航空航天用 TA18钛合金管材的研发及应用

杨建朝;席锦会;杨亚社;南莉

【摘 要】简要介绍了TA18管材在国内外的研究发展和应用现状，分析了我国与国外在该管材研制技术、标准制定及应用方面的差距。美国在航空用TA18钛合金管材方面已有一系列标准，并不断加以修订、完善，且有成熟的生产技术，在航空航天领域广泛应用。我国中强级TA18钛合金管材已有应用，而高强级TA18钛合金管材的应用尚属空白。通过近几年的研究，国内高强级TA18管材的研制已经取得重大突破，有望在2～3年内实现国产化。%Research and application status of TA 18 titanium alloy tube in aerospace industry at home and abroad was reviewed in this paper .And some gap between domistic and foreign countries in research techniques , standards and application of the tube was concluded .In the United States , there are mature technology and a series of aerospace standards of TA18 titanium alloy tube, and the TA18 titanium alloy tubes have been widely used in aerospace .On the other hand, in China, the annealed TA18 titanium alloy tubes have been used , but the use of the relieved-stress TA18 titanium alloy tubes is currently blank .With the amazing achievement of research , the relieved-stress TA18 titanium alloy tube will be used in two or three years . 【期刊名称】《钛工业进展》 【年(卷),期】2014(000)004 【总页数】5页(P6-10)

【关键词】TA18钛合金;管材;研究发展;应用现状 【作 者】杨建朝;席锦会;杨亚社;南莉

【作者单位】西部钛业有限责任公司，陕西 西安 710201;西部钛业有限责任公司，陕西 西安 710201;西部钛业有限责任公司，陕西 西安 710201;西部钛业有限责任公司，陕西 西安 710201 【正文语种】中 文 0 引言

航空航天飞行器的管路系统主要包括引气管路、液压管路、燃油管路等。管路系统是飞机的生命线，直接影响飞机的整体性能。如果把发动机比作飞机的心脏，那么形形色色的管路就像飞机的血管网，源源不断地把各种营养输送到飞机全身的各个角落。管路系统的可靠性和持久性是满足适航要求、保障飞行安全和降低维修成本的重要因素，因此提高管路系统的技术水平对提高飞机性能是非常重要的［1-3］。 管路系统用管材除了对材料强度有要求外，还对其塑性、韧性、疲劳寿命、耐蚀性、焊接性等有要求，以达到良好的综合性能匹配。另外，还需考虑管材后续的弯曲、管端头的成形与连接问题［3-4］。

TA18(Ti-3Al-2.5V)是美国20世纪60年代末研制的近α型钛合金，早期是为飞机管路增压系统的应用而开发的［5-6］。它不仅具有良好的室、高温力学性能和耐腐蚀性能［7-8］，更可贵的是还具有优异的冷、热加工工艺塑性、成形性和焊接性;另外，其对缺口不敏感［9］，且与复合材料的强度和刚度具有优良的匹配，可以进一步获得很好的减重效果。因此，TA18钛合金可以用于制造工作温度达315℃，并有一定强度和抗氧化性要求的部件，如TA18钛合金无缝管在航空航天

方面适合用做飞机和发动机上耐高压、轻质的液压和燃油等管路系统［10-11］。 该合金在室温下β相非常少，因此不能利用热处理的方法进行强化，其强化途径主要是冷加工变形。冷加工后，通过控制热处理温度和时间，可使管材达到不同的强度水平，最典型的强度级别有退火态中强级(Rp0.2≥620 MPa)和去应力退火态高强级(Rp0.2≥860 MPa)。其中，退火态中强级管材主要用于发动机管路系统，去应力退火态高强级管材主要用于飞机液压等管路系统［4，12-13］。本文介绍了中强和高强TA18钛合金管材国内外的研究和应用现状，分析了我国与国外在该合金管材研制技术、标准制定及推广应用方面的差距，并指出TA18钛合金管材在我国飞机管路系统中的应用前景。 1 国外TA18钛合金管材的发展及应用

