鈦材料在現(xiàn)代航天業(yè)和發(fā)動(dòng)機(jī)中有哪些應(yīng)用？
中國(guó)航空工業(yè)經(jīng)過(guò)60多年的艱苦創(chuàng)業(yè)，取得了舉世矚目的成就，C919大型客機(jī)、ARJ21渦扇支線飛機(jī)等重點(diǎn)產(chǎn)品研制穩(wěn)步推進(jìn)，民用飛機(jī)正在實(shí)現(xiàn)由研制生產(chǎn)中小型飛機(jī)向大型飛機(jī)的跨越。11月13日至11月18日，第九屆中國(guó)國(guó)際航空航天博覽會(huì)在廣東珠海舉辦，來(lái)自39個(gè)國(guó)家和地區(qū)的650多家參展商，以及100多架飛行器實(shí)物參加。
正在進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)的C919大型客機(jī)則首次以聲光電結(jié)合的形式進(jìn)行全新形象展示。開幕當(dāng)天，中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司與國(guó)內(nèi)外客戶簽署了新的C919大型客機(jī)購(gòu)機(jī)協(xié)議，新增加50架訂單，自此C919大型客機(jī)的訂單總數(shù)達(dá)到了380架。C919大型客機(jī)首批裝機(jī)零件已分別在成都、上海等地開工制造，近期開始全面試制。在此次珠海航展上，中國(guó)商飛公司與河北航空投資集團(tuán)有限公司、幸福航空有限責(zé)任公司、美國(guó)通用電氣金融服務(wù)有限公司簽署C919客機(jī)用戶協(xié)議，與美國(guó)東方航空有限責(zé)任公司簽署購(gòu)機(jī)諒解備忘錄。由此，C919大型客機(jī)用戶達(dá)到15家，訂單總數(shù)達(dá)到380架。
現(xiàn)代飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的高溫合金、鋁合金、鈦合金、超高強(qiáng)度鋼、復(fù)合材料等5大類結(jié)構(gòu)材料。鈦主要應(yīng)用在飛機(jī)的以下幾個(gè)方面：
1.飛機(jī)結(jié)構(gòu)鈦合金材料
鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好和耐高溫等一系列優(yōu)點(diǎn)，能夠進(jìn)行各種方式的零件成形、焊接和機(jī)械加工，因而在先進(jìn)飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得了廣泛應(yīng)用。當(dāng)今，鈦合金用量占飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的百分比已成為衡量飛機(jī)用材先進(jìn)程度的重要標(biāo)志之一。鈦合金占F-22戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的39%。鈦合金在國(guó)外民用飛機(jī)上的用量也隨飛機(jī)設(shè)計(jì)和性能水平的提高而不斷增加。高損傷容限性能是新一代戰(zhàn)斗機(jī)(包括高推比發(fā)動(dòng)機(jī))長(zhǎng)壽命、高機(jī)動(dòng)性、低成本和損傷容限設(shè)計(jì)需要的重要材料性能指標(biāo)。美國(guó)率先把破損安全設(shè)計(jì)概念和損傷容限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則成功應(yīng)用在先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)上，F(xiàn)-22戰(zhàn)斗機(jī)大量采用損傷容限型鈦合金及其大型整體構(gòu)件，以滿足高減重和長(zhǎng)壽命的設(shè)計(jì)需求。Ti-6Al-4VELI在美國(guó)C-17軍用運(yùn)輸機(jī)上的特大型鍛件上得到重要應(yīng)用，高強(qiáng)度鈦合金Ti-6-22-22S也在C-17飛機(jī)上的水平尾翼接頭(轉(zhuǎn)軸)等關(guān)鍵部位上得到應(yīng)用。這兩種鈦合金的使用，使大型運(yùn)輸機(jī)的壽命高達(dá)60000飛行小時(shí)以上。在歐洲，空客A380是首架全鈦掛架的飛機(jī)，未來(lái)的A350也將采用全鈦掛架。
2.航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫鈦合金
高溫鈦合金主要用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片、盤和機(jī)匣等零件，這些零件要求材料在高溫工作條件下(300~600℃)具有較高的比強(qiáng)度、高溫蠕變抗力、疲勞強(qiáng)度、持久強(qiáng)度和組織穩(wěn)定性。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的提高，高壓壓氣機(jī)出口溫度升高導(dǎo)致高溫鈦合金葉片和盤的工作溫度不斷升高。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，固溶強(qiáng)化型的高溫鈦合金最高工作溫度由350℃提高到了600℃。我國(guó)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上使用的工作溫度在400℃以下的高溫鈦合金主要有TC4和TC6，應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度較低的風(fēng)扇葉片和壓氣機(jī)第1、2級(jí)葉片。500℃左右工作的高溫鈦合金有TC11、TA15和TA7合金，其中TC11是我國(guó)目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)上用量最大的鈦合金。單純采用固溶強(qiáng)化的鈦合金難以滿足600℃以上溫度環(huán)境對(duì)蠕變抗力和強(qiáng)度的要求。有序強(qiáng)化的鈦-鋁系金屬間化合物因其高比強(qiáng)度、比剛度、高蠕變抗力、優(yōu)異的抗氧化和阻燃性能，而成為600℃以上溫度非常有使用潛力的候選材料，其中Ti3Al基合金長(zhǎng)期工作溫度在650℃左右，而TiAl基合金工作溫度可760℃~800℃。
3.飛機(jī)鈦合金緊固件
鈦合金緊固件可以大大減輕飛機(jī)的自身重量，不僅可以提高飛行性能，還能降低使用成本，最主要的是可是降低油耗。我國(guó)國(guó)產(chǎn)c919飛機(jī)每架約需鈦合金緊固件20萬(wàn)件，要完成首批100架啟動(dòng)訂單就需要2000萬(wàn)件鈦合金緊固件。按計(jì)劃2018年年產(chǎn)150架大飛機(jī)計(jì)算的話，每年就需要3000萬(wàn)件鈦合金緊固件。鈦合金緊固件發(fā)展?jié)摿薮?，市?chǎng)發(fā)展前景十分看好。
預(yù)計(jì)2013年末中國(guó)民用飛機(jī)的機(jī)隊(duì)規(guī)模將達(dá)到6309架，是目前機(jī)隊(duì)規(guī)模的3.6倍。由于中國(guó)航線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特性，未來(lái)的機(jī)隊(duì)構(gòu)成仍將以單通道干線飛機(jī)為主，但寬體干線飛機(jī)和支線飛機(jī)比例會(huì)增加。而由于運(yùn)量增長(zhǎng)和退役的替換需求，未來(lái)20年中國(guó)需要新增的民用客機(jī)達(dá)4933架。
專家分析，從長(zhǎng)期看，中國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)、城市化進(jìn)程加快、居民消費(fèi)升級(jí)等因素將有利于航空運(yùn)輸?shù)某掷m(xù)發(fā)展，高油價(jià)和嚴(yán)格的環(huán)保要求也使得航空公司加快了老舊飛機(jī)的退役。加快民用客機(jī)產(chǎn)業(yè)化，未來(lái)10年是我國(guó)航空工業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越發(fā)展的攻堅(jiān)時(shí)期，鈦產(chǎn)業(yè)將面臨難得的發(fā)展機(jī)遇。
