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低温钛合金材料应用现状

2022-08-11 04:10:12

低温钛合金材料应用现状

随着航天事业的进一步发展及对深空领域的不断探索,航天器结构件对低温材料的性能要求进一步提高。

一方面,航天器结构材料在低温下必须具备足够的强度和韧性以及优良的热学性能;另一方面,考虑到航天器结构件形状的复杂性,材料必须具有良好的可加工性能。

与传统低温材料相比,钛合金低温下具有更高的屈服强度,为不锈钢 3 倍以上,同时其密度只有不锈钢的 1/4~1/2。此外,钛合金还具有热传导率低、膨胀系数小、无磁性等一系列优点,因此非常适合作为新型低温材料应用于航天领域。

目前,低温钛合金已经初步应用于液体火箭发动机领域,主要作为氢氧发动机储氢罐、氢泵叶轮等结构材料,大幅度提高了液体火箭发动机的推重比、工作寿命及可靠性。低温钛合金应用的问题在于低温环境下钛合金伸长率及断裂韧性大幅度下降,表现出明显的低温脆性,因此,如何降低钛合金的低温脆性,提高钛合金低温条件下的韧塑性成为低温钛合金研究的重中之重。

国内外学者为解决这一问题进行了大量研究,发现通过降低 C,H,O 等间隙元素含量、降低铝元素含量两种方法可有效提高钛合金的低温性能。通过这两种方法,国内外开发了一系列性能优异的新型低温钛合金。

前苏联曾致力于低温钛合金的研发及应用。通过降低铝元素的含量,前苏联开发了一系列低铝低温钛合金,其中应用比较广泛的有 OT4 及 BT5-1。OT4 合金曾被用于航天器轨道对接件、液体火箭管道及燃烧室结构件中;BT5-1 合金曾用于液氢容器的制造。为了进一步提高液体火箭发动机脉冲推动比,俄罗斯某研究所进行了适用于-253 ℃极低温环境的高强度高塑性低温钛合金的研发。

美国对于低温钛合金的研究重要集中于 α 型钛合金 TA7 ELI(Extra low interstitial,超低间隙)、以及 α+β 型钛合金 TC4 ELI。通过降低间隙元素含量,两种钛合金极低温下强度及韧性获得了显著提升。TA7 ELI 作为一种近 α 型钛合金,在 20 K 低温条件下仍具有良好的韧性、较低的热导率以及缺口敏感性,目前已经成功用于低温容器、低温管道以及液体火箭发动机叶轮等结构。阿波罗计划中,TC4 ELI 作为液氢容器、液氢导管的主要材料被大量应用并取得了较好的效果。除此之外,美国学者还对低温钛合金断裂机理、氢脆等一系列问题展开了基础性研究,获得了 TA7 ELI,TC4 ELI 等多种低温钛合金的力学性能及断裂机理数据,为低温钛合金的进一步发展及应用奠定了基础。

在低温钛合金研发领域,相比于美俄等发达国家,中国起步晚、技术相对落后。近年来,随着航天事业的发展,我国开始进行低温钛合金的研究。“九五”期间,我国先后开展了 Ti-2Al-2.5Zr,Ti-3Al-2.5Zr,CT20 等多种低温钛合金的研发工作,我国研发的低温钛合金性能如图 3 所示。CT20 合金是我国第1种拥有全部自主产权的低温钛合金,可在 20 K 极低温条件下使用。该合金在低温下具有良好的力学性能,20 K 低温下强度大于 1100 MPa,伸长率大于 10%,同时该合金还具有优良的成形性能,可加工成棒材、板材、管材及丝材。目前为止,CT20 合金已成功应用于某航天器低温管路。与此同时,科研学者探究了间隙元素对 CT20 合金低温力学性能的影响,为 CT20 钛合金性能的进一步提高提供了参考。


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