1.飛機(jī)

　　(1)鈦在飛機(jī)上的應(yīng)用

　　航空工業(yè)是研制和應(yīng)用鈦及鈦合金最早的部門，飛機(jī)和發(fā)動機(jī)如果沒有鈦，實(shí)際上就不可能制造出2.7馬赫的超音速飛機(jī)。飛機(jī)發(fā)動機(jī)的質(zhì)量每降低1kg，其使用費(fèi)用通常可節(jié)約220~440美元。美國1950年首次在F84戰(zhàn)斗轟炸機(jī)中采用工業(yè)純鈦制造后機(jī)身隔熱板、導(dǎo)風(fēng)罩和機(jī)尾罩等非承力構(gòu)件。美國普拉特-惠特尼(Pratt Whitney)公司1954年開始用Ti-6Al-4V合金制造J57渦輪噴氣發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子盤和葉片。英國羅爾斯-羅伊斯(Rolls)Royce）公司于1954年在Avon發(fā)動機(jī)上使用了Ti-6Al-4V合金。

　　20世紀(jì)60年代以后，鈦合金在發(fā)動機(jī)上的用量逐漸增加，主要用于風(fēng)扇葉片、壓氣機(jī)葉片、盤、軸和機(jī)匣。鈦合金在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中主要用于骨架、蒙皮、機(jī)身隔框、起落架、防火壁、機(jī)翼、尾翼、縱梁、艙蓋、倍加器、龍骨、速動制動閘、停機(jī)裝置、緊固件、前機(jī)輪、拱形架、襟翼滑軌、復(fù)板、路標(biāo)燈和信號板等。60年代中期美國研制成功的YF-12A/SR-71偵察機(jī)，用鈦量達(dá)95%，可以稱為“全鈦飛機(jī)”。20世紀(jì)80年代，歐美設(shè)計的各種先進(jìn)軍用戰(zhàn)斗機(jī)和轟炸機(jī)中鈦合金用量已經(jīng)穩(wěn)定在20%以上。

　　美國、歐洲和俄羅斯民航飛機(jī)用鈦情況見表2-20，美國的亞音速民用波音飛機(jī)中鈦的用量不斷增加，1958年研制的波音707用鈦81.6kg，占結(jié)構(gòu)重量的0.3%；而1969年，研制的波音747使用的鈦結(jié)構(gòu)件重達(dá)3700kg，占結(jié)構(gòu)重量的9%。而波音777使用的鈦結(jié)構(gòu)件重達(dá)5896.7kg，占結(jié)構(gòu)重量的11%。波音777除使用Ti-6Al-4V鈦合金外，還使用了Ti-1023、β-21S鈦合金，另外還考慮使用Ti-62222S和Ti-4Al-4Mo-2Sn-0.5Si鈦合金。

　　表2-20 美國、歐洲和俄羅斯民航飛機(jī)用鈦情況

　　在新型客機(jī)中還使用全鈦框架，在飛機(jī)機(jī)體中還使用了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等鈦合金材料。

　　空中客車A380(AirbusA380)是歐洲空中客車工業(yè)公司研制生產(chǎn)的四發(fā)、550座級、雙層、超大型遠(yuǎn)程寬體客機(jī)，其投產(chǎn)時也是全球載客量最大的客機(jī)，故有“空中巨無霸”之稱。空客A380可以選配羅爾斯-羅伊斯公司的Trent 900發(fā)動機(jī)，或通用電氣公司與普拉特-惠特尼公司聯(lián)營的GP7200發(fā)動機(jī)，兩款均為應(yīng)用在波音777客機(jī)上發(fā)動機(jī)的衍生產(chǎn)品，Trent 900是Trent系列發(fā)動機(jī)的第四代產(chǎn)品，為滿足A380需求而設(shè)計的發(fā)動機(jī)。A380用材方面，鋁合金57%，復(fù)合材料26%，鈦合金9%(約為60t)。這些先進(jìn)材料的使用，改進(jìn)了氣動性能，減輕了飛機(jī)重量，減少了油耗和排放，使每人每公里油耗及二氧化碳排放更低，降低了營運(yùn)成本。客機(jī)起飛時的噪聲比當(dāng)前噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)(ICAO)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)要低得多。A380是首架每乘客百公里油耗不到3L的遠(yuǎn)程飛機(jī)。

