チタンは広く分布しており、その含有量は地殻の質量の 0.4% を超えており、世界の確認埋蔵量は約 34 億トンで、すべての元素 (酸素、ケイ素、アルミニウム、鉄、カルシウム) の中で 10 位にランクされています。 、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、水素、チタン)。
アメリカの科学者は、1910 年に「ナトリウム法」(TiCl4 のナトリウム還元) を使用して金属チタンを初めて取得しましたが、チタン産業はチタンの発見によってすぐには発展しませんでした。
ルクセンブルグの科学者によって発明された「マグネシウム法」(マグネシウム還元 TiCl4) が米国で製造に使用され、チタン産業が離陸し始めたのは、第二次世界大戦後の 1948 年になってからのことでした。
チタンは鋼よりも 40% 密度が低く、その強度は鋼に匹敵し、構造効率を向上させることができます。 同時に、チタンは優れた耐熱性、耐食性、弾力性、弾力性、成形性を備えています。 チタンの上記の特性により、チタン合金は、チタン合金の出現以来、航空産業で使用されてきました。 1953年、アメリカのダグラス社が製作したDC-Tエンジンの防火壁とナセルにチタンが初めて採用され、航空用チタン合金の歴史が始まりました。
スペースシャトルは、最も重要で最も広く使用されている航空機です。 チタンは航空機の主要な構造材料であり、航空エンジンのファン、コンプレッサー ディスク、ブレードなどの重要なコンポーネントに最適な材料でもあり、「スペース メタル」として知られています。 航空機が高度になればなるほど、より多くのチタンが使用されます。 例えば、米国のF22の第4世代航空機のチタン含有量は41パーセント（質量分率）であり、F119エンジンのチタン含有量は39パーセントであり、現在最もチタン含有量の高い航空機です. チタン合金の研究は航空に端を発しており、航空産業の発展もチタン合金の開発を促進してきました。 航空用チタン合金の研究は、常にチタン合金の分野で最も重要で活発な分野でしたが、その開発も非常に困難です。
この論文では、チタン合金を合金マトリックス相組成の観点から分類します。 航空機を航空機の代表として取り上げ、この論文では、航空エンジン、航空機胴体、および航空ファスナーにおけるチタン合金の応用と研究に焦点を当てています。 最後に、航空用チタン合金の開発に存在する問題を分析します。
1 チタン合金の分類
アメリカ、イギリス、ロシア、フランス、日本などのチタン合金の分類は、ほとんどメーカーが決めており、多くの名前があります。 一部の企業は、Ti-6Al-4V (私の国では TC4 に相当) など、追加された合金元素とその内容を置き換えるために、元素の化学記号と番号を直接使用しています。 相組成に応じて、チタン合金は次のように分けることができます: 六方最密構造 (HCP) のタイプのチタン合金 (近- -タイプの合金を含む) - つまり、国産グレード TA、および二相混合プラスタイプのチタン合金、つまり国産グレードのTCおよび体心立方（BCC）タイプのチタン合金（ニア- -タイプの合金を含む）、つまり国内ブランドはTBです。
1.1 -型チタン合金
αチタンを母材とする焼なまし状態の単相固溶体合金はβ型チタン合金であり、主にAlやSnなどの元素を含む。 Alは、合金の引張強度とクリープ強度を高め、チタン合金の密度を下げ、比強度を向上させることができ、チタン合金の重要な合金元素です。 アルミニウムの固溶強化効果を最大化し、過剰なアルミニウムによる合金脆化を回避するために、高温チタン合金の合金化作業は、ROSENBERG によって提案された同等の実験式に従う必要があります。 良好な熱安定性。 アルファチタン合金のこれらの元素は、変態温度で変態温度を抑制または上昇させることによって安定化するのに役立ちます。 α 型チタン合金と比較して、β 型合金は耐クリープ性、強度、溶接性、靭性に優れており、高温での使用に適した合金です。 同時にα型合金は冷間脆性がなく、低温環境下での使用にも適しているため、適用範囲が広がります。 系合金は鍛造性が悪く、鍛造欠陥が発生しやすい。 鍛造欠陥は、1パスあたりの加工速度を下げ、頻繁に熱処理することで制御できます。 マトリックスは安定した相であり、特定の組成の合金の場合、その特性の変化は主に粒子サイズの変化です。これは、降伏強度とクリープ強度の両方が粒子サイズと変形中に蓄積されたエネルギーに関連しているためです。 β型チタン合金は、熱処理による強度の向上はなく、基本的に焼鈍後の強度変化はほとんどありません。 一部の合金には、より多くの Al、Sn、Zr と少量の安定化元素 (一般に 2% 未満) が含まれています。 これらの合金はγ相を含んでいるが、母材はγ相が主体であり、熱処理感度や加工性がβ型合金に非常に近く、近- -型チタン合金と呼ばれている。 ニア- -タイプの合金は、固溶合金元素でマトリックスを強化することにより、高いクリープ強度が得られるという認識に基づいて開発されました。 - -に近いタイプの合金のほとんどは、優れた熱安定性により、高温チタン合金になりました。- - 重要な合金の種類。 その強化メカニズムは、相内の原子が急速に拡散し、クリープしやすいことです。
