钛在航空领域的应用
1.飞机
(1)钛在飞机上的应用
航空工业是研制和应用钛及钛合金最早的部门，飞机和发动机如果没有钛，实际上就不可能制造出2.7马赫的超音速飞机。飞机发动机的质量每降低1kg，其使用费用通常可节约220~440美元。美国1950年首次在F84战斗轰炸机中采用工业纯钛制造后机身隔热板、导风罩和机尾罩等非承力构件。美国普拉特-惠特尼(Pratt Whitney)公司1954年开始用Ti-6Al-4V合金制造J57涡轮喷气发动机压气机转子盘和叶片。英国罗尔斯-罗伊斯(Rolls)Royce）公司于1954年在Avon发动机上使用了Ti-6Al-4V合金。
20世纪60年代以后，钛合金在发动机上的用量逐渐增加，主要用于风扇叶片、压气机叶片、盘、轴和机匣。钛合金在飞机结构中主要用于骨架、蒙皮、机身隔框、起落架、防火壁、机翼、尾翼、纵梁、舱盖、倍加器、龙骨、速动制动闸、停机装置、紧固件、前机轮、拱形架、襟翼滑轨、复板、路标灯和信号板等。60年代中期美国研制成功的YF-12A/SR-71侦察机，用钛量达95%，可以称为“全钛飞机”。20世纪80年代，欧美设计的各种先进军用战斗机和轰炸机中钛合金用量已经稳定在20%以上。
美国、欧洲和俄罗斯民航飞机用钛情况见表2-20，美国的亚音速民用波音飞机中钛的用量不断增加，1958年研制的波音707用钛81.6kg，占结构重量的0.3%；而1969年，研制的波音747使用的钛结构件重达3700kg，占结构重量的9%。而波音777使用的钛结构件重达5896.7kg，占结构重量的11%。波音777除使用Ti-6Al-4V钛合金外，还使用了Ti-1023、β-21S钛合金，另外还考虑使用Ti-62222S和Ti-4Al-4Mo-2Sn-0.5Si钛合金。
表2-20 美国、欧洲和俄罗斯民航飞机用钛情况
|
国家／公司 |
飞机 型号 |
首飞 年份 |
用钛量 /% |
飞机整体水平 |
||||
|
|
|
|
|
代级 |
发动机数 |
航程 |
座位数 |
机身 |
|
美国／波音公司 |
B707 |
1958 |
0.3 |
第一代 |
4 |
中短程 |
100 |
窄体 |
|
|
B737 |
1962 |
1.87 |
第二代 |
2 |
中短程 |
100~149 |
宽体 |
|
|
B747-100 |
1969 |
2.4 |
第三代 |
4 |
中远程 |
250~412 |
宽体 |
|
|
B757 B767 |
1982 1982 |
5 1.8 |
第四代 第四代 |
2 2 |
中远程 中远程 |
150~186 187~269 |
宽体 宽体 |
|
|
B777 |
1994 |
11 |
第五代 |
2 |
中远程 |
350以上 |
宽体 |
|
|
B787 |
2007 |
11 |
第五代 |
2 |
中远程 |
210~330 |
宽体 |
|
欧洲／空客公司 |
A300 |
1972 |
5 |
第三代 |
2 |
中远程 |
250以上 |
宽体 |
|
|
A310 |
1982 |
5 |
第三代 |
2 |
中远程 |
200以上 |
宽体 |
|
|
A320 |
1983 |
6 |
第四代 |
2 |
中短程 |
107~221 |
窄体 |
|
|
A330 |
1993 |
5 |
第四代 |
2 |
中远程 |
253~335 |
宽体 |
|
|
A340 |
1993 |
6 |
第四代 |
4 |
中远程 |
251~350 |
宽体 |
|
|
A380 |
2004 |
9 |
第五代 |
4 |
中远程 |
555~840 |
宽体 |
|
俄罗斯／图波列夫 |
Tu-154 |
1968 |
2 |
第二代 |
3 |
近中程 |
150~180 |
窄体 |
|
|
Tu-204 |
1989 |
9 |
第三代 |
2 |
近中程 |
190~214 |
宽体 |
|
|
Tu-334 |
1997 |
9 |
第四代 |
2 |
短程 |
102 |
窄体 |
