/5 ， 铝的1/14 ， 而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50％ 。 钛合金的弹性模量约为钢的1/2 。
三、钛合金的分类及用途
钛合金按用途可分为：耐热合金、高强合金、耐蚀合金(钛-钼 ， 钛-钯合金等)、低温合金以及特殊功能合金(钛-铁贮氢材料和钛-镍记忆合金)等 。
尽管钛及其合金应用的历史不长 ， 但由于它那超众的性能 ， 已经获得了多个光荣称号 。 首先荣获的称号就是“空间金属” 。 它重量轻、强度大又耐高温 ， 特别适于制造飞机和各种航天器 。 目前世界上生产的钛及钛合金 ， 大约有四分之三都用于航空航天工业 。 许多原来用铝合金的部件 ， 都改用了钛合金 。
四、钛合金的航空应用
钛合金主要用于飞机及发动机的制造材料 ， 如锻造钛风扇、压气机盘和叶片、发动机罩、排气装置等零件以及飞机的大梁隔框等结构框架件 。 航天器主要利用钛合金的高比
强度 ， 耐腐蚀和耐低温性能来制造各种压力容器、燃料贮箱、紧固件、仪器绑带、构架和火箭壳体 。 人造地球卫星、登月舱、载人飞船和航天飞机也都使用钛合金板材焊接件 。
航空运输飞机的材料为什么非得要用钛合金啊？
1950年美国首次在F-84战斗轰炸机上用作后机身隔热板、导风罩、机尾罩等非承力构件 。 60年代开始钛合金的使用部位从后机身移向中机身、部分地代替结构钢制造隔框、梁、襟翼滑轨等重要承力构件 。 70年代起 ， 民用机开始大量使用钛合金 ， 如波音747客机用钛量达3640公斤以上占机重28% 。 随着加工工艺技术的发展 ， 在火箭、人造卫星和宇宙飞船上 ， 也用了大量的钛合金 。 飞机越先进 ， 使用的钛越多 。 美国F—14A战斗机使用的钛合金 ， 约占机重的25%；F—15A战斗机为25.8%；美国第四代战斗机用钛量为41% ， 其F119发动机用钛量为39% ， 是目前用钛量最高的飞机 。
五、钛合金在航空中被大量应用的原因
现代飞机的航行最高时速已达到音速的2.7倍以上 。 这么快的超音速飞行 ， 会使飞机与空气摩擦而产生大量的热 。 当飞行速度达到音速的2.2倍时 ， 铝合金就经受不住了 。 必须采用耐高温的钛合金 。 当航空发动机的推重比从4～6提高到8～10 ， 压气机出口温度相应地从200～300℃增加到500～600℃时 ， 原来用铝制造的低压压气机盘和叶片就必须改用钛合金 。
近年来科学家们对钛合金性能的研究工作 ， 不断取得新的进展 。 原来由钛、铝、钒组成的钛合金 ， 最高工作温度为550℃～600℃ ， 而新研制的钛化铝（TiAl）合金 ， 最高工作温度已提高到1040℃ 。 用钛合金代替不锈钢制造高压压气机盘和叶片 ， 可以减轻结构重量 。 飞机每减轻重10% ， 可节省燃料4% 。 对火箭来说 ， 每减轻1kg的重量 ， 就可增加15km的射程 。
航空运输飞机的材料为什么非得要用钛合金啊？
钛合金材料飞机起落架零件
六、钛合金机加工特性分析
首先 ， 钛合金导热系数低 ， 仅是钢的1/4 ， 铝的1/13 ， 铜的1/25 。 因切削区散热慢 ， 不利于热平衡 ， 在切削加工过程中 ， 散热和冷却效果很差 ， 易于在切削区形成高温 ， 加工后零件变形回弹大 ， 造成切削刀具扭矩增大、刃口磨损快 ， 耐用度降低 。
其次 ， 钛合金的导热系数低 ， 使切削热积于切削刀附近的小面积区域内不易散发 ， 前刀面摩擦力加大 ， 不易排屑 ， 切削热不易散发 ， 加速刀具磨损 。 最后 ， 钛合金化学活性高 ， 在高温下加工易与刀具材料起反应 ， 形成溶敷、扩散 ， 造成粘刀、烧刀、断刀等现象 。
