钛与航空

第21卷第2期Vol 21 NO2004年4月①钛工业进展April 2004钛与航空邓炬(西北有色金属研究院陕西西安710016)摘要:概述了100年来世界航空业的发展历程和发展现状;评述了钛对航空业的贡献及钛材在航空(军机和民机)中的应用;展望了21世纪初中国的航空钛市场关键词:钛;飞机;航空钛材与飞机都是20世纪的产物。钛材最早用于机的重量可达200多吨载弹量可达60t,在1万多米航空,航空市场一直是钛最主要的市场,目前仍占世的高空可持续10多小时作超音速飞行。波音747客界钛市场总量的50%。在21世纪初期的未来若干年机有5层楼高可载客412名持续飞行1.35万公里。内钛对航空将有什么样的贡献?航空业将怎样影响一架波音飞机的零件总数达450万件,其工艺之复钛业的发展?钛与航空的前景如何?这是本文要探杂完美可谓巧夺天工。然而它是世界第一民航机的的问题。另外钛工业要为航空业的发展更好地服地位即将成为历史,一种更大的新式客机A380即将务,钛业界人土也应更多地了解航空业。为此,作者腾空出世。某些战斗机、轰炸机和侦察机的最快速度搜集、整理了一些航空业发展的资料,与本刊读者共可达几倍音速。美国全钛结构的“黑鸟”高空侦察机享。以3.3倍音速飞行时,从纽约飞到伦敦仅需45min用智能技术装备的无人飞机,巧如神兵猛如勇士能1百年航空做许多人类自身难以完成的工作。经过一个世纪的迅猛发展,航空工业已成为一个像鸟儿一样在蓝天飞翔是人类长期的美好梦想。最重要的高技术产业之一。全世界共有各类大小飞100年前,人类开始将这一梦想变为现实。1903年12机30多万架,其中85%在美国。发达的航空业是美月17日,美国年青的菜特兄弟驾驶“飞行者一号”升国军事与经济强大的重要标志。如今,航空运输已渗空,在北卡罗来纳的小鹰市成功地进行了首次可操纵入社会生活的各个方面。每年乘坐飞机的人数以亿动力的飞行。虽然飞行时间仅持续了短暂的12s,飞来计,从航空业中直接或间接受益的人数越来越多,距离也仅36m,但这是开创人类航空时代的伟大壮航空在政治、军事、经济、社会生活中的作用越来越举。这12s是改变世界的一瞬是人类进入水、陆、空大。世界航空公司有500~600家,在用的民航机有2三栖时代的光辉时刻。万多架。权威人士估计,世界航空航天工业年营业额100年来,人类在航空领域前赴后继,奋勇攀登,达3500多亿美元。航空技术不断进步,创造了许多奇迹。莱特兄弟的原飞机同许多先进科学技术一样,首先用于军事领始飞机长6.5m,翼展13.2m,重量280kg,以12马域。飞机诞生后仅约10年,就投人战场。1914年7力的4缸活塞发动机为动力用链条带动2个螺旋桨。月,第一次世界大战爆发,当时各国共储备了745架而今这一切都发生了彻底的改变。飞机从小型到大军用飞机,德国人首先用飞机空袭法国。一战期间型,从简易到复杂,从低空到高空,从近程到远程,从(1914年~1918年)航空业得到第一次大发展,各参低速到高速,从亚音速到超音速,从有人驾驶到无人战国共生产了184万架飞机。二战期间(1933年驾驶,从低级到高级,从军机到民机,不断发展,不断1945年),飞机成了参战国最重要的武器。德国人突完善,创造了可歌可泣的业绩。现在,大型战略轰炸袭苏联,日本人偷袭珍珠港,都以飞机打先锋。在收稿日期:2004-02-25作者简介:邓矩,男,1940年生,教授级高工,中国钛业分会副秘书长,电话:029-86224471第2期邓炬:钛与航空战期间,全世界共生产了约100万架军用飞机。称为“夜鹰”战机,是世界上第一种实用的隐形战第二次世界大战后期,世界进人喷气机时代。斗机,它研制于20世纪70年代末~80年代初1943年,德国制造出第一架喷气式战斗机“ME-1988年公开,共生产59架,耗资66亿美元,每架62A"。1947年,美国人首次突破“音障”,在1.28万飞机的造价达1.1亿多美元。海湾战争中,巴格达米高空,实现超音速飞行,飞行速度达1078km/h,相被毁建筑物中95%是F117用激光制导弹摧毁的当于1.015马赫(M),成为航空技术进步的一个重要它专门参与夜袭。由于隐身性好,在“沙漠风暴里程碑。行动中,它参战1271次,无一受损,显示了隐身战般认为,喷气式战斗机的发展已经历4代。战机的优越性。苏-27飞机、苏-30等俄式战机性能也斗机的分代不是按研制年份来划分,主要是按飞机的非常好,是中国、印度近几年来从俄罗斯大量进购技术与性能特点来划分。的主力战机。