曹春曉院士：鈦與航空的不解之緣

yuanyukun888 6年前 (2017-06-20) 4410瀏覽

鈦是一種年輕的金屬。直到1950年左右，它才成為工業性金屬。鈦一誕生，就與航空結下不解之緣，似乎就是為航空而“生”，為航空而“長大成人”的。就世界范圍而言，從20世紀50年代到現在，鈦市場中最大的用戶始終屬于航空。因此，人們通常把鈦稱為“空中金屬”，有時干脆稱為“航空之子”。

鈦合金在飛機機體結構中的用量不斷創新高

大型飛機鈦用量隨年份的變化

上圖表明，商用客機與軍用運輸機的鈦用量不斷創新高。

美國戰斗機和轟炸機的鈦用量也不斷創新高，在F/A-22上達到了高峰，坐上了第一把交椅。我國商用客機機體機構鈦用量從ARJ21的4.8%提高至C919的7.3%-9.3%（波音757和777分別為6%和7%-8%）。我國殲擊機機體結構的鈦用量按不同機種從早期的“零”和2%逐步提高至15%、20%和25%。

鈦合金在航空領域“飛黃騰達”的緣由

世界各國國防系統和民航系統日新月異的發展，要求飛機及其發動機通過減輕結構重量等有效途徑，不斷改善使用性能、提高安全可靠性和降低全壽命成本。

60年來，鈦合金通過持續的合金創新、工藝創新和工程應用，永不止步地一再挖掘出鈦潛在的能力，其比強度、耐熱性、抗蝕性等方面的優越性日益充分地被發揮出來，其成本較高的問題則逐漸得到不同程度的解決，其使用可靠性也隨設計應用經驗的日積月累而不斷提高。鈦合金的上述發展態勢恰恰適應了航空工業不斷提升的需求，甚至在某些方面以超前的姿態促進了飛機及其發動機的發展。這也正是鈦合金在航空領域“飛黃騰達”的原因所在。

越來越苛求的結構輕量化指標迫使鈦合金用量不斷創新高

波音787雖然已大量采用復合材料，但在研制過程中發現仍存在結構重量超重問題，為了達到減重2500千克的目標，波音公司不得不在2006～2007年期間再投入3億美元的經費，研究某些部位用鈦合金取代鋁合金以解決超重問題，否則將不能兌現減少燃油消耗20%的關鍵性承諾。波音787鈦用量達15%的這一新紀錄就是這樣誕生的。

俄羅斯正在研制新一代的150座級的客機MS-21，計劃在2016年推出。可能是考慮到俄羅斯的現有基礎，MS-21客機的復合材料用量為40%，低于波音787的50%。為了達到減重等目標，俄羅斯采取了大幅度提高鈦合金用量的技術途徑來彌補。于是客機機體鈦合金用量高達25%的新世界紀錄將由MS-21創造（當前的世界最高紀錄是波音787的15%）。

鈦合金特有的一些性質加強了鈦在選材中的競爭地位

由于復合材料中的C纖維與鋁合金之間存在較大的電位差，因此在選用材料時應避免C纖維復合材料與鋁合金零部件直接接觸而產生電化學腐蝕。然而，鈦合金與復合材料之間卻不會產生接觸腐蝕，很適合用來制造緊固件等與復合材料接觸的零部件。因此，在新一代客機大量選用復合材料之時，作為復合材料“最佳伴侶”的鈦合金，其用量的猛增也含有一些“水漲船高”的意味。

至于戰斗機等軍用飛機上鈦合金用量之所以不斷創歷史新高，則除了與客機相同的上述原因外，成本允許較高、使用條件（飛行速度、機動性、抗攻擊性……等）更惡劣等因素也是促使軍用飛機的鈦合金用量顯著高于民機的緣故。例如F/A-22的復合材料用量從初始設計的47.7%降至后期的24.2%，眾多原因之一就是一些復合材料零部件的抗實彈射擊能力較差而不得不改用鈦合金。F/A-22最終的鈦合金用量高達40%左右而創造了戰斗機發展史的最高世界紀錄。

