钛及钛合金行业

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钛在航天领域的应用

   2022-09-19 650

  在航天工业中的应用,主要利用其低密度、高强度、耐高温、耐腐蚀等性能。

  钛在航天工业中应用也达到了减轻发射重量、增加射程、节省费用的目的,是航天工业的热门材料。在火箭、导弹和航天工业中可用作压力容器、燃料贮箱、火箭发动机壳体、火箭喷嘴套管、人造卫星外壳、载人宇宙飞船船舱(蒙皮及结构骨架)、起落架、登月舱、推进系统等。

  美国一级火箭发动机壳体材料广泛使用的是Ti-6Al-4V合金。使用该合金的还有:巨形圆筒状的液体火箭容器;洲际弹道导弹、“民兵”导弹等多个球形和椭圆形的发动机壳体等。另一方面,由于Ti-6Al-4VELI和Ti-5Al-2.5SnELI合金间隙元素特别是氧含量低,能在超低温下使用,所以这些合金都用作火箭与导弹液态氢容器、“水星”宇宙飞船及“双子星座”飞船的密封舱,以及在月球上着陆成功的“阿波罗(Apollo)”宇宙飞船的主要结构件。

  航天工业使用的钛及钛合金中除了使用了工业纯钛、Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-6Al-4VELI和Ti-5Al-2.5SnELI以外,还有Ti-7Al-4Mo、Ti-3Al-2.5V、Ti-13V-1Cr-Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al及Ti/B-Al复合材料。

  宇宙飞船航天飞机,是能够反复使用的世界上最早载人的宇宙飞船。从1972年开始研制,1981年第一次飞行成功。宇宙飞船由有小形翼的飞行器和47m长的外部燃料容器及总计500t的2座固体燃料火箭助推器构成。

  轨道宇宙飞船,长37m,重约68t,该尺寸和喷气式运输机DC-9大体相同,是迄今最大的载人宇宙飞船,其货仓长度为18m,直径为5m,能把29.5t的货物运送到地球轨道上。

  航天飞机能像火箭那样发射,并像宇宙飞船那样,在最大高度1000km的轨道上飞行,在没有推力的情况下,能像飞机那样滑翔着陆。这种航天飞机,本质上是宇宙运输船,所以,判断其有用性的参数之一,是往返于地球和地球轨道间运输的有效载重量。为使这个有效载重量最大,钛合金成为航天电机构件的重要材料。

  轨道宇宙飞船的设计寿命为100次飞行,每次飞行在宇宙间停留日期为7~30天,宇宙飞船是载人的,所以设计成能适应宇宙空间环境(真空、在轨道上的极端温差、返回大气层时的发热等),并反复使用。

  1.高压容器

  钛合金由于能减轻宇宙飞船绕轨道飞行器的总重量,因此使用在很多地方。钛的主要使用部分是装入所必需的燃料及气体的高压容器。轻量的钛合金制容器,在美国国家宇航局的双子星座飞船、阿波罗飞船两计划上研制成功,采用Ti-6Al-4V合金。阿波罗飞船上的铁制压力容器,已实际使用了没有前例的安全系数为1.5的设计,以前是用安全系数约为4进行设计的。为使轨道航天飞机高压贮藏容器进一步轻量化,采用在薄壁钛容器的表面上,加上白雀纤维(美国杜邦公司生产的芳香族有机纤维)的方法。

  贮存压缩气体的压力容器。“徘徊者”卫星和助推器共用了14个钛容器,共减轻质量272kg。

  贮存液体推进剂的压力容器。“阿波罗”飞船上使用了50个左右的压力容器,有85%是钛制的。大力神Ⅲ过渡级发动机,改用钛合金推进剂贮箱后重量减轻35%。

  2.发动机壳体

  固体燃料火箭发动机壳体。“民兵”洲际导弹第二级火箭发动机采用了Ti64合金重量减轻30%~40%。

  液体燃料火箭发动机壳体。“阿波罗”登月舱下降发动机燃烧室的承压壳是由Ti64合金制成。

  3.各种结构件

  钛合金还广泛用于各种结构件。“水星”号宇宙飞船的压力舱主要为钛材,占座舱重量的80%。“双子星座”号宇宙飞船所用钛合金牌号有7种,使用钛件570kg,占结构重量的84%。“阿波罗”号宇宙飞船的托架、夹具和紧固件均用钛制成,共使用68t钛材。

  4.油压配管

  航天飞机的油压配管使用Ti-3Al-2.5V合金制造的无缝管,由于采用这种合金,重量能够减轻40%以上,为了减少对疲劳断裂的敏感性和提高系统的实际寿命,各种管的装配采用了自动成形。


 
标签: 航天领域
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