1992年以来,我国已购买了100多架第一代喷气式战斗机于上世纪50年代初投人使苏27飞机用,它们装备有涡轮喷气发动机,属跨音速战机(最高20世纪80~90年代,随着各种技术的进步和美1~1.5倍音速),武器以航炮为主。典型战机为米格-国战略战术的改变,又出现了以隐身(低可探测15、米格-17、米格-19,美国的F-100、英国的“闪电”、法性)、高度机动性和敏捷性、超音速巡航、超视距攻国的超神秘”等。在朝鲜战争期间年轻的中国志愿击、远程(可跨越包括第三世界在内的所有战区)、车空军架驶米格15战机同美国的F80、F84、F86重载能力等为特征的第四代战机。美国第四代战机战机搏斗,取得了很好的战绩的典型代表是F22(见图1)。美国计划生产438架第二代战机强调以高空高速制胜。但越南战争2002年开始交付生产型飞机,2004年形成初步战斗和中东局部战争的空战经验表明,战斗机不仅要飞力,2013年交付全部飞机。F22将接替F15成为美度快,而且要有良好的空中机动性。第二代战国21世纪初的主力战机机的最大飞行速度达到2M~2.5M,开始采用涡扇式发动机和配备空空导弹。典型战机为美国的F4、F5、F-104战斗机,苏联的米格21、米格23战斗机。米格21和米格23分别生产了2000多架和4000多架,被10几个国家使用。在越南战场上,越方采用在亚音速下灵活性更好的一代战机对美国的第二代战机,常常得主动,因为太快的飞行速度使美国飞行员看不清敌机。因此在20世纪70年代,出现了高度机动性的第三代战机。第三代战机的速度与第二代战机的速度相当,图1F-22隐身战斗机但机动性与敏捷性大大改进,武器以空空导弹为主航炮为辅,普遍釆用涡扇发动机。典型战机为美国目前,美国正在大力研制另一种第四代战机的F15、F16、F∥A-18,苏联的米格29、米格31F35。F-35又称为联合攻击战斗机(JSF)。它苏27、苏-35,法国的幻影2000等。这些战机综合将是世界上第一架有隐身能力的超音速攻击机。美性能好,成为生产国及一些其它国家在20世纪末的国拟用来替代空军的F16和A-10战机和海军的F主力战机。例如,每架4000万美元的F15,美国生A18战机。为研制这种先进战机,美国马丁公司将产了482架。在海湾战争中,它取得96:0的胜利战投资260亿美元,创下一项研制经费经录。美国还绩。而廉价(2000万美元架)、小型(单座)的F邀请英国、意大利、荷兰、加拿大、丹麦、土耳其16战机美国已累计生产了约4000架,其中美国自以色列、澳大利亚、新加坡等国参加投资与研制。己装备部队约2800架,向欧洲盟国、中东、亚洲、预计这种飞机要生产3000架,到2040年止,将有南美等17个国家出口1000多架,成为一种“国际4000亿美元以上的市场。F-35将继F16之后又成为飞机”。这种飞机频繁参与两伊战争,在“沙漠风一种国际飞机。在2010年~2020年间,美国海军陆暴”行动中曾投入251架,出动13480次。F117被战队要装备420架 STOVL JSF飞机,即短距起飞/工业博展第21卷垂直着陆的联合战斗攻机,以替代现有装备。表1世界战斗机的发展概况有一些飞机,如英、意、德、西班牙联合研制技术首飞或主要技术的“欧洲战机”(EF2000是具备了第四代机某些特等级代表机型服役时间特征用现状性的过渡型战机,被称为“三代半战机”。我国实用的战斗机由歼5、歼6、歼7、歼8F-1001953涡轮发动机已经或正歼10、歼11等系列飞机组成。歼5为亚音速、单座第一代米格19199超音速飞行在退役单发仿米格-17型战斗机,1964年首飞成功;歼6是19641M-1.5M超音速、单座双发仿米格-19型战斗机,1959年首飞,因质量问题,1961年重新开始仿制,1964年交格211955全天候作战发展中国家部队使用。它是我国生产量最大的歼击机,总数达第二代米格2319672M-2.M的主力战机几千架,是我国上世纪60~80年代的主力战机;歼歼7,歼87是单座单发超音速战斗机,仿米格-21,采用三角翼,速度达到2M,首飞于1966年。由于中苏关系恶化,资料不全,我国自行解决了歼7的许多技术F-16难题;歼-8是单座双发超音速高空截击机,1984年F/A8AB1972涡扇发动机发达国家首飞。在歼8型系列飞机的研制过程中,我国战斗第三代幻影2001979高机动性、主战机苏-271977敏捷性机研制能力有了很大的提升。歼7、歼8战机都属于第二代战机;歼10是以米格-29、苏-27为作战目标歼10的自行设计的先机战机。采用大推力涡扇发动机和鸭式布局(抬式布局),吸收了一些国外先进技术。