在新型客机中还使用全钛框架，在飞机机体中还使用了Ti-6Al-4V(Ti-6Al-4VELD)Ti-3Al-2.5V、Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al、β-21S(Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.25Si)、T(Ti-662)、Ti-4Al-4Mo-2Sn等钛合金材料。
空中客车A380(AirbusA380)是欧洲空中客车工业公司研制生产的四发、550座级、双层、超大型远程宽体客机，其投产时也是全球载客量最大的客机，故有“空中巨无霸”之称。空客A380可以选配罗尔斯-罗伊斯公司的Trent 900发动机，或通用电气公司与普拉特-惠特尼公司联营的GP7200发动机，两款均为应用在波音777客机上发动机的衍生产品，Trent 900是Trent系列发动机的第四代产品，为满足A380需求而设计的发动机。A380用材方面，铝合金57%，复合材料26%，钛合金9%(约为60t)。这些先进材料的使用，改进了气动性能，减轻了飞机重量，减少了油耗和排放，使每人每公里油耗及二氧化碳排放更低，降低了营运成本。客机起飞时的噪声比当前噪声控制标准(ICAO)规定的标准要低得多。A380是首架每乘客百公里油耗不到3L的远程飞机。
波音B787，又称“梦想客机(Dreamliner)”，是波音公司最新型号的双发、远程、双层宽体机。设计始于2005年，已于2007年投入使用。机内两行通道，载客210~330人飞机可选用通用电气(GE)的GENX或罗尔斯-罗伊斯公司Trent-1000作为引擎，并且可以互换。飞机设计巡航速度为0.85马赫(水平面速度约每小时561海里或903km)。续航距离8500海里(15700km)，可由洛杉矶直飞伦敦，或纽约直飞东京。飞机用材方面：复合材料61%、铝合金20%、钛合金11%、钢8%。
俄罗斯上隴而达（VSMPO）用75000t锻压机生产Ti-10V-2Fe-3Al(Ti-1023)合金锻件，其锻件重3175kg，锻件的投影面积为1.23m?，是世界最大的航空锻件，它用于世界大型飞机B777和A380的主起落架载重梁。另外据报道Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr合金大型锻件已被用于大型飞机的起落架。
美国战机F-22用钛量则为41%，结构用钛36t，是第四代战斗机的代表，配了两台F119发动机，2台发动机用钛5t。使用Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI、Ti-62222钛合金，F119发动机的压气机挡板、增压器及喷嘴现已采用阻燃型合金AlloyC(Ti-35V-15 Cr)。
F-22战斗机选用六种钛合金材料，共计4028kg。
Ti-6Al-4V合金约占36%，主要用于主机翼组件、斜隔框、辅助动力装置入气口框、座舵罩盖、副翼支撑架、副翼铰链接头、方向舵传动支架、方向舵铰链接头、挡板铰链接头。Ti-GAl-4VELI合金主要用于前后桁梁、纵梁、翼梁、尾翼梁及尾肋、隔框及机体。
Ti-6Al-2Sn-2Mo-2Zr-2Cr-0.2Si(Ti-62222)合金主要用于前梁、下部纵梁、发动机支架、平尾铰轴、尾部接头。
其他钛合金材料还包括：Ti-6242、Ti-1023、Ti-153和Ti-3AI-2.5V等，这些合金的用量约占4%。
民用和军用飞机结构材料用量的比例见表2-21。
表2-21民用和军用飞机结构材料用量的比例
|
机型 |
首飞年 |
用量/％ |
||||
|
|
|
钛合金 |
铝合金 |
钢 |
复合材料 |
其他 |
|
A300 |
1972 |
5 |
75 |
13 |
4 |
3 |
|
A310 |
1982 |
5 |
73 |
12 |
7 |
3 |
|
A320 |
1987 |
6 |
68 |
9 |
15 |
2 |
|
A340 |
1991 |
6 |
67 |
7 |
18 |
2 |
|
A380 |
2005 |
9 |
60 |
5 |
25 |
1 |
|
B747 |
1969 |
4 |
