鈦合金在飛機結構件及緊固件多配的應用和發(fā)展

自萊特兄弟發(fā)明飛機以來，如何盡量減輕機體重量又不會降低結構強度一直就是航空業(yè)要優(yōu)先解決的難題之一。當集鋼的強度高和鋁的質地輕于一身的鈦投入批量生產后，自然讓“斤斤計較”的飛機設計師們如獲至寶，幾乎包下了早期所有的鈦產品，鈦因而又被捧為“空中金屬”。在實際應用中，除了能夠大幅減輕內部結構重量外，鈦合金還能取代耐熱性較差的鋁合金用在飛機機身上的高溫部位，以及在發(fā)動機中取代部分鋼制部件，可減重超過30%，有利于提高推重比。隨著飛機上使用的復合材料越來越多，鈦合金不僅在強度和剛度上有較好的匹配性，而且兩者之間不易產生電化學腐蝕，因此相應部位的結構件和緊固件多配以鈦合金。此外，鈦合金具有相當高的疲勞強度和抗腐蝕性，可以滿足飛機和發(fā)動機在可靠性和使用壽命上越來越高的要求。

1949年美國道格拉斯飛機公司采購了第一批用于制造飛機的鈦，主要用在DC-7運輸機的發(fā)動機艙和隔熱板上，同時期北美航空的F-100戰(zhàn)斗機也開始使用鈦材料。洛克希德公司在研制SR-71“黑鳥”高空戰(zhàn)略偵察機時，由于設計指標要求最高時速是音速的3倍，此時機體表面溫度將超過常用鋁制蒙皮的承受極限，換成鋼材又會大大增加重量，影響到飛行速度和升限等性能參數(shù)，因此必須大量使用鈦合金。結果每架SR-71上用到的鈦有30t，達到飛機結構總重量的93%，號稱“全鈦飛機”。到目前為止還沒有其它飛機能夠打破這一用鈦比例紀錄，然而追求高性能的軍用飛機對鈦及其合金的需求仍居高不下。鈦不僅用在機體結構和發(fā)動機上，象A-10、蘇-25等對地攻擊機還在飛行員座艙兩側加裝了鈦合金裝甲，以提高低空作戰(zhàn)時的防護能力。

我國鈦資源蘊藏豐富，在1956年就建立起鈦合金實驗室，對鈦的研究和應用從仿制起步逐漸走向自主創(chuàng)新，形成了有自己特色的航空鈦合金材料體系。196O年代投產的殲-7殲擊機上用到的鈦部件只有9kg，后來的殲-8白天型殲擊機的鈦部件增至60kg，到1980年代使殲-8Ⅱ的鈦用量達到93kg，但也只占結構總重量的2%。在航空發(fā)動機方面，為殲-7、殲-8系列配套的渦噴-13發(fā)動機鈦用量為13％，渦噴-14“昆侖”發(fā)動機為15%，與國外同期先進水平都有著不小的差距。自上世紀末以來，我國科研機構積極開展對高溫鈦合金、高強高韌鈦合金、阻燃鈦合金和顆粒增強鈦基復合材料以及重點型號機體用鈦合金的研制。第三代戰(zhàn)機上的鈦用量已上升到15%，下一代高性能戰(zhàn)機有望達到30%，而渦扇-10“太行”發(fā)動機的鈦用量也增至25%左右。我國雖然已是產鈦大國，但目前航空航天領域對鈦的使用量尚不到總量的20%。隨著國產大飛機和新型戰(zhàn)機項目的推進，我國航空市場進入了快速發(fā)展階段，預計對鈦材的需求量將以每年15～20%的速度增長，將加快我國鈦合金的加工技術和應用水平的提高。

美國在研制第四代戰(zhàn)機F-22“猛禽”時，原型機YF-22上的鈦合金結構比重只有24%。然而在實彈射擊測試時發(fā)現(xiàn)，原本全部采用復合材料制造的機翼翼梁對30毫米炮彈的抗打擊效果不理想，導致飛機生存能力降低，后來改成鈦合金主翼梁加復合材料輔助梁的混合結構，鈦合金用量占到機翼結構重量的47%。F-22的機身上也采用了大量的鈦合金部件，包括機艙整體隔框、機身側壁板、操縱支架、平尾后梁和液壓管路系統(tǒng)等，其中后機身的鈦合金用量占到該處結構重量的55%。最終F-22上的鈦合金結構比重高達41%，超過了復合材料的24%、鋁合金的15%和鋼的5%，所配套的F119發(fā)動機內部及其噴管等處也使用到鈦合金和鈦基復合材料，鈦又一次在整機制造材料中坐上了頭把交椅。而螺栓、鉚釘?shù)染o固件看著雖小，但需要量很大，換成鈦合金也能減輕不少重量。如C-5A大型運輸機上有70%的緊固件為鈦合金，可直接減重1t，同時強度提高相應減小了蒙皮和加固件的厚度，帶來結構上的優(yōu)化使機身又可減重3.5t。出于經濟成本的考慮，在性能要求相對較低的民用飛機上鈦合金的使用比例沒有軍用飛機那么高，但同樣呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢。而且用于載客運輸?shù)拿裼蔑w機在總重量上通常要比軍用飛機大得多，因此每架飛機所消耗掉的鈦原材料在絕對量上也是相當可觀的。以波音公司的系列干線客機為例，早期B707的鈦部件用量僅占結構總重量的0.2%，而在最新的B787上已經達到15%，除了用于耐高溫和耐腐蝕部位外，還因為B787上有50%是復合材料而相應采用了大量鈦合金連接件和緊固件。