阵风”战斗机1990通过歼10的研制,中国已经形成了自己的战斗机设三代半F2001994局部具备第发达国家JAS-3919884代机特征主战机计思想,战斗机的研发能力登上了一个新台阶;歼11是仿苏27全天候重型战斗机开始服役中国另一种引世人瞩目的飞机是FBC1“飞豹超音速巡航四代机F2219y7综合隐身美国21世纪战机(又名歼轰7)和与巴基斯坦合作研制的FC1初主战机超7”飞机。它们均于1998年完成了试飞。FBC1F35(JSF)研制中隐身超2010年是多用途攻击机。FC1是多用途轻型低价位战斗机。音速攻击服役外电称,我国还在研制F12大型多功能战斗机,但要到2010年以后才能服役。发动机,航程1.2万公里(不加油)-1.8万公里世界战斗机的发展概况示于表1。(加一次油),载弹量22t,可载16枚AGM-129巡100年来,人类开发了各种各样的军用飞机,除航导弹或16枚B63型核炸弹。它具有“全球摧毁能订仅了战斗机外,还有轰炸机、攻击机、运输机、预警力”,被称为“终极武器”。它的雷达反射截面机、电子干扰机、侦察机、武装直升机、反潜机、0.1m2,仅相当于一只鸟的大小,隐身性极好。美国无人驾驶机、试验机、教练机等品种,政府原计划拨款600亿美元,釆购132架,但因成本美国先后研制的战略轰炸机有B17、B24、B太高,只得将采购量削减到75架,耗资350亿美5、B26、B29、B36、B45、B47、B52、B57、每架成本4.6亿美元,加上研制费用,每架B2轰炸B58、B1B、B2、B3、XB70等10多种。最著名机的成本高达20亿美元;B3是美国最新式的超音的有B52、B1B、B2、B3等。这些飞机威力都特速战略轰炸机,速度达5倍音速(5760km/h)以别大、但价格特别昂贵。例如,美国的B1B超音速上,1h飞越大西洋,几小时内可轰炸世界的任何地战略轰炸机(图2)于1969年~1974年研制,速度方,它的载弹量虽仅20多吨(与B2、B52相当),为1.25M(1320km/h),航程1.2万公里,载弹量但雷达反射截面仅相当于一个头盔,隐身性极好,可达60t,研制费达265亿美元;B2隐身轰炸机它将是独霸新世纪天空的幽灵;美国B52轰炸机是于1987年~1993年研制,它有4台F118-GE-1001948年~1952年研制的老式战略轰炸机,它有8台第2期邓炬:钛与航发动机,起飞重量达220多吨,载弹量27t,速度1翼、新的推进方式,成为当时最先进的民用客机,010km/h,航程1.6万公里,升限1.68万米,称为并贏得了用户的青睐。1972年,美国总统尼克松就同温层堡垒”。这种飞得特别高特别远的轰炸机广曾乘坐波音707客机(空军一号)访华。1963年泛参与了越南战争(参战12000多架次,投弹量达三引擎的波音727客机问世。该机从1963年到198330万吨)和海湾战争(参战1600多架次,投弹近年停产为止,共生产1831架,运送乘客30多亿人2.6万吨),在其几十年的服役过程中,形成了8个次,成为当时最畅销的客机。1965年,双引擎短程型号,共生产744架。虽然它在技术上(特别是隐小型客机波音737也投入生产,成为另一种非常畅身性上)落后了,正被B2逐渐取代,但最新的型号销的飞机。该机销往世界150多个国家,总共出售为B52H,通过延寿与性能改进,预计它可使用到2500多架。就在波音707、727、737客机取得成功2030年~2040年。的同时,1965年,波音公司还冒险开发波音747大型宽体客机。这种客机可乘客400多人。1970年波音747投入运行。如今,波音747系列客机的乘客已运送数10亿人次,成为世界喷气客机的领航者在艾伦主持波音公司的23年里(从1945年到1968年),波音公司年销售额从0.13亿美元提高到33亿美元。艾伦被认为现代商用喷气客机之父,此后又相继开发成功波音757、767、77等先进客机。波音757在20年间共生产1000多架,将于2004年停产。波音777是美国90年代研制的双发宽体客机,图2BIB超音速轰炸机1994年首飞,1995年投入营运,是美国最新式的大型客机,日本有三家大公司参与了波音77的开发民用飞机的发展始于第一次世界大战之后。承担了20%的结构工作。它的大小与航程介于B7671919年,英国人首次实现了跨越大西洋的双向长途飞与B747-400之间。B77-200的标准载客为320行。随着技术的改进,飞机飞得更快、更远、更安全,人,最大商载量54t,最大起飞重量320t,最大航各项飞行记录日新月异。第二次世界大战之后喷气程9500多公里。我国已成B777的一大买主,到式飞机得到迅速发展。美国的波音公司、麦道公司、2003年底,已购进19架B77飞机。