一般的なタイプのチタン合金 (近- -タイプの合金を含む) には、Ti811 (Ti-8Al-1Mo-1V)、Ti-6Al{{7 }}Zr-1Mo-1V、Ti-679 (Ti-2.25Al-11Sn-5Zr-1Mo{ {16}}.25Si)、BT18 (Ti-7.7Al-11Zr-0.6Mo-1Nb-0.3Si)、Ti6242S (Ti{ {28}}Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si) など。組成と特性を表 2 に示します。
1.2プラスタイプのチタン合金
チタン合金の強度と靭性を向上させるために、人々はプラスチタン合金を開発しました。 プラス合金は、他のチタン合金に比べて安定化元素や安定化元素を添加し、相を強化したものです。 plus Alloy は優れた総合特性を備えています。 例えば、その室温強度は合金よりも高いです。 熱処理性が良く、熱処理による強化が可能なため、航空宇宙構造部品に適しています。 プラスタイプのチタン合金の焼鈍組織はプラス相であり、相の含有量は一般的に5%~40%です。 ただし、その構造は十分に安定しておらず、最高使用温度は 500 度にしか達せず、溶接性と耐熱性は 型チタン合金よりも低くなります。
プラスタイプのチタン合金には、主に TC4 (Ti-6 Al - 4 V )、TC 6 (Ti - 6 Al - 1.5 C r -2.5Mo{ {9}}.5Fe-0.3Si)、TC11 (Ti- 6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si)、TC17 ( Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr)、TC19 (Ti-6Al-2Sn{{ 31}}Zr-6Mo) および TC21 (Ti-6.2Al-2.8Mo) -2Nb-2Sn-2.1Zr{ {42}}.3Cr) など。 その中でもTC11合金はニアベータ合金とも呼ばれています。
ZHOU は TC11 合金の加工技術を提案しました。 最初に、合金は-遷移温度より 15 度低い温度で熱処理され、続いて急速な水冷が行われ、その後、高温および低温での強化および強化熱処理が行われ、新しい微細構造が得られます。 この新しい微細構造マトリックスは、15% の等軸粒子、50% ～ 60% の層状粒子、および変換された粒子で構成されています。 研究結果は、合金が可塑性と熱安定性を低下させることなく、高い耐疲労性、長いクリープ疲労寿命、高い靭性、および優れた高温サービス性能を示すことを示しています。
また,新しいプロセスと強化機構の実験原理を論じた。 この加工技術を実用化する上で重要な問題は、正確な温度制御です。
この TC11 チタン合金機械加工プロセスは、信頼性の高い航空エンジンのコンプレッサー ディスク、ローター、およびその他のコンポーネントを製造するために使用されています。
1.3 -型チタン合金
α安定化元素の含有量が多く、溶体化処理後にα相を急冷し、室温まで保持した合金をβ型チタン合金と呼びます。 安定状態の微細構造の分類によれば、図 1 に示すように、チタン合金は安定チタン合金と準安定チタン合金に分けることができます。図 1 で、MS はマルテンサイト変態温度線、C は安定元素の最小含有量です。 S は安定合金中の安定元素の最小含有量です。
ベータ合金は、溶体状態での冷間成形性が良好で、焼入れ性や熱処理応答性にも優れています。
一般的に使用される熱処理方法は、最初の溶体化処理であり、次に450〜650度で時効します。合金の元のマトリックスに微細な相が析出し、合金の強化メカニズムである分散分布の第2相を形成します。 他のタイプのチタン合金と比較して、-チタン合金は時効中により多くの相を析出し、転位の移動を妨げる-相界面をより多く含むため、-チタン合金の室温強度は最も高くなります。
