美國F-22戰(zhàn)斗機(jī)結(jié)構(gòu)用鈦材

F-22 戰(zhàn)斗機(jī)是由美國洛克希德· 馬丁和波音軍用飛機(jī)公司聯(lián)合研制的單座、雙發(fā)、雙垂尾的高隱身性、高機(jī)動性的第四代戰(zhàn)斗機(jī)，該機(jī)具有優(yōu)異的隱身性能、靈敏性、精確度和態(tài)勢感知能力，同時具備空對空和空對地作戰(zhàn)能力，是當(dāng)今世界進(jìn)入現(xiàn)役的綜合性能最佳的戰(zhàn)斗機(jī)。該機(jī)主要用于取代美軍第三代主力戰(zhàn)機(jī)F-15 鷹式戰(zhàn)斗機(jī)，其作戰(zhàn)效能是F-15 戰(zhàn)斗機(jī)的3 倍。F-22 戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)長18.90m、機(jī)身高度5.08m、翼展13.56m、空重19700kg、最大起飛重量38000kg。

洛克希德· 馬丁公司負(fù)責(zé)F-22 戰(zhàn)斗機(jī)前部機(jī)身、中部機(jī)身、尾部、起落架、輔助系統(tǒng)的研制生產(chǎn)以及總裝測試，波音軍用飛機(jī)公司承擔(dān)后機(jī)身、機(jī)翼以及航電系統(tǒng)的研制生產(chǎn)。該飛機(jī)在設(shè)計(jì)選材方面主要考慮了非常規(guī)機(jī)動帶來的結(jié)構(gòu)減重要求和超音速巡航帶來的結(jié)構(gòu)升溫要求以及與隱身需求等。基于這種設(shè)計(jì)思路，在技術(shù)驗(yàn)證機(jī)YF-22 的結(jié)構(gòu)選材上，鋁合金材料占結(jié)構(gòu)總重的35%、鈦合金材料占結(jié)構(gòu)總重的24%、高強(qiáng)鋼占結(jié)構(gòu)總重的5%、復(fù)合材料占總重的23%、其他材料13%。但是在后續(xù)進(jìn)行的實(shí)彈射擊抗損試驗(yàn)測試中發(fā)現(xiàn)，采用全復(fù)合材料制造的機(jī)翼翼梁對于30mm 炮彈的抗打擊效果不理想，為了提高機(jī)翼翼梁的抗炮彈打擊能力以及提高飛機(jī)的生存能力，量產(chǎn) F-22 戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)翼采用了鈦合金材料主梁+ 復(fù)合材料輔梁的混合結(jié)構(gòu)。據(jù)美國BLATS 計(jì)劃研究，對于飛行速度2Ma 的飛機(jī)其結(jié)構(gòu)用鈦量達(dá)到45% 時，飛機(jī)最輕，而結(jié)構(gòu)用鈦量為25%時飛機(jī)設(shè)計(jì)制造成本最低。所以，為了改善飛機(jī)的整體飛行性能，加大了鈦合金材料的使用量，在量產(chǎn)的F-22戰(zhàn)斗機(jī)上，鋁合金材料比重降低到20%、鈦合金材料比重增加到41%、鋼鐵材料比重保持5%、復(fù)合材料比重24%、其他材料比重10%。

F-22 戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)身設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)的半硬殼式結(jié)構(gòu)，機(jī)身分為前機(jī)身、中機(jī)身和后機(jī)身3 個部分。前機(jī)身制造材料主要有鋁合金和復(fù)合材料，鋁合金占到一半以上；中機(jī)身的部分隔框、加強(qiáng)框、下部縱梁使用鈦合金材料制造；后機(jī)身的前梁、隔框、龍骨壁板、部分蒙皮使用鈦合金材料制造，鈦合金占到55% 以上；機(jī)翼的根部翼身連接加強(qiáng)肋、前梁、中間梁、后梁等采用鈦合金材料制造，量產(chǎn)F-22 戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)中鈦合金的比重達(dá)到了47%。量產(chǎn)F-22 戰(zhàn)斗機(jī)結(jié)構(gòu)中鈦合金材料的使用情況如圖1 所示，采用Ti-6AL-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo（Ti62222）鈦合金材料制造的結(jié)構(gòu)部件有前梁、平尾轉(zhuǎn)軸、下部縱梁、發(fā)動機(jī)支架、尾部接頭等，采用Ti-6Al-4V 鈦合金材料制造的結(jié)構(gòu)部件有座艙罩蓋、斜隔框、輔助動力裝置進(jìn)氣口框、檔板鉸鏈接頭、副翼支撐架、副翼鉸鏈接頭、方向舵轉(zhuǎn)動支架、方向舵鉸鏈接頭、機(jī)翼主翼面零組件等，采用Ti-6Al-4V ELI 鈦合金材料制造的結(jié)構(gòu)部件有翼梁、隔框及機(jī)體、前珩梁、后珩梁、縱梁等。同樣采用Ti-3Al-2.5V 鈦合金材料制造各類液壓、燃油管件。