洛克希德·马丁公司等都是著明的民航机公司。为提高波音公司的竞争力,2004年1月,波音战后民航机的发展已经历四代,目前正处于第公司投资40多亿元,正式推出了波音7E7飞机计五代。第一代为20世纪50年代,典型飞机是波音划。7E7被称为“梦想飞机”。E代表对未来飞机寄707、麦道8、原苏联图104、英国的慧星、法国的风予的多种期望,包括:效率与经济性的重大改进帆等,这些是载客约100人的飞机;第二代为60年超凡的舒适性和便利性、出色的环保性和电子化系代研制的飞机,典型的有B727、D9、三叉戟等飞统等。7E7这个名称是从全球160多个国家约50万机,它们开始采用油耗较低的涡轮风扇发动机;第张选票中产生的。人们期望更多的人能利用波音7E7三代为70年代研制的飞机,典型飞机为波音747、超凡的经济性实现世界旅游的梦想。波音7E7客机伊尔86、A30,它们是宽机身的大容量客机;第四代仍是一种载客200~250名的中型宽体运程客机。巡是80年代出现的飞机,典型飞机是A320、B757、B767航速度085M,与波音747相当;航程可达7200等,它们采用先进的电脑操作系统,飞行安全性大大8000海里,可实现400多对国际城市间的洲际直改善。飞;它采用通用电气、普惠、罗·罗公司联手设计的波音客机是世界上商业开发最成功的民航机。新型发动机,节油15%~20%;它大量使用耐用性1945年,律师出身的艾伦·威廉接任波音公司总裁,好、维修率低的复合材料;它可提供机上娱乐、互他抓住二战后航空业转型的机遇,大力发展喷气式联网接入、实时飞机监测等服务功能,机舱湿度提客机。1952年开始喷气式客机的开发,1958年开始高到25%,使乘客非常便利、舒适。波音公司计划投入商业运行。波音707采用了新的结构、新的机7E7飞机2006年开始总装,2007年首飞,2008年认i钛工业进第21卷证与营运。波音公司预计,在未来20年间,全球需机大家族中独树一帜。空客公司计划投资120亿欧要2000架~3000架波音7E7飞机。波音公司期望元用以A380的开发,该飞机单价2.2亿美元,计划通过节省燃油和运营成本的方式来帮助航空公司降2004年首飞,2005年运营。飞机大型化,可以在不低成本,赢得航空客户的青睐,继续领导世界商业增加飞行频率,从而不增加机场投资的情况下,解航空,续写昔日的辉煌。图3为7E7飞机。决空中交通繁忙和机场拥挤的问题,因此它将有良好市场前景。空客公司预计,2016年以前,A380飞机会有1440架的市场。但波音公司预计,A380仅有500架的市场。图4为空客A380飞机。图3波音7E7“梦想飞机”20世纪70年代,在欧洲成立了空中客车航空制造厂。空客公司以法、德为核心,有英国、西班牙荷兰参与。空客公司总部设在法国的图卢兹,现在图4空客A380“飞行酒店”法、德、西班牙、英国设有4个子公司,在世界有150多个制造厂和1500家供应商。空客公司开发由此可见,21世纪的客机正在向更经济、舒适、ABXX系列飞机,如A3、A40等,向美国波音飞人性化、多功能化、环境友好方向发展。在大型客机公司发起了挑战。空客飞机在计算机的控制下机的开发中,欧洲空客公司与美国波音公司开展了能根据飞行高度和机翼载荷分布情况,自动改变飞激烈的竞赛,谁胜谁负,世人将拭目以待。机截面形状;能按照飞行任务的不同,自动地选择在民用航空领域,除用于旅客运输的大型干线机翼最佳弯度。这些智能技术的运用,使飞机能更飞机与小型支线飞机外,还有功能专一的各类飞机,完美地模仿鸟类的飞翔。如今,空客公司已取得巨它们包括:(1)运输机;(2)农用直升机。前苏联大的成功。200年,空客公司共销售了35架飞机,曾拥有700多架农用直升机,其数量领先于美国第一次超过竞争对手波音公司(200年销售281架)(约100架);(3)医疗救护机,用于救护伤员或病成为全球最大的客机供应商。人,它们主要是直升机,德国的B0105和BK17救近几年来,空客公司又向新的高度攀登,大力护机最有名;(4)公务机(商务飞机),它可乘坐4开发A380飞机。A380是未来的空中“巨无霸”,重10人,重量小于9t。全世界有商务机3万多架;560t,长73m,比B747长14m,宽展80m,有7(5)消防灭火机。它用于消防事故及森林灭火。加层楼高,舱内空间足以容纳20辆双层公共汽车。拿大的一种森林灭火机,能在12s内从水源中提取A380可载客55名,并可扩容到载客840人;A3806冰水,1h内可多次向火场投水,最多可达20次;犹如一个五星级的“飞行酒店”,它拥有双层客舱,(6)体育运动机。