81 |
13 |
1 |
1 |
|
B767 |
1981 |
6 |
76 |
14 |
1 |
1 |
|
B757 |
1982 |
6 |
78 |
12 |
3 |
1 |
|
B777 |
1995 |
9 |
70 |
10 |
11 |
1 |
|
B787 |
2008 |
15 |
20 |
10 |
50 |
5 |
|
DC10 |
- |
5 |
78 |
14 |
1 |
2 |
|
MD11 |
- |
5 |
76 |
9 |
8 |
2 |
|
F15 |
1972 |
27 |
36 |
6 |
2 |
30.2 |
|
F22 |
1997 |
41 |
11 |
5 |
- |
10 |
|
EF2000 |
1994 |
12 |
43 |
- |
43 |
2 |
|
CY27 |
1969 |
17 |
6011 |
10 |
24 |
14 |
(2)常用钛合金
钛合金在新型飞机结构中的应用如表2-22所示。
表2-22钛合金在飞机构建上的典型应用
|
合 金 |
状态 |
民用 |
军用 |
使用部位 |
|
纯钛 |
退火 |
▪ |
▪ |
支架、管路、管件、非结构应用 |
|
Ti-3Al-2.5V |
冷加工＋消除应力，退火退火 β－退火 |
▪ ▪ ▪ |
▪ ▪ ▪ |
液压管、蜂窝核心材料 用作一般结构的所有产品形式 损伤容限应用 |
|
Ti-6Al-4V |
β－固溶＋过时效 再结晶退火 固溶时效 |
▪
|
▪ ▪ ▪ |
用于F-22的损伤容限铸件 用于B-1、F-15、F-18的损伤容限材料紧固件、隔断部件 |
|
Ti-6Al-6V-2Sn |
固溶时效 退火 |
▪
|
▪ |
早期的非损伤容限应用 非军工应用 |
|
Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo |
双重退火 |
▪ |
▪ |
在高温下应用的铸件、加工件 |
|
Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr |
三重退火 |
|
▪ |
锻件、厚板——高强、高断裂性能 |
|
Ti-10V-2Fe-3Al |
固溶时效 |
▪ |
▪ |
高强、非损伤容限结构锻件 |
|
Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al |
固溶时效 |
▪ |
|
高强、高成形性能的薄板和铸件（很少） |
|
Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr |
冷加工＋时效 |
▪ |
▪ |
弹簧 |
|
Ti+15Mo-3Al-2.7Nb-2.5Si |
固溶＋过时效 |
▪ |
|
高强、高抗氧化和液压流体性能 |
世界各国常用飞机结构用钛合金，可归纳为如表2-23所示的钛合金体系，其中优先使用的有15种左右，这些钛合金中绝大多数均被我国研制和生产，并已纳入国家标准GB7T 3620—2007。
表2-23 各国常用飞机结构用钛合金名义成分和力学性能
注：＊为优先选用的合金牌号。
俄罗斯在飞机结构中使用的钛合金的牌号与力学性能见表2-24所示。
这些合金共20余种，已在俄罗斯各类飞机中获得了广泛的应用。例如CY(苏)-27、CY-30MKH；TY(图)-204、334；HJI(伊尔)-76、86、96；MHT(米格)-29；歼K(雅克)-42等飞机。
(3)钛在我国航空领域的应用情况