合金創新是鈦用量不斷創新高的驅動力之一

β型鈦合金的全面推出

廣義的β型鈦合金包含近β型鈦合金.美國先后推出的Ti-1023、Ti-153、β21S、Ti-55531和俄羅斯推出的BT22不僅均具有高的強度和工藝性能,而且具有較高的斷裂韌性或優良的抗氧化、抗腐蝕性能，從而吸引了飛機設計師的眼球。例如上世紀90年代推出的波音777率先全面應用Ti-1023、Ti-153和β21S而將鈦合金用量推至新的高度（7.5%）。BT22廣泛應用于俄羅斯的軍用和民用飛機上。Ti-55531則應用于A380機翼與掛架的連接裝置。

B777選材圖

Ti-10-2-3在波音777主起落架上應用的部位　

波音777的Ti-10-2-3主起落架載重梁

（在美國的450MN液壓機上模鍛而成）

A380飛機上也選用了Ti1023合金大型鍛件制造了起落架關鍵零件。為了適應大型航空鍛件的需求，我國已自主設計制造了迄今世界上最大的模鍛液壓機。

用于A380飛機起落架的Ti1023合金大型鍛件（迄今世界上重量最大的鈦合金航空鍛

件），在俄羅斯的750MN液壓機上模鍛而成

高溫鈦合金的不斷發展

國內外通過高溫鈦合金的不斷創新，已將鈦合金的最高使用溫度提高至600℃，從而使鈦合金擴大使用于高壓壓氣機的后端。

工藝創新是鈦用量不斷創新高的另一驅動力

鈦合金大型整體復雜構件精鑄技術的突飛猛進為擴大鈦在航空領域的應用開辟了道路。

原來飛機及其發動機上長期不敢選用鑄造鈦合金而全部選用變形鈦合金（鍛件、板材、型材、棒材等）,主要原因是擔心鑄件內部難以避免縮孔、疏松等各種缺陷和難以保證足夠的疲勞強度等力學性能。近二十多年來，通過計算機模擬、熱等靜壓、β熱處理等創新性工藝技術的應用，解決了上述長期擔心的關鍵問題，從而促使F/A-22、V-22等軍用飛機敢于率先選用鈦合金鑄件。

F/A-22戰斗機共用了54個鈦合金鑄件，占飛機總結構重量的7.1%。

　F/A-22戰斗機垂尾方向舵作動筒支座鑄件（大型整體結構）

F/A-22選用的鈦合金鑄件

V22 Osprey飛機（左圖）及其選用的Ti-6AI-4V合金轉接座鑄件（右圖）

下圖是 V22飛機轉接座前后兩種方案的對比示意圖：圖a為原方案，是由43個零件和536個緊固件組成的；圖b為后來改用的整體精鑄方案，只要3個零件和32個緊固件就能組成該轉接座，從而顯著減輕結構重量，降低成本30%，減少加工和安裝時間62%。這一典例充分說明，為什么飛機設計師會如此青睞鈦合金大型整體精鑄技術的閃亮登臺。

V22飛機轉接座前后兩種方案的對比示意圖

美國大型軍用運輸機用的鈦合金整體結構精鑄件，它取代了原22個加工件，節省了大部分成本。

大型軍用運輸機用的鈦合金鑄件

上述軍用飛機的成功應用促進了鑄造鈦合金在大型飛機上的推廣應用。1999年，B777的發動機后安裝框架鈦合金精鑄件在零件靜力試驗成功后已用于B777。這是首次在民機上獲得成功應用，由于客機在安全可靠性方面的更高要求，故這一開端具有重要意義。

近期，A380客機的鈦合金剎車扭力管已由英國Doncasters公司采用離心熔模精鑄技術制成，這是歐洲首次采用鈦合金剎車扭力管精鑄件取代以往的鍛件。

顯著提高損傷容限的β熱處理工藝受到了飛機設計師們的青睞。

長期來鈦合金一直采用傳統的α+β熱處理工藝，創新型的β熱處理工藝的推出，使一些α+β鈦合金獲得很高的斷裂韌性KIC和很慢的疲勞裂紋擴展速率da/dN，顯著地增強了鈦合金在損傷容限設計的零部件中與鋼、鋁合金競選的實力。例如鈦合金用量高達40%左右的F/A-22主要就選用兩種高損傷容限的鈦合金Ti-6Al-4V（中強）和Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.2Si（高強）。例如F/A-22的幾個Ti-6Al-4V隔框鍛件和Ti-62222S結構件都采用了β熱處理工藝。