它用于跳伞等体育运动、特技飞加宽的座椅,配有阅览室、美容间、酒吧、商务中行表演和航空爱好者培训。在国外,平均学习45h心、托儿所等设施。它采用罗·罗公司的遄达900发花2500英磅,就可能取得飞行执照。1991年,在动机或发动机联盟(通用与普惠的合资公司)的美国就有70万人有飞行执照;(7)水上飞机,它是GP200发动机,百公里旅客油耗少于3升,其油耗能在水面上起降的飞机;(8)两栖飞机,它是在水指标可与最好的小型涡轮柴油汽车媲美。A380具有上与陆地上均可起降的飞机;(9)地效飞机,它是低噪声的特点,机舱内较安静。在起飞时,噪声水贴近水面或地面飞行的飞机。俄罗斯拥有20t平比竞争对手减少一半,对环境的影响较小。A380400t不同吨位的地效飞机,其中的小鹰号飞机为140飞机的时速980kg,航程可达15000kg(8000海t级,在离地面或水面3.5m-14m高度处飞行,时里)。A380将创造民航机的许多新纪录,在未来的客速可达556km/h;(10)航测机,它执行航空测量任第2期邓炬:钛与航空务,用于地形和地貌测绘、地质调查。利用航空物是推重比,即发动机产生的推力与其自重之比。推探(磁场、电磁场、重力场、放射场探测),可进行重比越高,发动机性能越好。早期发动机的推重比探矿与地下文物考查等。只有2~3,现在已达到10。国外正在研制推重比10百年航空展示了人类傲视苍穹、追求进步、永-20的发动机。提高推重比,必须提高涡轮前进气不停息的勇敢精神和科学精神。21世纪必将是航空的压缩比(进气量指标)与进气温度。工作温度越业更加辉煌的世纪。高,发动机的热效率越高。提高推重比也必须提高材料高温下的比强度和比刚度,减轻发动机自身的2五十年钛航空应用重量。据计算,当压缩比达到15:1时,压气机的出口温度为590℃,而当压缩比达到25:1时,压气机1910年,即飞机问世后的第7年,美国科学家的出口温度就达到620℃-705℃,需要耐热性非常享特用“钠法”(钠还原TCu)获得了金属钛。但钛好的钛合金。实验证明,常规钛合金只能用于650℃工业直到第二次世界大战之后的1948年,即卢森堡以下,为制造推重比10以上的先进发动机,需要开科学家发明的“镁法”(镁还原TCL)在美国用于生发以钛基复合材料、TA和TA型金属间化合物为产之后才开始起步。钛工业的历史要比航空工业的基的钛合金。目前实用性能最好的耐热钛合金是英历史晚几十年。钛是惟一在两次世界大战中都没有国的M829,M834和美国的T1100。它们已分使用过的结构金属材料。别用于V2500,EJ2000,55712改型发动机。钛与航空有着不解之缘。钛材一出来就首先应压压气机用于航空。1953年,在美国道格拉斯公司生产的DC燃烧室T机发动机吊舱和防火壁上首次使用钛材,从而揭开了钛航空应用的历史。从那时以来,钛在航空上已应用了整整五十年。这五十年是世界航空工业迅速发展的五十年,也是钛工业成长壮大的五十年低压涡轮钛能在航空上广泛应用是由于它有适于飞机应齿轮系统压气机用的许多宝贵特性。钛的密度比钢约轻40%,而强驱动风扇度与钢相当;钛的比强度在金属中算最高,而且钛图5航空发动机的结构耐热性与耐蚀性相当好,远胜于铝与镁。此外,钛发动机越先进,用钛量越高。我国在20世纪80的弹性好和抗弹性好,以及较好的成形加工性也有年代开始批量生产的wP13系列发动机,用钛量约利于钛在飞机上应用。13%;正在研制的发动机的用钛量为15%~20%,钛在飞机上的应用主要有以下三个方面:发动而国外先进航空发动机的用钛量一般均达30%。如机、机体和机载设备。V2500发动机的用钛量为31%,我国要达到这个水喷气发动机是飞机的心脏。发动机的结构示于平,还需要作出很大的努力图5。发动机的风扇、高压压气机盘件和叶片等转动钛在飞机机体上的应用日益重要,它是战斗机部件,不仅要承受很大的应力,而且要有一定的耐高速化和民航机大型化、远程化及高速化的必然结热性,即要求钛在300℃-650℃温度下有良好的抗果。飞机速度越快,即马赫数越高,机体表面的空高温强度、抗蠕变性和抗氧化性能。这样的工况条气动力加热越剧烈,对结构材料耐热性的要求越高。件,对铝来说温度太高;对钢来说密度太大,高速图6示出了航空材料的比强度与飞行速度(马赫数)运动产生的离心应力太大;钛是最佳的选择。因此,和气动加热温度之间的关系。当飞行速度大于22钛在先进发动机上的应用不断扩大。在飞机上使用马赫时,铝合金的耐热性已不能满足许多部件的耐较多的钛合金有T6A4V,Ti8AMo1V,T-17,热性要求。随着飞行速度的提高,钛的比强度优势Ti6242,Ti6246,TC6,T9,TCl,Ti-100,越大。