美国从20世纪60年代末开始对TA18钛合金进行研制。目前，中强级TA18钛合金管材已有成熟的生产技术，并已进行了批量生产。而且通过采用冷变形后去应力退火的方式已经可以安全、可靠地实现高强级TA18钛合金管材的制造。 美国自1971年开始将TA18钛合金管材逐渐纳入相关标准(如AMS、ASTM、MIL等)。美国航空用TA18钛合金管材执行AMS宇航标准，现行的中强级TA18钛合金管材标准为AMS4943J和AMS4946D，其中，AMS4943J最早颁布于1971年，于2012年进行了修订。高强级TA18钛合金管材的标准有AMS4944J、AMS4945F和 AMS4946D，AMS4944J最早颁布于 1974年，于 2011年进行了修订;AMS4945F最早颁布于1989年，于2014年进行了修订;AMS4946D最早颁布于2002年，于2014年进行了修订。AMS4946D中包含3类TA18钛合金管材，分别为低强级、中强级和高强级。目前，国外未曾有关于TA18钛合金管材制备技术方面的文献报道。

而应用方面，在20世纪70年代，美国首先在洛克希德C-5A军机上使用Ti-3Al-2.5V合金管材，随后该合金管材在F-14A、F-15和波音747、757、767等飞机

的液压、燃油管路系统中被推广应用，在波音、通用、麦道、普惠、罗罗、空客等公司的军用飞机和商用客机等运输工具上也被广泛使用［14］。除了航空应用外，该合金管材还被广泛应用于航天飞机、卫星等领域。目前，西方国家的许多新的军事工程的管件部分正使用该合金，已成为军机和民机管路系统的必选材料之一［15］。俄罗斯、日本、西欧(主要是英国)对TA18钛合金管材的研发及应用未见有文献详细报道，但从粗略的报道可知，俄罗斯VSMPO公司可生产TA18钛合金管材，且已将该合金(对应俄罗斯牌号为OT4-0)管材用于飞机放油和通风系统中。日本、英国也可生产TA18钛合金管材，并用于飞机液压、空调和燃油系统。 2 我国TA18钛合金管材的发展及应用

我国于20世纪70年代中期开始对中强级TA18钛合金进行研究，主要研究单位有西北有色金属研究院、西部钛业有限责任公司及宝钛集团有限公司等。其中，西北有色金属研究院经过“七五”及“八五”攻关，对中强级TA18钛合金管材的化学成分、加工工艺、组织性能等做了系统的研究，形成了一套完整的研究及生产资料，研制的中强级TA18钛合金管材满足了AMS4943和AMS4944B的标准要求，为研究高强级TA18钛合金管材奠定了基础。西部钛业有限责任公司成立后，在西北有色金属研究院的研究基础上，自筹经费对多种规格(φ6 mm×1 mm、φ8 mm ×1 mm、φ10 mm ×1 mm、φ14 mm ×1 mm、φ16.5 mm×1 mm)的中强级TA18钛合金管材进行研制，经过实验阶段的研制、多批次小批量生产阶段的试制后，熟练掌握了生产技术，并形成了批量化生产，产品各项性能指标均达到美国宇航标准和我国航空航天军用标准的要求。生产的中强级TA18钛合金管材已向多家用户供货，用于航空飞机和航天飞机的管路系统。

近年来，我国航空航天工业的快速发展对TA18钛合金管材的性能提出了更高的要求，需要其在具有高强度的同时保证较好的塑性，另外还要求管材的收缩应变比(CSR值)≥1.3，而一般钛管材对CSR值没有要求，在高强级TA18钛合金管材中

