曹春晓院士：钛与航空的不解之缘

yuanyukun888 8年前 (2017-06-20) 5284浏览

钛是一种年轻的金属。直到1950年左右，它才成为工业性金属。钛一诞生，就与航空结下不解之缘，似乎就是为航空而“生”，为航空而“长大成人”的。就世界范围而言，从20世纪50年代到现在，钛市场中最大的用户始终属于航空。因此，人们通常把钛称为“空中金属”，有时干脆称为“航空之子”。

钛合金在飞机机体结构中的用量不断创新高

大型飞机钛用量随年份的变化

上图表明，商用客机与军用运输机的钛用量不断创新高。

美国战斗机和轰炸机的钛用量也不断创新高，在F/A-22上达到了高峰，坐上了第一把交椅。我国商用客机机体机构钛用量从ARJ21的4.8%提高至C919的7.3%-9.3%（波音757和777分别为6%和7%-8%）。我国歼击机机体结构的钛用量按不同机种从早期的“零”和2%逐步提高至15%、20%和25%。

钛合金在航空领域“飞黄腾达”的缘由

世界各国国防系统和民航系统日新月异的发展，要求飞机及其发动机通过减轻结构重量等有效途径，不断改善使用性能、提高安全可靠性和降低全寿命成本。

60年来，钛合金通过持续的合金创新、工艺创新和工程应用，永不止步地一再挖掘出钛潜在的能力，其比强度、耐热性、抗蚀性等方面的优越性日益充分地被发挥出来，其成本较高的问题则逐渐得到不同程度的解决，其使用可靠性也随设计应用经验的日积月累而不断提高。钛合金的上述发展态势恰恰适应了航空工业不断提升的需求，甚至在某些方面以超前的姿态促进了飞机及其发动机的发展。这也正是钛合金在航空领域“飞黄腾达”的原因所在。

越来越苛求的结构轻量化指标迫使钛合金用量不断创新高

波音787虽然已大量采用复合材料，但在研制过程中发现仍存在结构重量超重问题，为了达到减重2500千克的目标，波音公司不得不在2006～2007年期间再投入3亿美元的经费，研究某些部位用钛合金取代铝合金以解决超重问题，否则将不能兑现减少燃油消耗20%的关键性承诺。波音787钛用量达15%的这一新纪录就是这样诞生的。

俄罗斯正在研制新一代的150座级的客机MS-21，计划在2016年推出。可能是考虑到俄罗斯的现有基础，MS-21客机的复合材料用量为40%，低于波音787的50%。为了达到减重等目标，俄罗斯采取了大幅度提高钛合金用量的技术途径来弥补。于是客机机体钛合金用量高达25%的新世界纪录将由MS-21创造（当前的世界最高纪录是波音787的15%）。

钛合金特有的一些性质加强了钛在选材中的竞争地位

由于复合材料中的C纤维与铝合金之间存在较大的电位差，因此在选用材料时应避免C纤维复合材料与铝合金零部件直接接触而产生电化学腐蚀。然而，钛合金与复合材料之间却不会产生接触腐蚀，很适合用来制造紧固件等与复合材料接触的零部件。因此，在新一代客机大量选用复合材料之时，作为复合材料“最佳伴侣”的钛合金，其用量的猛增也含有一些“水涨船高”的意味。

至于战斗机等军用飞机上钛合金用量之所以不断创历史新高，则除了与客机相同的上述原因外，成本允许较高、使用条件（飞行速度、机动性、抗攻击性……等）更恶劣等因素也是促使军用飞机的钛合金用量显著高于民机的缘故。例如F/A-22的复合材料用量从初始设计的47.7%降至后期的24.2%，众多原因之一就是一些复合材料零部件的抗实弹射击能力较差而不得不改用钛合金。F/A-22最终的钛合金用量高达40%左右而创造了战斗机发展史的最高世界纪录。