在蒙皮一桁条和夹心结构中,机体结构重量IM829,IMI834等。随着航空技术的发展,钛合金与马赫数的关系示于图7。它表明,飞机的马赫数是的耐热温度不断提髙。发动机的一个重要性能指标钛材的重要依据。高马赫数飞机选用钛材,不仅使钛工业进風第21卷构件本身减重,而且也使附加支撑部件减重,所配“廉价”战斗机,它的价格比重型的F-15低一半,它发动机规格减小,带来燃油费节省、废气排放量减是与F-15搭配使用的战斗机。虽然它的性能很不少、运输成本降低等一系列效益。因此,在高速战错,但与F-16不完全是同一档次的飞机。斗机、轰炸机和大型远程飞机上大量采用钛合金。每架F-15战斗机机身需要消费23t钛材,它配温度/c的2台发动机需要消费4.5t钛材。每架F.22战斗马赫数232730机,机身需消费36t钛材,它配的2台F19发动Ti-6Al-4V机,需消费5t钛材。美国计划到2011年,共生产278架F-22战斗机,由此可推算,为生产F22飞机及备用的发动机,可能需要消费近10000t优质钛铝合金材。这些钛材主要是T6A4ELI和Ti6222两种20070775T6钛合金。010020030040波音777是20世纪90年代初研制的飞机,它广泛采用了20世纪80年代中期到80年代末期开发的图6比强度与温度的关系新材料,包括新型的7000和2000系列铝合金、损伤马赫20铝(拉伸断裂)马赫20马赫30b容限的复合材料和先进的钛合金。这些材料的采用使飞机减重5800磅。在B777上,共用了5种钛合压断平金:T1023,T64EL,T153,B2S和T6242钛合金用量占飞机总重的7%,使用部位见图8。图7结构的相对重量和温度的关系(a)蒙皮-桁条结构(b)夹层结构国外先进战机的用钛情况示于表2。由表2可见,在飞机结构中,钛合金与树脂基复合材料的用量是逐渐增加的。美国掌握空权的第三代主力战机F15和第四代主力战机F22的用钛量分别达27%和41%,复合材料的用量分别达2%和25%,而传统航空材料铝的用量分别下降到36%和11%。在超音速巡航的第四代战机F22上,钛已成为第一结构金属,这代表了军机用材的发展方向。2国外先进战机的用材情况【%)机种设计年代钛合金结构钢铝合金复合材料图8波音777飞机用材示意图苏-27(重型)19691714在B77上,高强高韧性β钛合金T-1023用做F-15(重型)1972276主起落架( main landing gear truck beam)这是最大F16(轻型)197633653.4的钛单体件和最具有挑战性的起落架。它是一种新F18197813型结构的三轴起落架,能使飞机在较短跑道上起飞。F117(隐身)198325520为了降低成本,它用三件拚焊而成。用T-1023代替F22(重型)198941高强钢做主起落架,既可大大减重,又可避免腐蚀问题。采用β退火的T6A4V合金材而不用普通工应该指出的是,人们熟悉的F16用钛量很少厂退火的Ti6A4V合金材是B777用钛的一大技术(3%),这主要是因为它是一种小型(单发单座)、特色,目的在于提高该材料的损伤容限。用抗氧化第2期邓炬:钛与航空性好的P1钛合金代替镍基合金在B77上用做弹簧对未来钛在航空上的应用产生深刻的影响。和管道。波音777上钛材的选择和使用技术经验将世界几种干线飞机情况及用钛量见表3。表3大型民航机的用钛情况国家与公司飞机首飞年代用钛量/%B7071950.2第一代,近中程100座19672,2第二代,近中程100~149座,宽机身B747100美国波音第三代,中远程250~412座宽机身第四代,近中程150-186座,宽机身1.8第四代,中远程187~250座,宽机身B7771994第五代,中远程350座以上,宽机身A300第三代,中远程250座以上A3101982空客公司A340665第四代,中远程251~350座,宽机身第五代,中远程55-800座,宽机身TU-154第二代,近中程150-180座俄罗斯TU-204TU3341997由表3可见,在民航机中,最先进飞机的用钛钛的航空应用技术已非常成熟,可用来制造非常复量为9%。虽然它的用钛比例比先进战机要低些,但杂的承力构件。因为民航机的体积和重量要大一些,每架飞机的用在我国,飞机发动机的用钛已有较长的历史和钛量仍是相当可观的。还应注意的是,飞机部件是非较多的经验,飞机机体的用钛仍处于起步阶段。在常精巧的深加工部件,飞机钛材的购买量平均约为飞机零件重量的7倍,即材料坯料与飞行零件重量巴之比大致为7:1。在估计钛的航空市场时,一定要考虑到这个因素。