钛合金在飞机结构件及紧固件多配的应用和发展

自莱特兄弟发明飞机以来，如何尽量减轻机体重量又不会降低结构强度一直就是航空业要优先解决的难题之一。当集钢的强度高和铝的质地轻于一身的钛投入批量生产后，自然让“斤斤计较”的飞机设计师们如获至宝，几乎包下了早期所有的钛产品，钛因而又被捧为“空中金属”。在实际应用中，除了能够大幅减轻内部结构重量外，钛合金还能取代耐热性较差的铝合金用在飞机机身上的高温部位，以及在发动机中取代部分钢制部件，可减重超过30%，有利于提高推重比。随着飞机上使用的复合材料越来越多，钛合金不仅在强度和刚度上有较好的匹配性，而且两者之间不易产生电化学腐蚀，因此相应部位的结构件和紧固件多配以钛合金。此外，钛合金具有相当高的疲劳强度和抗腐蚀性，可以满足飞机和发动机在可靠性和使用寿命上越来越高的要求。

1949年美国道格拉斯飞机公司采购了第一批用于制造飞机的钛，主要用在DC-7运输机的发动机舱和隔热板上，同时期北美航空的F-100战斗机也开始使用钛材料。洛克希德公司在研制SR-71“黑鸟”高空战略侦察机时，由于设计指标要求最高时速是音速的3倍，此时机体表面温度将超过常用铝制蒙皮的承受极限，换成钢材又会大大增加重量，影响到飞行速度和升限等性能参数，因此必须大量使用钛合金。结果每架SR-71上用到的钛有30t，达到飞机结构总重量的93%，号称“全钛飞机”。到目前为止还没有其它飞机能够打破这一用钛比例纪录，然而追求高性能的军用飞机对钛及其合金的需求仍居高不下。钛不仅用在机体结构和发动机上，象A-10、苏-25等对地攻击机还在飞行员座舱两侧加装了钛合金装甲，以提高低空作战时的防护能力。

我国钛资源蕴藏丰富，在1956年就建立起钛合金实验室，对钛的研究和应用从仿制起步逐渐走向自主创新，形成了有自己特色的航空钛合金材料体系。196O年代投产的歼-7歼击机上用到的钛部件只有9kg，后来的歼-8白天型歼击机的钛部件增至60kg，到1980年代使歼-8Ⅱ的钛用量达到93kg，但也只占结构总重量的2%。在航空发动机方面，为歼-7、歼-8系列配套的涡喷-13发动机钛用量为13％，涡喷-14“昆仑”发动机为15%，与国外同期先进水平都有着不小的差距。自上世纪末以来，我国科研机构积极开展对高温钛合金、高强高韧钛合金、阻燃钛合金和颗粒增强钛基复合材料以及重点型号机体用钛合金的研制。第三代战机上的钛用量已上升到15%，下一代高性能战机有望达到30%，而涡扇-10“太行”发动机的钛用量也增至25%左右。我国虽然已是产钛大国，但目前航空航天领域对钛的使用量尚不到总量的20%。随着国产大飞机和新型战机项目的推进，我国航空市场进入了快速发展阶段，预计对钛材的需求量将以每年15～20%的速度增长，将加快我国钛合金的加工技术和应用水平的提高。

美国在研制第四代战机F-22“猛禽”时，原型机YF-22上的钛合金结构比重只有24%。然而在实弹射击测试时发现，原本全部采用复合材料制造的机翼翼梁对30毫米炮弹的抗打击效果不理想，导致飞机生存能力降低，后来改成钛合金主翼梁加复合材料辅助梁的混合结构，钛合金用量占到机翼结构重量的47%。F-22的机身上也采用了大量的钛合金部件，包括机舱整体隔框、机身侧壁板、操纵支架、平尾后梁和液压管路系统等，其中后机身的钛合金用量占到该处结构重量的55%。最终F-22上的钛合金结构比重高达41%，超过了复合材料的24%、铝合金的15%和钢的5%，所配套的F119发动机内部及其喷管等处也使用到钛合金和钛基复合材料，钛又一次在整机制造材料中坐上了头把交椅。而螺栓、铆钉等紧固件看着虽小，但需要量很大，换成钛合金也能减轻不少重量。如C-5A大型运输机上有70%的紧固件为钛合金，可直接减重1t，同时强度提高相应减小了蒙皮和加固件的厚度，带来结构上的优化使机身又可减重3.5t。出于经济成本的考虑，在性能要求相对较低的民用飞机上钛合金的使用比例没有军用飞机那么高，但同样呈现出不断上升的趋势。而且用于载客运输的民用飞机在总重量上通常要比军用飞机大得多，因此每架飞机所消耗掉的钛原材料在绝对量上也是相当可观的。以波音公司的系列干线客机为例，早期B707的钛部件用量仅占结构总重量的0.2%，而在最新的B787上已经达到15%，除了用于耐高温和耐腐蚀部位外，还因为B787上有50%是复合材料而相应采用了大量钛合金连接件和紧固件。