20世纪80年代，我国WP13等航空发动机开始大量使用钛合金制造压气机盘、叶片、机匣等部件，同时歼7、歼8等改型飞机开始使用TC4、TB5、TB6等钛合金零部件。中国歼7战斗机是单座单发动机超音速(2M)战斗机，首飞于1966年，我国歼7战斗机开始采用钛，主要用于发动机舱的隔热结构。歼-8战斗机是单座双发动机超音速高空截击机，1984年首飞，歼-7、歼-8战斗机都属于第二代战斗机。歼-8(2)机身用钛量达3.97%，歼-10、歼-11更多地使用了钛材，歼-11是仿苏-27战斗机。我国飞机机体上使用的钛及钛合金有工业纯钛、Ti-2Al-1.5Mn、Ti-5Al-4V、Ti-6Al-4V、Ti-1023和Ti-15-3等。WP-6、WP-7(BM)、WP-13、WS-6和WS-9等喷气发动机，将钛及钛合金用于叶片、盘和机匣等部件，使用钛合金有Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-2Al-1.5Mn、Ti-4Al-1.5Mn、Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si和Ti-6.5A 1.5Zr-0.3Si等。
“十一五”期间，中国启动了大型干线客机项目，并列入中国民机工业2020年的长远规划，投入500亿~600亿元人民币研发大型飞机重大专项，国务院成立的大型飞机重大专项领导小组已经完成《大型飞机方案论证报告》，用13年研制自己的干线客机，并成立大型干线客机制造公司。中国目前已经具备研制大型干线飞机的能力。除了设计能力之外，在与麦道合作生产MD90的过程中，已经掌握了干线飞机的生产能力和管理能力。从ARJ-21起步起，就为研制大型飞机做一个演练。
在我国航空领域，目前钛的消费量仅占10%，但随着中国大飞机计划的启动和实施，中国钛工业高端化发展迎来了政策和市场的双重利好。钛在航空领域的应用必将迎来大的发展。
2.发动机
发动机是飞机的心脏。发动机的风扇、高压压气机盘件和叶片等转动部件，不仅要承受很大的应力，而且要有良好的耐热性，即要求钛在300~650℃温度下具有抗高温强度、抗蠕变性和抗氧化的性能。欧美各型号发动机的钛合金使用情况见表2-25。
在航空发动机中使用钛合金的好处是：使用在飞机发动机的中等温度部位时，钛比钢具有更高的疲劳强度、屈服强度和蠕变强度，较低的弹性模量，这样在疲劳载荷情况下能够减少应力。钛合金优异的抗大气腐蚀性能，能大大改善喷气发动机的压缩性能。
表2-25 钛合金在各型号发动机上的使用情况
|
公司 |
发动机型号 |
应用年代 |
发动机各部位用钛合金的牌号 |
|||||
|
|
|
|
风扇盘 |
风扇 叶片 |
中、高压 压气机盘 |
动叶片 |
静叶片 |
涵道 |
|
普拉特－惠 特尼公司 |
J57 JT805 JT90 JT90 |
1954
1968 现代 |
Ti6242 Ti64 Ti64 |
Ti6242 Ti64 Ti64 |
Ti64 Ti6242 Ti64 Ti6242 Ti6242 |
Ti64 Ti6242 Ti64 Ti811 Ti6242 |
Ti64
|
Ti64 IMI550 |
|
通用公司 |
F-110 PW2037 TF-39 CF6-50 CF6-80 E3,F404 |
20世纪70年代 20世纪70年代末 1968 1968 20世纪70年代末 20世纪70年代末 |
Ti6242 Ti64 Ti64 Ti64 Ti64 |
Ti811 Ti64 Ti64 Ti64 Til7 |
Ti624 Ti811 Ti6242 Ti6242 Ti64 Ti6242 Ti64 Ti6242 |
Ti811 Ti626 Ti6042 Ti6242 Ti62 Ti6242 Ti6242 |
Ti6246 Ti64 |
|
|
罗尔斯－罗 伊斯公司 |
Avon RB211-5248 RB211-5240 RB211-53E4 |
1954 20世纪60年代末 1979 20世纪70年代末 |
Ti64 Ti64 Ti64 Ti64 |
Ti64 Ti64 Ti64 Ti64 |
Ti64 IMI685 IMI685 IMI685 IMI829 |
IMI829 |
|
|
|
思耐克 马公司 |
Adour R/R-Turborneca RB199 Regasus,Olimpus, 593M53 |
|
Ti64 Ti64 |
Ti64 Ti64 IMI550 |
Ti64 IMI685 |
Ti64 IMI685 IMI685 |
|
Ti64 Ti6242 |