七、加工中心加工钛合金特点
加工中心可以多个零件同时加工 ， 提高生产效率 。
提高零件的加工精度 ， 产品一致性好 。 加工中心有刀具补偿功能 ， 可以获得机床本身的加工精度 。
有广泛的适应性和较大的灵活性 。 如本零件的圆弧加工、倒角和过渡圆角 。
可以实现一机多能 。 加工中心可以进行铣削、钻孔、镗孔、攻丝等一系列加工 。
可以进行精确的成本计算 ， 控制生产进度 。
【航空运输飞机的材料为什么非得要用钛合金？】不需要专用夹具 ， 节约大量成本经费 ， 缩短生产周期 。
大大减轻了工人的劳动强度 。
可以与UG等加工软件进行多轴加工 。
航空运输飞机的材料为什么非得要用钛合金啊？
八、刀具及冷却液材料的选择
1、刀具材料选用应满足下列要求：
足够的硬度 。 刀具的硬度必须要远大于钛合金硬度 。
足够的强度和韧性 。 由于刀具切削钛合金时承受很大的扭矩和切削力 ， 因此必须有足够的强度和韧性 。
足够的耐磨性 。 由于钛合金韧性好 ， 加工时切削刃要锋利 ， 因此刀具材料必须有足够的抗磨损能力 ， 这样才能减少加工硬化 。 这是选择加工钛合金刀具最重要的参数 。
刀具材料与钛合金亲合能力要差 。 由于钛合金化学活性高 ， 因此要避免刀具材料和钛合金形成溶敷、扩散而成合金 ， 造成粘刀、烧刀现象 。
经过对国内常用刀具材料和国外刀具材料进行试验表明 ， 采用高钴刀具效果理想 ， 钴的主要作用能加强二次硬化效果 ， 提高红硬性和热处理后的硬度 ， 同时具有较高的韧性、耐磨性、良好的散热性 。
2、铣刀的几何参数
钛合金的加工特性决定刀具的几何参数与普通刀具存在着较大区别 。
螺旋角β选择较小的螺旋升角 ， 排屑槽增大 ， 排屑容易 ， 散热快 ， 同时也减小切削加工过程中的切削抗力 。
前角γ切削时刃口锋利 ， 切削轻快 ， 避免钛合金产生过多切削热 ， 从而避免产生二次硬化 。
后角α减小刀刃的磨损速度 ， 有利于散热 ， 耐用度也得到很大程度的提高 。
3、切削参数选择
钛合金机加工应选择较低的切削速度 ， 适当大的进给量 ， 合理的切深和精加工量 ， 冷却要充分 。
切削速度VcVc=30～50m/min
进给量f粗加工时取较大进给量 ， 精加工和半精加工取适中的进给量 。
切削深度apap=1/3d为宜 ， 钛合金亲合力好 ， 排屑困难 ， 切削深度太大 ， 会造成刀具粘刀、烧刀、断裂现象 。
精加工余量αc适中钛合金表面硬化层约0.1~0.15mm ， 余量太小 ， 刀刃切削在硬化层上 ， 刀具容易磨损 ， 应该避免硬化层加工 ， 但切削余量不宜过大 。
4、冷却液
钛合金加工最好不用含氯的冷却液 ， 避免产生有毒物质和引起氢脆 ， 也能防止钛合金高温应力腐蚀开裂 。
选用合成水溶性乳化液 ， 也可自配用冷却液 。
切削加工时冷却液要保证充足 ， 冷却液循环速度要快 ， 切削液流量和压力要大 ， 加工中心都配有专用冷却喷嘴 ， 只要注意调整就能达到预期的效果 。
湖南五江轻化集团公司是全球产、销量最大的保温瓶生产企业,年产量超过1.6亿只,销售占全国33%左右的市场份额;作为一家集科、工、贸、产、供、销于一体的大型民营高科技企业集团,瞄准钛产业广阔前景,历时6年打通年产2万吨钛及钛合金全钛产业链各个板块,形成了独具特色的五江钛品之路 。


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