飞机钛零件大多为钛棒和厚板制成的锻件或机加工件。为减少焊缝和连接件的数目,提高钛部件的整体性,近年来,大型钛等温锻件与精密铸件的比例在不断增加。减少零件的数目,既有利于减重=酬也有利于减少加工量,减少装配时间,降低生产成本和提高安全可靠性。图9A380飞机用钛部位A380飞机的起落架是T-1023合金制造的,最大重量达3200多公斤,是迄今为此最大的航空锻歼7飞机上,钛零件重量只有9kg,在歼8飞机上达件。它是用世界最大的锻压机(75000t)制造出来到60kg-90kg,在歼8Ⅲ(二代机)和歼10机上,用钛量也仅为2%-3%左右,使用的钛合金有T图9示出了A380飞机用钛的部件。图10示出6Al4V,TC1,T-1023,Ti-15-3等。典型部件有鸭了A380飞机发动机吊架用钛的具体情况。可以看翼转轴梁、后机身的框、接头和口盖、59框垂尾接出,在一个大构件中,在不同部位虽使用同一种钛头、腹鳍接头和油箱下壁隔板等。用钛部件为局部合金材料,但需要采用不同的热处理规范。它表明,温度较高的部位。q钛工业进展第21卷发展初期,稀少而昂贵的钛基本上都用于航空。目前,航空仍是钛的第一大市场。虽然随着钛在民用领域的推广,钛在航空部门的应用比例在下降,但在将来,航空还是钛的重要市场之一。目前世界年产钛材约6万吨,其中航空用钛约占50%。但各国航空业的发展状况不同,航空用钛的比例差异很大,美国和欧洲航空用钛比例最高,俄罗斯次之。日本和中国航空用钛比例很小,主要是因为不生产大型客机和大批量高钛的战斗机图10A380飞机吊架用钛情况对钛来说,航空业不仅是钛的主要市场,对其产量的高低有严重影响,而且是钛技术进步的主要世界航空领域正在蕴酿着重大的突破。在21世动力。例如,航空对钛的高性能要求促进了钛合金纪的天空中,将出现一种崭新的飞机——太空飞机。品种的发展,实用的几十种钛合金中绝大多数是根乘坐这种飞机,从莫斯科到纽约的时间将从10h缩据航空需要而研制的,包括各种耐热钛合金、Ti基短到50min。乘坐太空飞机,人可以在地球的一面复合材料、T2A和TA基合金及高强高韧性钛合金居住,而在地球的另一面上班。人们的时空观念将等等。随着航空设计概念由单纯静强度设计、安全发生很大变化,地球真正成为“地球村寿命设计向破损一安全设计的演进,飞机的设计俄罗斯科学家设计的太空飞机有双层座位,可选材判据发生了很大变化,钛合金作为重要的航空搭载600人。飞机升到100kg高空,绕地球飞行。结构材料,其发展方向也受到深刻的影响。在国际飞机时速在2-3万公里。一张机票的费用约15万上,一些高断裂韧性(Kc,K)、低裂纹扩展速率美元,它将使许多人享受太空旅游的乐趣和超凡的(da/dN)和高损伤容限(临界裂纹长度ε)的钛合快捷和便利。太空飞机可在一、二类机场起降,它金或热处理状态的钛材正受到重视而得以快速发展还能释放卫星和运送货物,它运送货物的费用比常并获得重要应用。提高钛合金损伤容限的重要措施规火箭与航天飞机要低得多。是采用β工艺(热处理和B变形)和降低间隙型元太空飞机的特点是:采用强大的火箭发动机,素含量,改变材料的显微组织,用片状组织取代常发动机在低空烧煤油,在高空烧液氢,具有最佳的规的等轴组织或双态组织。例如,美国某公司在设发动机效能;机身与机翼整合设计;飞机的耐热层计F-100发动机“冷端”部件时,要求盘件在产生由陶瓷层、纤维层、吸热多孔复合材料、钛金属层0.8mm长度的表面裂纹后仍能安全作用4000h(三和液氢冷却层组成。在太空飞机上,既耐高温又耐个大修周期)。原来盘件用强度较高而韧性较低,裂液氢超低温的金属钛将起非常关键的作用纹扩展速率较快的T6246合金(∞≥1157MPa),俄罗斯专家预计,大约经10~15年,投资约60重新设计时,改用强度较低(∞02≥824MPa)而韧亿美元,可将设计变为现实。据称,美国也在开展性较好和裂纹扩展速率低的Ti6A4V后,盘件寿命太空飞机研究,两年后就拿出自己的太空飞机试验由3100h提高到10000h,在盘件出现08mm裂样机,目前已有600家公司参与研发工作。纹后还可使用5600h,使寿命期费用降低37%。另21世纪的天空将是一个航空航天器飞舞的天空,一种高损伤容限合金Ti62DT(低间隙型T625)代比一代先进的航空航天器将登台亮相,它们将合金大量应用于F22“猛禽”战机的机体。极大地改变人类的时空观与生活方式,将人类文明航空应用也促进了钛的各种先进熔炼与加工技推向一个新阶段。在这场航空、航天交响乐中,年术的发展,如电子束冷床炉熔炼是为降低钛航空转轻的金属钛将展现它的独特魅力。