增大发动机的推力、改善推重比和耗油率，要通过提高发动机的总效率来实现，其主要途径是提高压气机的增压比和提高涡轮进口燃气温度。美国和英国发动机压气机的总增压比由20世纪60年代初期的10~13，增长为70年代的20~27，GENX达到45。60年代初，在不采取冷却技术的情况下，涡轮进口燃气温度为925℃，目前美国的TF-39风扇发动机的上述温度达到1260℃，提高了335℃。估计远程亚音速运输机的涡轮进口温度达到1140~1370℃，多用途战斗机的涡轮进口温度为1370~1650℃，而大马赫用发动机可达到1930~2000℃。
表2-26美国涡轮喷气及涡轮风扇发动机使用材料情况
|
年份 |
机种 |
铝镁合金 |
钢 |
钛合金 |
复合材料 |
高温合金 |
|
1950年 |
J47(装备F86歼击机) |
22 |
70 |
0 |
0 |
8 |
|
1955年 |
J79(装备F104，F4飞机) |
3 |
85 |
2 |
O |
10 |
|
1960年 |
J93(装备XB-70H轰炸机) |
1 |
24 |
7 |
0 |
68 |
|
1965年 |
GE4(装备超音速运输机) |
1 |
15 |
12 |
O |
72 |
|
|
JT9D(装备波音747运输机) |
|
25 |
28 |
I |
33 |
|
|
TF39(装备C-5A军用运输机) |
1 |
18 |
32 |
2 |
47 |
|
1970年 1975年 |
F101(B-1) |
4 3 |
15 15 |
20 17 |
3 10 |
58 55 |
|
1980年 |
|
O |
15 |
15 |
15 |
55 |
由于发动机工作条件的提高和尺寸的变化，钢在发动机中的用量明显下降，而钛合金则由于其成本的下降、加工性能的改善和新工艺方法的采用，用量逐步增加。表2-26列出了美国几种典型发动机所选材料的情况。由该表可以看出，在美国大力发展的涡轮风扇发动机上，钛合金在各种材料中所占的比例不断地增大。
美国普拉特·惠特尼(Pratt Whitney)公司所生产的喷气发动机，使用的钛为其总重的7%~15%。美国通用电气公司的J73喷气发动机使用了6%的钛。美国J79发动机原用17级不锈钢转子，后期的改进型将11级盘改用钛合金；在J79-8使用了20%的钛，在J79-3中使用了4%的钛。
在新改型的JT9F发动机上使用了4.5t钛合金原材料，钛合金的成本占发动机的5%。TF39风扇发动机使用了33%的钛材，装备于C5A军用运输机上，发动机重3t左右，使用Ti-6Al-4V和Ti-5Al-2.5Sn合金制作压气机盘及叶片。压气机的静子叶片通过β相锻造，一是毛坯精化。压气机的毛坯重312kg，加工后仅重126kg。叶片毛重21.5kg，加工后仅重5.7kg。
用于超音速运输机上的GE4涡轮喷气发动机总重约5t，使用10%的钛，用钛有所下降主要是由于工作时温度更高，前四级空心压气机叶片均选用Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo。这是一种高蠕变强度的钛合金，其工作温度比Ti-6Al-4V合金高100℃，而Ti-6Al-4V合金的工作温度极限为400℃。
在近代升力发动机中，为了提高推重比而使用钛。以日本的升力发动机为例，JR100升力发动机的推重比为10，其压气机及涡轮主要由钢制成。在JR200升力发动机上，则用钛合金及耐热铝合金代替钢，使推重比提高到16，第一压气叶片、前轴、压气机盘、涡轮后轴及盘均用日本的KS150(Ti-5Al-2Cr-1Fe)制造。压气机的静态叶片，用Ti-6Al-4V代替12铬不锈钢，重量减轻43%。
苏联的HK8涡轮风扇发动机(装备伊尔-62运输机)大体上使用了占其重量40%的钛合金。在HK144涡轮发动机(装备图144超音速运输机)上也大量使用钛合金。
英国罗尔斯-罗伊斯(Rolls-Royce)制造的RB172型发动机中采用了焊接的高压气压机鼓轮。制造压气机鼓轮而研制的IMI685(Ti-6Al-5Zr-0.5Mo-0.25Si)合金兼有高的抗蠕变性、断裂韧性及特异的可焊性。
F-22战斗机的F119压气机挡板、增压器及喷嘴现已采用阻燃型合金AlloyC(Ti-35V-15Cr)。