首次对此性能提出要求。去应力退火态TA18钛合金管材的性能具体要求

为:Rm≥862 MPa，Rp0.2≥724 MPa，A≥12%;CSR≥1.3;压扁时板间距达到12t(t为成品管材公称壁厚)，尽量要求达到10t;用74°锥进行扩口，使扩口后外径为原名义外径的1.2倍。目前，航空用高强度TA18钛合金管材在我国尚处于研制阶段，未投入使用。我国航空飞机液压管路系统用管材现仍是不锈钢管，但随着我国航空工业的不断发展，不断地追求飞机的轻型化、高速化、长寿命，重大型号改型和新机设计对高性能TA18钛合金管材的需求越来越迫切，而进口TA18钛合金管材由于受限制、工期较长而且管材尺寸单位与国际单位不一致，因此急需国产化。 国内对于高强级TA18钛合金管材的研究主要集中在以下3个方面:①管材的制备技术研究［16-21］;②管材的性能评价［22-23］;③管路连接技术与应用研究等。参与研究的单位主要有航空设计单位611所，飞机制造单位132厂，管材研制与生产单位西部钛业有限责任公司和宝钛集团有限公司，性能检测与评价单位621所等。其中，西部钛业有限责任公司经过4年的研制，在化学成分、轧制工艺、退火制度、管材尺寸精度控制等方面进行了系统的研究。目前，已初步掌握了高强级TA18钛合金管材的制备工艺，其CSR值、压扁性能以及弯曲性能的控制也取得重大突破，系统地了解了影响各项性能(如力学性能、CSR值、压扁、扩口、弯曲等)的主要因素，而且掌握了各项性能之间的关联性，在制备工艺方面已经拥有了较成熟的经验，可进行小批量稳定生产。

在标准制定方面，我国于1998年发布了GJB 3423—98《航空用Ti-3Al-2.5V钛合金管材规范》(中强级TA18钛合金管材)，并于2008年对其进行修订，变更为GJB 3423A—2008《航空用钛合金管材规范》。而高强级TA18钛合金管材至今还没有正式颁布相关标准，现执行的是某单位起草的《TA18钛合金管材材料技术规范(暂行)》，该技术规范是根据美国宇航标准中高强级TA18钛合金管材的性能指标编制的，各项指标要求与美国宇航标准基本一致，但个别指标还有一定的差距。

预期中国在3～5年内会形成高强级TA18钛合金管材的国标或国军标。 3 国内外TA18钛合金管材制造与应用方面的差距 3.1 标准方面

国内外中强及高强级TA18钛合金管材的标准对比分别见表1、2。

表1 国内外中强级TA18钛合金管材生产标准对比Table 1 Standards contrast of middle strength level TA18 titanium alloy tubeGJB 3423A—2008 AMS 4943H AMS4946B力学性能Rm/MPa ≥620 同GJB 3423A—2008 690～917 Rp0.2/MPa ≥515 同GJB 3423A—2008 ≥655 A/% ≥15 同GJB 3423A—2008 ≥13扩口74°顶芯，扩口后外径不小于原始外径的1.3倍 同GJB 3423A—2008 同GJB 3423A—2008压扁或展平 展平后无裂纹 同GJB 3423A—2008 要求压扁弯曲 弯曲半径为名义外径的3倍，弯曲180°后表面无裂纹 同GJB 3423A—2008 同GJB 3423A—2008 CSR 不要求 同GJB 3423A—2008 同GJB 3423A—2008外径公差/mm >8～15，+0.10～0 2.5～<4.75，+0.08～-0.08 4.75～12.67，+0.08～0>15～25，+0.13～0 4.75～25，+0.10～ -0.10 12.67～19.02，+0.10～0>25～38，+0.15～0 25～ <37.5，+0.13～ -0.13 19.02～25.37，+0.10～0.025内径公差/mm — — <8.59，+0.038～-0.038——8.59～11.4，+0.05～ -0.05——11.4～17.09，+0.064～-0.064——17.09～22.8，+0.08～ -0.08壁厚公差 ±7.5%公称壁厚 ±10%公称壁厚 不小于95%公称壁厚探伤缺陷尺寸/mm(壁厚，深度，长度，宽度)<1.5，0.05，3.0，0.10 ≤1.14，0.05，1.52，0.10 ≤1.14，0.05，1.52，0.101.5～2.0，0.08，3.0，0.10 1.14～1.52，0.05，3.18，0.10 1.14～1.52，0.05，3.18，0.10——1.52～2.03，0.08，3.18，0.10 表2 国内外高强级TA18钛合金管材生产标准对比Table 2 Standards contrast of high strength level TA18 titanium alloy tube国内暂行技术规范AMS 4944G AMS 4945C AMS 4946B力学性能Rm/MPa ≥862 同国内暂行技术规范

