航天|航空航天系统结构材料研究进展综述 ⑾( 二 ) 波音777|汽车

几十年来，钛合金在军用和商用飞机上都被用于特殊用途。除了上文所述的高速军用飞机SR-71外，钛合金还可用于重型结构，如战斗机的舱壁、B1-B轰炸机的翼盒和波音747的起落架横梁。这些组件在图15、图16、图17中示出。在每种情况下，选择钛合金是因为与铝合金相比，钛合金具有相同或更好的密度校正强度、良好的损伤容限和优异的耐腐蚀性。三种应用广泛使用α+β合金Ti-6Al-4V（Ti-6-4）。高强度合金的损伤容限（韧性和裂纹扩展）通常会降低。
图15 战斗机锻造和加工钛合金舱壁的照片。
图16 B1-B轰炸机机翼盒扩散焊接照片。
图17 波音747的钛合金锻造和机加工起落架横梁照片。
对于断裂临界结构，即静态强度的结构，不稳定裂纹扩展开始前的临界裂纹尺寸与参数(KIc/YS)2成正比。因此，在韧性没有相应增加的情况下加入更高强度的合金会增加灾难性失效的风险，这通常是不可接受的。除了钛合金的固有机械性能外，耐腐蚀性使其具有吸引力，尤其是对于嵌入飞机中的部件，因此，很难检查腐蚀侵蚀。与高强度铝合金相比，钛合金具有更好的抗一般腐蚀性和抗剥落腐蚀的基本免疫力。
钛合金也可用于其较高强度允许物理较小结构构件承载相同载荷的情况，即使由于钛合金密度较高，因此没有重量优势。后一种情况的一个例子是图17所示的起落架横梁。从严格的结构效率角度来看，铝合金将具有可比性，且价格将大大降低。然而，如果选择了铝合金，起落架横梁将无法安装在机身的可用空间内，从而造成空气动力学损失。
钛合金也是高强度钢的非常好的替代品，即使在最高强度水平下，钢的结构效率也相当高。这里的问题是，当强度水平>1250 MPa时，钢对氢脆的敏感性变得更高。使用强度高于此值的钢材需要使用保护涂层，如油漆或镀镉或铬。前者需要定期维护以修复划痕和缺口，而后者由于环境和健康危害的原因正在逐步淘汰。大多数商用飞机的起落架传统上由高强度钢制成，如AISI 4340 ，热处理强度为1800–1900 MPa 。
服务历史表明，尽管使用了严格的维护程序，但仍经历了多次氢脆故障。最近，一种高强度β合金Ti-10V-2Fe-3Al（Ti-10-2-3）被选为波音777的起落架。对于该应用，将Ti-10-2-3热处理至1250 MPa强度水平。尽管成本增加，使用Ti-10-2-3的决定取决于实现重量减轻和消除氢脆失效风险的能力。这是直接归因于材料的附加客户价值的一个很好的例子。 B-777起落架如图18所示。先前提到的新型超大型空中客车飞机（A-380）似乎也将使用钛合金起落架，尽管合金的选择尚未最终确定。这种选择的驱动因素也是重量减轻，如果考虑铝合金，可能还有可用空间。钛合金在起落架上的这种相对较新的应用是由于对β合金的理解和生产能力的提高而得以实现的。
图18 图为波音777的起落架总成。水平锻件为Ti-10-2-3 ，是目前使用的最大的β合金锻件。
β合金在大型飞机上的另一个相对较新的应用是弹簧。这些钛合金弹簧取代钢弹簧，重量显著减轻，也无需涂漆保护。由于弹簧通常承受扭转载荷，因此断裂问题不太重要。因此，具有极高强度但低拉伸延展性的β合金可以安全使用。合金经过冷拉或轧制，卷绕成弹簧并进行时效处理，以达到超过1400 MPa的强度。相对较低的β合金模量（60–100 GPa）加上较高的屈服强度，允许弹簧具有非常大的弹性位移范围，这也是有益的。几种β合金弹簧的示例如图19所示。几种βTi合金常用于弹簧，包括Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr（βC）和Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn 。
图19所示图为波音飞机上使用的三种β合金弹簧。
在耐腐蚀性是首要考虑因素的情况下，钛合金也被用于飞机。钛合金在与碳纤维复合材料接触时表现出良好的电偶兼容性，而铝合金则没有。因此，随着每一代飞机复合材料的使用增加，使用钛合金作为配件和附件以缓解电偶腐蚀的需求也增加了。这些配件和附件通常负载不重，因此是使用钛铸件的主要机会，钛铸件的成本低于机加工锻件或装配组件。钛铸造技术在过去15-20年中取得了进步，可以生产出复杂的净形状。这种铸件已经在飞机发动机上使用了好几年，但飞机设计师采用这项技术的速度很慢。
图20 用于大型军用运输机的钛合金铸件照片。
军用运输机上使用的铸件示例如图20所示。这种单件铸件取代了由22件组成的装配件，从而大大节约了成本。经过热等静压（HIP’d）的钛合金铸件不存在孔隙，因此具有与具有相同微观结构的锻造产品相当的疲劳强度。这与铝合金的情况相反，在铝合金中，气致孔隙很常见，并且这种孔隙不能通过热等静压处理来封闭。这导致铝铸件采用铸造系数，这会影响其结构效率。对于热等静压钛合金铸件，没有类似的需求，这使得设计过程更直接，并在结构效率方面产生更具吸引力的结果。这一点也将在飞机发动机使用Ti时再次提及。