変形や破壊時に金属材料がエネルギーを吸収する能力は、靭性と呼ばれます。 材料が吸収するエネルギーが多いほど、靭性が高くなります。 破壊靭性は材料の靭性の指標であり、亀裂やその他の鋭い欠陥の伝播に対する材料の耐性を反映しています。 一般に、チタン合金の破壊靭性と強度は逆の傾向を示します。つまり、強度が高くなると破壊靭性が低下します。 航空宇宙産業におけるチタン合金の応用を研究するには、優れた強度と破壊靭性を備えた微細構造、および加工技術と熱処理体制を設計する必要があります。 合金組成と微細構造は、ベータ チタン合金の破壊靭性を決定する 2 つの主な要因です。 合金組成は、合金中のベータ相の量、ならびに合金のタイプおよび破壊靭性を決定します。 微細構造の形態、量、および体積も、合金の破壊靭性に影響を与えます。 Fu Yanyan らは、チタン合金の安定化元素と中間サイズの元素 Zr が合金の強度を向上させ、破壊靭性を低下させることができると信じていました。 微粒子は時効チタン合金の強度を効果的に向上させることはできず、Ti-15-3 合金の破壊靭性を低下させますが、-C および Ti-1023 合金の破壊靭性には大きな影響を与えません。
時効チタン合金の強度は、主に時効によって析出する二次相の含有量とサイズに依存します。 同じ一次相を含む場合、微細な二次相は合金の強度を著しく向上させることができる。
初相の粗大化と初相の球状からフレーク状への変態は、チタン合金の延性の低下と破壊靭性の増加につながります。 チタン合金のデュアルモード構造は、強度、延性、靭性のバランスが取れています。
チタン合金が広く使用されている理由は、エージング後に他のタイプのチタン合金にはない高強度と高可塑性という利点があるためです。 同時に、チタン合金の熱処理可能な強化と深部硬化能力により、航空機の胴体と翼の好ましい構造材料としてプラス二相チタン合金に徐々に取って代わり、ますます重要な役割を果たしています。航空宇宙産業。 ますます重要な役割。
2 航空機用チタン合金の開発と応用
1950 年代、軍用機は超音速の時代に入り、元のアルミニウムと鋼の構造はもはや新しい要求を満たすことができなくなりました。 チタン合金が工業開発の段階に入ったのはこの時でした。 チタン合金は、低密度、高比強度、耐食性、耐高温性、非磁性、溶接可能、広い使用温度範囲 (269 ～ 600 度 ) などの優れた特性を備えており、さまざまな部品の成形、溶接、機械加工に使用できます。 . 航空学はすぐに広く使われるようになりました。 1950年代初頭、軍用機は熱シールド、テールカウル、胴体後部のスピードブレーキなど、応力の少ない構造部品を工業用純チタンで製造するようになりました。 1960 年代には、航空機のフラップ スライディング、耐荷重性の隔壁、翼中央のボックス ビーム、着陸装置のビームなど、応力がかかる主要な構造部品にチタン合金がさらに適用されました。 1970 年代までに、航空機構造におけるチタン合金の用途は、戦闘機から大型の軍用爆撃機や輸送機にまで拡大し、多数のチタン合金構造物が民間航空機にも使用されるようになりました。
1980年代に入ると、民間航空機に使用されるチタンが徐々に増加し、軍用機に使用されるチタンを凌駕しています。 航空機が高度になるほど、より多くのチタンが使用されます。 表 3 と表 5 は、米国の第 3 世代と第 4 世代の戦闘機、高度な爆撃機、および輸送機で使用されているチタン材料の質量分率、一般的な航空機で使用されているチタン合金の種類、およびチタン合金と複合材料の量を示しています。エアバス機に採用。 表 5 からわかるように、エアバス A380 航空機でのチタンの使用率は 10% に達しており、チタンは現代の航空機に不可欠な構造材料になっています。 さまざまな用途に応じて、航空用チタン合金は、航空機エンジン用チタン合金、航空機胴体用チタン合金、航空ファスナー用チタン合金に分けることができます。 近年、人々は上記の 3 つの側面における航空チタン合金の応用について詳細な研究を行ってきました。
要約すると、チタン合金は推力対重量比が大きく、靭性が高く、強度と溶接性に優れており、総合的な特性に優れた航空材料です。 過去数十年の間に、航空用チタン合金の合金理論、包括的な強化および強化技術、および熱処理プロセスが大幅に開発されました。 現在、チタン合金に関する研究は、主に高温での熱安定性、耐クリープ性、および低コストのチタン合金の設計と製造プロセスに焦点を当てています。 研究の深化に伴い、チタン合金の低コスト処理の技術的進歩は、ハイエンドの航空用途によって推進され、それにより、航空用チタン合金の投与量と用途レベルの改善を制限するコストのボトルネックを根本的に打ち破ります。 それほど遠くない将来、オールチタンの航空機が現実になるかもしれません。
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ニコル
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