同国内暂行技术规范 862～976 Rp0.2/MPa ≥724 同国内暂行技术规范 同国内暂行技术规范 同国内暂行技术规范A/% ≥10(D≥6 mm)≥12(D<6 mm) ≥10 同国内暂行技术规范 ≥10(D≥6.35 mm)≥14(D<6.35 mm)扩口74°顶芯，扩口后外径不小于原始外径的1.2倍 同国内暂行技术规范 同国内暂行技术规范 同国内暂行技术规范压扁或展平 压扁时板间距H≤12t，无裂纹 同国内暂行技术规范 同国内暂行技术规范 H≤10t，无裂纹弯曲 弯曲半径为名义外径的3倍，弯曲180°后表面无裂纹 同国内暂行技术规范 同国内暂行技术规范 同国内暂行技术规范CSR ≥1.3 无要求 同AMS 4944G 同AMS 4944G外径公差/mm 6，+0.05～0 4.78～12.7，+0.08～0 同AMS 4944G 同AMS 4944G 8～12，+0.08～0 12.7～25.4，+0.10～0 同AMS 4944G 同AMS 4944G 14～18，+0.10～0 5.4～38.1，+0.10～0.02 同AMS 4944G 同AMS 4944G≥20，+0.10～-0.025 — — —内径公差/mm 5～6.8，+0.038～-0.038 — — —8.6～10.2，+0.05～-0.05 — — —12～17，+0.064～-0.064 — — —18.8～21.4，+0.08～-0.08 — — —壁厚公差 不小于95%公称壁厚 (+10%～-5%)公称壁厚 同AMS 4944G 同AMS 4944G探伤缺陷尺寸/mm(壁厚，深度，长度，宽度)<1.5，0.05，3.0，0.10 ≤1.14，0.05，1.52，0.10 同AMS 4944G 同AMS 4944G 1.5～2.0，0.08，3.0，0.101.14～1.52，0.05，3.18，0.10 同AMS 4944G 同AMS 4944G—1.52～2.03，0.08，3.18，0.10 同AMS 4944G 同AMS 4944G

从表1可以看出，对于中强级TA18钛合金管材，AMS4943H在尺寸公差方面的要求低于GJB 3423A—2008，而探伤标准要求高于 GJB 3423A—2008，其他指标要求与 GJB 3423A—2008一致;AMS4946B力学性能、压扁、尺寸公差、探伤标准方面的要求均高于GJB 3423A—2008，其他指标要求与GJB 3423A—2008一致。从表2可以看出，对于高强级 TA18钛合金管材，AMS4944G、

AMS4945C和 AMS4946B在力学性能、压扁、CSR值、尺寸公差和探伤要求等

方面与国内暂行技术规范有差别，其他指标与国内暂行技术规范一致。 3.2 技术方面

国外中强及高强级TA18钛合金管材均已有成熟的生产技术。国内中强级TA18钛合金管材的研制水平与国外基本相当，而高强级TA18钛合金管材还处于研制阶段，虽然基本掌握了高强级TA18钛合金管材的制备工艺，但是压扁性能、尺寸精度和稳定性方面与国外还有一定差距，需进一步优化。 3.3 应用方面

国外TA18钛合金管材已在各种飞机上广泛应用，而我国只有中强级TA18钛合金管材在飞机及其发动机上有小批量应用，高强级TA18钛合金管材的应用仍属空白。 4 结语

TA18钛合金管材以其优异的综合性能在航空航天方面有重要应用。以美国为首的发达国家在TA18钛合金管材的制备技术及应用方面均领先于国内。近年来，随着我国航空工业的发展，高强级TA18钛合金管材的需求越来越迫切，国内在中强级TA18钛合金管材研制的基础上对高强级TA18钛合金管材进行了关键技术攻关，通过近几年的研究，TA18钛合金管材的研制已经取得阶段性成果，有望在2～3年内用于国产飞机。 参考文献

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