　　波音B787，又稱“夢想客機(jī)(Dreamliner)”，是波音公司最新型號的雙發(fā)、遠(yuǎn)程、雙層寬體機(jī)。設(shè)計始于2005年，已于2007年投入使用。機(jī)內(nèi)兩行通道，載客210~330人飛機(jī)可選用通用電氣(GE)的GENX或羅爾斯-羅伊斯公司Trent-1000作為引擎，并且可以互換。飛機(jī)設(shè)計巡航速度為0.85馬赫(水平面速度約每小時561海里或903km)。續(xù)航距離8500海里(15700km)，可由洛杉磯直飛倫敦，或紐約直飛東京。飛機(jī)用材方面：復(fù)合材料61%、鋁合金20%、鈦合金11%、鋼8%。

　　俄羅斯上隴而達(dá)（VSMPO）用75000t鍛壓機(jī)生產(chǎn)Ti-10V-2Fe-3Al(Ti-1023)合金鍛件，其鍛件重3175kg，鍛件的投影面積為1.23m?，是世界最大的航空鍛件，它用于世界大型飛機(jī)B777和A380的主起落架載重梁。另外據(jù)報道Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr合金大型鍛件已被用于大型飛機(jī)的起落架。

　　美國戰(zhàn)機(jī)F-22用鈦量則為41%，結(jié)構(gòu)用鈦36t，是第四代戰(zhàn)斗機(jī)的代表，配了兩臺F119發(fā)動機(jī)，2臺發(fā)動機(jī)用鈦5t。使用Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI、Ti-62222鈦合金，F(xiàn)119發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)擋板、增壓器及噴嘴現(xiàn)已采用阻燃型合金AlloyC(Ti-35V-15 Cr)。

　　F-22戰(zhàn)斗機(jī)選用六種鈦合金材料，共計4028kg。

　　Ti-6Al-4V合金約占36%，主要用于主機(jī)翼組件、斜隔框、輔助動力裝置入氣口框、座舵罩蓋、副翼支撐架、副翼鉸鏈接頭、方向舵?zhèn)鲃又Ъ堋⒎较蚨驺q鏈接頭、擋板鉸鏈接頭。Ti-GAl-4VELI合金主要用于前后桁梁、縱梁、翼梁、尾翼梁及尾肋、隔框及機(jī)體。

　　Ti-6Al-2Sn-2Mo-2Zr-2Cr-0.2Si(Ti-62222)合金主要用于前梁、下部縱梁、發(fā)動機(jī)支架、平尾鉸軸、尾部接頭。

　　其他鈦合金材料還包括：Ti-6242、Ti-1023、Ti-153和Ti-3AI-2.5V等，這些合金的用量約占4%。

　　民用和軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料用量的比例見表2-21。

　　表2-21民用和軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料用量的比例

　　(2)常用鈦合金

　　鈦合金在新型飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用如表2-22所示。

　　表2-22鈦合金在飛機(jī)構(gòu)建上的典型應(yīng)用

　　世界各國常用飛機(jī)結(jié)構(gòu)用鈦合金，可歸納為如表2-23所示的鈦合金體系，其中優(yōu)先使用的有15種左右，這些鈦合金中絕大多數(shù)均被我國研制和生產(chǎn)，并已納入國家標(biāo)準(zhǔn)GB7T 3620—2007。

　　表2-23 各國常用飛機(jī)結(jié)構(gòu)用鈦合金名義成分和力學(xué)性能

　　注：＊為優(yōu)先選用的合金牌號。

　　俄羅斯在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中使用的鈦合金的牌號與力學(xué)性能見表2-24所示。

　　這些合金共20余種，已在俄羅斯各類飛機(jī)中獲得了廣泛的應(yīng)用。例如CY(蘇)-27、CY-30MKH；TY(圖)-204、334；HJI(伊爾)-76、86、96；MHT(米格)-29；殲K(雅克)-42等飛機(jī)。