合金创新是钛用量不断创新高的驱动力之一

β型钛合金的全面推出

广义的β型钛合金包含近β型钛合金.美国先后推出的Ti-1023、Ti-153、β21S、Ti-55531和俄罗斯推出的BT22不仅均具有高的强度和工艺性能,而且具有较高的断裂韧性或优良的抗氧化、抗腐蚀性能，从而吸引了飞机设计师的眼球。例如上世纪90年代推出的波音777率先全面应用Ti-1023、Ti-153和β21S而将钛合金用量推至新的高度（7.5%）。BT22广泛应用于俄罗斯的军用和民用飞机上。Ti-55531则应用于A380机翼与挂架的连接装置。

B777选材图

Ti-10-2-3在波音777主起落架上应用的部位　

波音777的Ti-10-2-3主起落架载重梁

（在美国的450MN液压机上模锻而成）

A380飞机上也选用了Ti1023合金大型锻件制造了起落架关键零件。为了适应大型航空锻件的需求，我国已自主设计制造了迄今世界上最大的模锻液压机。

用于A380飞机起落架的Ti1023合金大型锻件（迄今世界上重量最大的钛合金航空锻

件），在俄罗斯的750MN液压机上模锻而成

高温钛合金的不断发展

国内外通过高温钛合金的不断创新，已将钛合金的最高使用温度提高至600℃，从而使钛合金扩大使用于高压压气机的后端。

工艺创新是钛用量不断创新高的另一驱动力

钛合金大型整体复杂构件精铸技术的突飞猛进为扩大钛在航空领域的应用开辟了道路。

原来飞机及其发动机上长期不敢选用铸造钛合金而全部选用变形钛合金（锻件、板材、型材、棒材等）,主要原因是担心铸件内部难以避免缩孔、疏松等各种缺陷和难以保证足够的疲劳强度等力学性能。近二十多年来，通过计算机模拟、热等静压、β热处理等创新性工艺技术的应用，解决了上述长期担心的关键问题，从而促使F/A-22、V-22等军用飞机敢于率先选用钛合金铸件。

F/A-22战斗机共用了54个钛合金铸件，占飞机总结构重量的7.1%。

　F/A-22战斗机垂尾方向舵作动筒支座铸件（大型整体结构）

F/A-22选用的钛合金铸件

V22 Osprey飞机（左图）及其选用的Ti-6AI-4V合金转接座铸件（右图）

下图是 V22飞机转接座前后两种方案的对比示意图：图a为原方案，是由43个零件和536个紧固件组成的；图b为后来改用的整体精铸方案，只要3个零件和32个紧固件就能组成该转接座，从而显著减轻结构重量，降低成本30%，减少加工和安装时间62%。这一典例充分说明，为什么飞机设计师会如此青睐钛合金大型整体精铸技术的闪亮登台。

V22飞机转接座前后两种方案的对比示意图

美国大型军用运输机用的钛合金整体结构精铸件，它取代了原22个加工件，节省了大部分成本。

大型军用运输机用的钛合金铸件

上述军用飞机的成功应用促进了铸造钛合金在大型飞机上的推广应用。1999年，B777的发动机后安装框架钛合金精铸件在零件静力试验成功后已用于B777。这是首次在民机上获得成功应用，由于客机在安全可靠性方面的更高要求，故这一开端具有重要意义。

近期，A380客机的钛合金刹车扭力管已由英国Doncasters公司采用离心熔模精铸技术制成，这是欧洲首次采用钛合金刹车扭力管精铸件取代以往的锻件。

显著提高损伤容限的β热处理工艺受到了飞机设计师们的青睐。

长期来钛合金一直采用传统的α+β热处理工艺，创新型的β热处理工艺的推出，使一些α+β钛合金获得很高的断裂韧性KIC和很慢的疲劳裂纹扩展速率da/dN，显著地增强了钛合金在损伤容限设计的零部件中与钢、铝合金竞选的实力。例如钛合金用量高达40%左右的F/A-22主要就选用两种高损伤容限的钛合金Ti-6Al-4V（中强）和Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.2Si（高强）。例如F/A-22的几个Ti-6Al-4V隔框锻件和Ti-62222S结构件都采用了β热处理工艺。