航空材料、手机为何纷纷选用钛合金？

发布时间：2024-05-05 09:52:20 丨 浏览次数：

      航空运输飞机的材料为什么非得要用钛合金？

　　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。

　　钛合金的3C应用

　　当下，手机为代表的消费电子行业十分“内卷”，头部厂商均希望借钛合金提高产品的溢价能力。

　　华为、苹果、小米、荣耀等多款手机均已导入该材料。苹果从Ultra系列手表开始标配钛合金表壳，其最新发布的iPhone15，其中Pro版本采用全新钛金属机身，成为苹果首款采用航空级钛金属的手机；华为在2022年发布的折叠屏手机MateXs2结构件中采用钛合金材料，并在Watch4Pro中使用了钛合金边框；荣耀于10月12日发布轻薄大内折旗舰手机荣耀MagicVs2，采用鲁班钛金铰链等创新材料；小米14新机中，定价最高的是14Pro钛金属版本。

　　据悉，三星将会在GalaxyS24Ultra上采用钛合金中框，中框部分与iPhone15Pro的原色钛配色类似。

　　总体来说，钛合金兼具高比强度和轻量化的优势成为备受推广的重要原因，其可以让消费电子产品更加轻盈，消费者体验感也会更加舒适。

       钛合金在航空材料、3C领域得应用除了其比强度与轻量化的优势外，还有其自身拥有其他优秀性能的原因。

       那么钛作为航空材料和3C材料又有怎样的优秀性能呢？下面让我们一起进行分析

         首先是钛的特性

　　1.比强度高：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。

　　2.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。

　　3.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。

　　4.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。

　　5.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。

　　6.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。

　　其次是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、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、比强度大又耐高温，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3/4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。

　　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。

　　1950年美国首次在F-84战斗轰炸机上用作后机身隔热板、导风罩和机尾罩等非承力构件。20世纪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。20世纪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。

       最后是钛合金的加工效率的提高使得钛合金的应用越来越广泛        

       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。

　　  最后是钛合金的加工效率的提高使得钛合金的应用越来越广泛     

　　目前，加工中心可以将多个零件同时加工，提高了生产效率，且提高了零件的加工精度，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。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。