　　(3)鈦在我國航空領(lǐng)域的應(yīng)用情況

　　20世紀(jì)80年代，我國WP13等航空發(fā)動機(jī)開始大量使用鈦合金制造壓氣機(jī)盤、葉片、機(jī)匣等部件，同時殲7、殲8等改型飛機(jī)開始使用TC4、TB5、TB6等鈦合金零部件。中國殲7戰(zhàn)斗機(jī)是單座單發(fā)動機(jī)超音速(2M)戰(zhàn)斗機(jī)，首飛于1966年，我國殲7戰(zhàn)斗機(jī)開始采用鈦，主要用于發(fā)動機(jī)艙的隔熱結(jié)構(gòu)。殲-8戰(zhàn)斗機(jī)是單座雙發(fā)動機(jī)超音速高空截?fù)魴C(jī)，1984年首飛，殲-7、殲-8戰(zhàn)斗機(jī)都屬于第二代戰(zhàn)斗機(jī)。殲-8(2)機(jī)身用鈦量達(dá)3.97%，殲-10、殲-11更多地使用了鈦材，殲-11是仿蘇-27戰(zhàn)斗機(jī)。我國飛機(jī)機(jī)體上使用的鈦及鈦合金有工業(yè)純鈦、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等噴氣發(fā)動機(jī)，將鈦及鈦合金用于葉片、盤和機(jī)匣等部件，使用鈦合金有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”期間，中國啟動了大型干線客機(jī)項目，并列入中國民機(jī)工業(yè)2020年的長遠(yuǎn)規(guī)劃，投入500億~600億元人民幣研發(fā)大型飛機(jī)重大專項，國務(wù)院成立的大型飛機(jī)重大專項領(lǐng)導(dǎo)小組已經(jīng)完成《大型飛機(jī)方案論證報告》，用13年研制自己的干線客機(jī)，并成立大型干線客機(jī)制造公司。中國目前已經(jīng)具備研制大型干線飛機(jī)的能力。除了設(shè)計能力之外，在與麥道合作生產(chǎn)MD90的過程中，已經(jīng)掌握了干線飛機(jī)的生產(chǎn)能力和管理能力。從ARJ-21起步起，就為研制大型飛機(jī)做一個演練。

　　在我國航空領(lǐng)域，目前鈦的消費(fèi)量僅占10%，但隨著中國大飛機(jī)計劃的啟動和實(shí)施，中國鈦工業(yè)高端化發(fā)展迎來了政策和市場的雙重利好。鈦在航空領(lǐng)域的應(yīng)用必將迎來大的發(fā)展。

　　2.發(fā)動機(jī)

　　發(fā)動機(jī)是飛機(jī)的心臟。發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇、高壓壓氣機(jī)盤件和葉片等轉(zhuǎn)動部件，不僅要承受很大的應(yīng)力，而且要有良好的耐熱性，即要求鈦在300~650℃溫度下具有抗高溫強(qiáng)度、抗蠕變性和抗氧化的性能。歐美各型號發(fā)動機(jī)的鈦合金使用情況見表2-25。

　　在航空發(fā)動機(jī)中使用鈦合金的好處是：使用在飛機(jī)發(fā)動機(jī)的中等溫度部位時，鈦比鋼具有更高的疲勞強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度，較低的彈性模量，這樣在疲勞載荷情況下能夠減少應(yīng)力。鈦合金優(yōu)異的抗大氣腐蝕性能，能大大改善噴氣發(fā)動機(jī)的壓縮性能。

　　表2-25 鈦合金在各型號發(fā)動機(jī)上的使用情況

　　增大發(fā)動機(jī)的推力、改善推重比和耗油率，要通過提高發(fā)動機(jī)的總效率來實(shí)現(xiàn)，其主要途徑是提高壓氣機(jī)的增壓比和提高渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟取Ｃ绹陀l(fā)動機(jī)壓氣機(jī)的總增壓比由20世紀(jì)60年代初期的10~13，增長為70年代的20~27，GENX達(dá)到45。60年代初，在不采取冷卻技術(shù)的情況下，渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟葹?25℃，目前美國的TF-39風(fēng)扇發(fā)動機(jī)的上述溫度達(dá)到1260℃，提高了335℃。估計遠(yuǎn)程亞音速運(yùn)輸機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度達(dá)到1140~1370℃，多用途戰(zhàn)斗機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度為1370~1650℃，而大馬赫用發(fā)動機(jī)可達(dá)到1930~2000℃。