动件的夹杂而研发的,等温锻造、精密铸造、超塑成型/扩散连接、激光加工等近净成形技术也是在航3钛与航空共存共荣空需求的推动下迅速发展起来的。实际上,各国钛科技研究经费绝大多数也都与航空项目有关。未来钛为航空服务,航空是钛的重要市场。在钛的航空的发展离不开钛,钛的发展与航空技术的进步炬:钛与航空息息相关,钛与航空共存共荣机的需求量也很大。另外,一批老式的A330-600应该指出的是,航空对钛的影响也有消极的一型飞机需要更新换代。也就是说,平均每年约需增面。一是航空受军事、政治、经济等因素的影响较购100架大型民航机。中国经济迅速发展,商务往大,飞机特别是军机的需求量周期性很强,波动量来扩大,实行西部大开发,加入WTO,举办2008很大。当美国推出一种新军机时,常形成一种暂时奥运会和2010年世界博览会都是促进中国航空业繁材釆购高潮,出现钛市场兴旺、供不应求的现荣的重要因素。如果每年生产100架大型民航机和象。当批量釆购完成或军机计划削减或取消时,钛50架第三代战机及相应的飞机发动机,估计每年需材就滞销,生产过剩。这样就造成世界钛市场的周要7000t~800t钛材。但不管怎么说,需要的钛期性波动,即“三年一小灾,十年一大灾”的现象,材数量也只有几千吨。不会使整个钛产业的规模有使有的厂家遭受严重损失。一种新战斗机从构想到根本性的变化。航空市场对钛是重要的,又是有限批量生产、装备部队通常需15~20年,差不多一代的。中国现在还不能造大型民航机(干线飞机),中人的时间。这期间会有许多不确定的事情发生。对国的航空钛市场绝大部分将被空客或波音公司占领。从事钛研究与生产的企业是一个严重的考验。另外中国生产过“运5”至“运12”的系列小型民钛材的航空标准非常严,这种过严的标准常被其它机。在大型民航机的生产方面,我国还处于初级阶行业盲目套用,致使提高了钛材的生产成本,不利段。我国通过与美国麦道公司的合作,在上海生产于钛的应用推广。这些问题值得注意。过MD-828型150座客机,国产化率为70%。现在,中国航空工业第二集团所属的哈尔滨飞机工业中国的航空钛市场集团、哈飞航空工业股份公司与巴西航空工业公司联合组建了“哈尔滨婆博威飞机工业有限公司,合我国经济正在持续髙涨,GD尸年增长率在7%以作生产ER45”型喷气客机,它是一种50座支线客上,进出口外贸额的增长率高达二位数。这无疑将机,是1996年才投放市场的先进客机。另外,我国推动中国航空市场的快速增长。国外航空界权威人多家航空制造厂还为国外航空厂家生产过飞机零部士指出,中国是一个市场潜力巨大的国家,有望在未件。这一切,都为我国独立自主地生产大型民航机来20年内成为仅次于美国的世界第二大航空市场。打下了基础。可以预期,中国牌民航机翱翔五大洲对未来的航空市场,欧洲空客公司、波音公司的日子一定会到来。都有过深入的分析与定量预测。例如,空客公司预由此可以得出两点结论:(1)要努力发展中国测,未来20年,中国将需要大约1600架大型飞机。的民用航空技术和努力提高钛生产的技术水平,生中国国内航线对100座-180座的单通道飞机有800产出质高价低的航空钛材,争取进入国际航空市场,架需求;一些繁忙的国际航线,对200座-300座级才能在中国实现钛与航空业的共存共荣。(2)做大宽体客机有300架需求。到2020年,中国对客机的做强中国及世界的钛产业,必须大力发展非航空应座位数量将增加4倍,即从9.7万个增加到38.8万用,如钛在化工、能源、汽车、建筑、海洋工程等个。中国货运市场对A300-600和A330-200货运领域的应用。Titanium and AviationDeng JuNorthwest Institute for Nonferrous Metal Research, Xi'an 710016, China)Abstract: The development route and status of the aviation in the world during last 100 years are summarized. The contribution of tita-nium to the aviation and the application of titanium materials in airplanes are reviewered. The titanium aviation market in China for theial stage of 21th century is prospectey words: titanium: aviation: airplane