鈦合金在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件及緊固件多配的應(yīng)用和發(fā)展

自萊特兄弟發(fā)明飛機(jī)以來(lái)，如何盡量減輕機(jī)體重量又不會(huì)降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度一直就是航空業(yè)要優(yōu)先解決的難題之一。當(dāng)集鋼的強(qiáng)度高和鋁的質(zhì)地輕于一身的鈦投入批量生產(chǎn)后，自然讓“斤斤計(jì)較”的飛機(jī)設(shè)計(jì)師們?nèi)绔@至寶，幾乎包下了早期所有的鈦產(chǎn)品，鈦因而又被捧為“空中金屬”。在實(shí)際應(yīng)用中，除了能夠大幅減輕內(nèi)部結(jié)構(gòu)重量外，鈦合金還能取代耐熱性較差的鋁合金用在飛機(jī)機(jī)身上的高溫部位，以及在發(fā)動(dòng)機(jī)中取代部分鋼制部件，可減重超過(guò)30%，有利于提高推重比。隨著飛機(jī)上使用的復(fù)合材料越來(lái)越多，鈦合金不僅在強(qiáng)度和剛度上有較好的匹配性，而且兩者之間不易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，因此相應(yīng)部位的結(jié)構(gòu)件和緊固件多配以鈦合金。此外，鈦合金具有相當(dāng)高的疲勞強(qiáng)度和抗腐蝕性，可以滿足飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)在可靠性和使用壽命上越來(lái)越高的要求。

1949年美國(guó)道格拉斯飛機(jī)公司采購(gòu)了第一批用于制造飛機(jī)的鈦，主要用在DC-7運(yùn)輸機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)艙和隔熱板上，同時(shí)期北美航空的F-100戰(zhàn)斗機(jī)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(jī)時(shí)，由于設(shè)計(jì)指標(biāo)要求最高時(shí)速是音速的3倍，此時(shí)機(jī)體表面溫度將超過(guò)常用鋁制蒙皮的承受極限，換成鋼材又會(huì)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(jié)果每架SR-71上用到的鈦有30t，達(dá)到飛機(jī)結(jié)構(gòu)總重量的93%，號(hào)稱“全鈦飛機(jī)”。到目前為止還沒有其它飛機(jī)能夠打破這一用鈦比例紀(jì)錄，然而追求高性能的軍用飛機(jī)對(duì)鈦及其合金的需求仍居高不下。鈦不僅用在機(jī)體結(jié)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)上，象A-10、蘇-25等對(duì)地攻擊機(jī)還在飛行員座艙兩側(cè)加裝了鈦合金裝甲，以提高低空作戰(zhàn)時(shí)的防護(hù)能力。

我國(guó)鈦資源蘊(yùn)藏豐富，在1956年就建立起鈦合金實(shí)驗(yàn)室，對(duì)鈦的研究和應(yīng)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(chǎn)的殲-7殲擊機(jī)上用到的鈦部件只有9kg，后來(lái)的殲-8白天型殲擊機(jī)的鈦部件增至60kg，到1980年代使殲-8Ⅱ的鈦用量達(dá)到93kg，但也只占結(jié)構(gòu)總重量的2%。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)方面，為殲-7、殲-8系列配套的渦噴-13發(fā)動(dòng)機(jī)鈦用量為13％，渦噴-14“昆侖”發(fā)動(dòng)機(jī)為15%，與國(guó)外同期先進(jìn)水平都有著不小的差距。自上世紀(jì)末以來(lái)，我國(guó)科研機(jī)構(gòu)積極開展對(duì)高溫鈦合金、高強(qiáng)高韌鈦合金、阻燃鈦合金和顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料以及重點(diǎn)型號(hào)機(jī)體用鈦合金的研制。第三代戰(zhàn)機(jī)上的鈦用量已上升到15%，下一代高性能戰(zhàn)機(jī)有望達(dá)到30%，而渦扇-10“太行”發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦用量也增至25%左右。我國(guó)雖然已是產(chǎn)鈦大國(guó)，但目前航空航天領(lǐng)域?qū)︹伒氖褂昧可胁坏娇偭康?0%。隨著國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)和新型戰(zhàn)機(jī)項(xiàng)目的推進(jìn)，我國(guó)航空市場(chǎng)進(jìn)入了快速發(fā)展階段，預(yù)計(jì)對(duì)鈦材的需求量將以每年15～20%的速度增長(zhǎng)，將加快我國(guó)鈦合金的加工技術(shù)和應(yīng)用水平的提高。

美國(guó)在研制第四代戰(zhàn)機(jī)F-22“猛禽”時(shí)，原型機(jī)YF-22上的鈦合金結(jié)構(gòu)比重只有24%。然而在實(shí)彈射擊測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，原本全部采用復(fù)合材料制造的機(jī)翼翼梁對(duì)30毫米炮彈的抗打擊效果不理想，導(dǎo)致飛機(jī)生存能力降低，后來(lái)改成鈦合金主翼梁加復(fù)合材料輔助梁的混合結(jié)構(gòu)，鈦合金用量占到機(jī)翼結(jié)構(gòu)重量的47%。F-22的機(jī)身上也采用了大量的鈦合金部件，包括機(jī)艙整體隔框、機(jī)身側(cè)壁板、操縱支架、平尾后梁和液壓管路系統(tǒng)等，其中后機(jī)身的鈦合金用量占到該處結(jié)構(gòu)重量的55%。最終F-22上的鈦合金結(jié)構(gòu)比重高達(dá)41%，超過(guò)了復(fù)合材料的24%、鋁合金的15%和鋼的5%，所配套的F119發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部及其噴管等處也使用到鈦合金和鈦基復(fù)合材料，鈦又一次在整機(jī)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(yùn)輸機(jī)上有70%的緊固件為鈦合金，可直接減重1t，同時(shí)強(qiáng)度提高相應(yīng)減小了蒙皮和加固件的厚度，帶來(lái)結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化使機(jī)身又可減重3.5t。出于經(jīng)濟(jì)成本的考慮，在性能要求相對(duì)較低的民用飛機(jī)上鈦合金的使用比例沒有軍用飛機(jī)那么高，但同樣呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢(shì)。而且用于載客運(yùn)輸?shù)拿裼蔑w機(jī)在總重量上通常要比軍用飛機(jī)大得多，因此每架飛機(jī)所消耗掉的鈦原材料在絕對(duì)量上也是相當(dāng)可觀的。以波音公司的系列干線客機(jī)為例，早期B707的鈦部件用量?jī)H占結(jié)構(gòu)總重量的0.2%，而在最新的B787上已經(jīng)達(dá)到15%，除了用于耐高溫和耐腐蝕部位外，還因?yàn)锽787上有50%是復(fù)合材料而相應(yīng)采用了大量鈦合金連接件和緊固件。