F-22 結(jié)構(gòu)中主要使用了Ti-6Al-4V ELI 和Ti-6Al2Sn-2Zr-2Cr-2Mo 兩種鈦合金材料，其中Ti-6Al-4V鈦合金毛坯有鍛態(tài)和鑄態(tài)兩種形式，Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo 鈦合金毛坯為鍛態(tài)。Ti-6Al-4V ELI 低間隙鈦合金鍛件占到整個飛機(jī)鍛件的2/3 左右，該機(jī)大量使用β 退火狀態(tài)的Ti-6Al-4V ELI 低間隙鈦合金鍛件，其目的是獲得良好的損傷容限性能（即良好的抗裂紋擴(kuò)展能力和斷裂韌性），同時提高可加工性能。Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo 鈦合金是專門開發(fā)的可深度淬透的和中溫使用的高強(qiáng)高韌鈦合金，采用β 固溶處理加時效的熱處理工藝，以獲得良好的強(qiáng)度與斷裂韌性匹配。按照坯料使用狀態(tài)統(tǒng)計(jì)，Ti-6Al-4V ELI 鈦合金鍛件占73%、Ti-6Al-4V 鈦合金鑄件占16%、Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo 鈦合金鍛件占6%，其他占5%，單價飛機(jī)整機(jī)使用鈦合金超過2721.55kg。F-22 戰(zhàn)斗機(jī)上最大的鈦合金整體模鍛件是中機(jī)身與后機(jī)身加強(qiáng)框鍛件，采用Ti-6Al-4VELI 鈦合金制造。中機(jī)身的4 個整體隔框鍛件是目前世界大型鈦合金模鍛件的代表。中機(jī)身即中央翼盒，連接前機(jī)身、后機(jī)身、兩側(cè)機(jī)翼與起降系統(tǒng)，受力最為嚴(yán)苛，所以在設(shè)計(jì)時采用整體模鍛件，中機(jī)身“583”隔框模鍛件中最大的重量達(dá)到2770kg，鍛造投影面積達(dá)到5.53m。后機(jī)身的發(fā)動機(jī)艙框架模鍛件采用分段設(shè)計(jì)，包括3 個中央的“H”型框鍛件和兩個“T”型框鍛件，共計(jì)5 個后機(jī)身隔框模鍛件，后機(jī)身框模鍛件最大的長3.8m、寬1.7m、重1590kg、鍛造投影面積達(dá)到5m2。最大Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo 鈦合金鍛件是下龍骨弦桿，長3.962m。F-22 飛機(jī)上使用的大型鈦合金鍛件由美國懷曼戈登公司在其45000t 模鍛壓力機(jī)上研制生產(chǎn)。

對于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用鍛造工藝無法制造的零部件或制造復(fù)雜、成本高的組合件，設(shè)計(jì)中采用Ti-6Al-4V 鈦合金精密鑄造+ 熱等靜壓（β 退火）工藝制造，F(xiàn)-22 戰(zhàn)斗機(jī)上使用的鈦合金鑄件大約有76 件左右，包括傾斜隔板、輔助動力裝置入口框、座艙面板、主機(jī)翼組件、方向舵鉸鏈副等，鈦合金鑄件的大量使用減少了螺栓機(jī)械連接的數(shù)量，降低了制造成本和工藝難度。