　　表2-26美國渦輪噴氣及渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)使用材料情況

　　由于發(fā)動機(jī)工作條件的提高和尺寸的變化，鋼在發(fā)動機(jī)中的用量明顯下降，而鈦合金則由于其成本的下降、加工性能的改善和新工藝方法的采用，用量逐步增加。表2-26列出了美國幾種典型發(fā)動機(jī)所選材料的情況。由該表可以看出，在美國大力發(fā)展的渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)上，鈦合金在各種材料中所占的比例不斷地增大。

　　美國普拉特·惠特尼(Pratt Whitney)公司所生產(chǎn)的噴氣發(fā)動機(jī)，使用的鈦為其總重的7%~15%。美國通用電氣公司的J73噴氣發(fā)動機(jī)使用了6%的鈦。美國J79發(fā)動機(jī)原用17級不銹鋼轉(zhuǎn)子，后期的改進(jìn)型將11級盤改用鈦合金；在J79-8使用了20%的鈦，在J79-3中使用了4%的鈦。

　　在新改型的JT9F發(fā)動機(jī)上使用了4.5t鈦合金原材料，鈦合金的成本占發(fā)動機(jī)的5%。TF39風(fēng)扇發(fā)動機(jī)使用了33%的鈦材，裝備于C5A軍用運(yùn)輸機(jī)上，發(fā)動機(jī)重3t左右，使用Ti-6Al-4V和Ti-5Al-2.5Sn合金制作壓氣機(jī)盤及葉片。壓氣機(jī)的靜子葉片通過β相鍛造，一是毛坯精化。壓氣機(jī)的毛坯重312kg，加工后僅重126kg。葉片毛重21.5kg，加工后僅重5.7kg。

　　用于超音速運(yùn)輸機(jī)上的GE4渦輪噴氣發(fā)動機(jī)總重約5t，使用10%的鈦，用鈦有所下降主要是由于工作時溫度更高，前四級空心壓氣機(jī)葉片均選用Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo。這是一種高蠕變強(qiáng)度的鈦合金，其工作溫度比Ti-6Al-4V合金高100℃，而Ti-6Al-4V合金的工作溫度極限為400℃。

　　在近代升力發(fā)動機(jī)中，為了提高推重比而使用鈦。以日本的升力發(fā)動機(jī)為例，JR100升力發(fā)動機(jī)的推重比為10，其壓氣機(jī)及渦輪主要由鋼制成。在JR200升力發(fā)動機(jī)上，則用鈦合金及耐熱鋁合金代替鋼，使推重比提高到16，第一壓氣葉片、前軸、壓氣機(jī)盤、渦輪后軸及盤均用日本的KS150(Ti-5Al-2Cr-1Fe)制造。壓氣機(jī)的靜態(tài)葉片，用Ti-6Al-4V代替12鉻不銹鋼，重量減輕43%。

　　蘇聯(lián)的HK8渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)(裝備伊爾-62運(yùn)輸機(jī))大體上使用了占其重量40%的鈦合金。在HK144渦輪發(fā)動機(jī)(裝備圖144超音速運(yùn)輸機(jī))上也大量使用鈦合金。

　　英國羅爾斯-羅伊斯(Rolls-Royce)制造的RB172型發(fā)動機(jī)中采用了焊接的高壓氣壓機(jī)鼓輪。制造壓氣機(jī)鼓輪而研制的IMI685(Ti-6Al-5Zr-0.5Mo-0.25Si)合金兼有高的抗蠕變性、斷裂韌性及特異的可焊性。

　　F-22戰(zhàn)斗機(jī)的F119壓氣機(jī)擋板、增壓器及噴嘴現(xiàn)已采用阻燃型合金AlloyC(Ti-35V-15Cr)。