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          鈦及鈦合金行業

          電子商務服務平臺

          鈦在航空領域的應用

             2022-03-30 1860

            1.飛機

            (1)在飛機上的應用

            航空工業是研制和應用鈦及鈦合金最早的部門,飛機和發動機如果沒有鈦,實際上就不可能制造出2.7馬赫的超音速飛機。飛機發動機的質量每降低1kg,其使用費用通??晒澕s220~440美元。美國1950年首次在F84戰斗轟炸機中采用工業純鈦制造后機身隔熱板、導風罩和機尾罩等非承力構件。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渦輪噴氣發動機壓氣機轉子盤和葉片。英國羅爾斯-羅伊斯(Rolls)Royce)公司于1954年在Avon發動機上使用了Ti-6Al-4V合金。

            20世紀60年代以后,鈦合金在發動機上的用量逐漸增加,主要用于風扇葉片、壓氣機葉片、盤、軸和機匣。鈦合金在飛機結構中主要用于骨架、蒙皮、機身隔框、起落架、防火壁、機翼、尾翼、縱梁、艙蓋、倍加器、龍骨、速動制動閘、停機裝置、緊固件、前機輪、拱形架、襟翼滑軌、復板、路標燈和信號板等。60年代中期美國研制成功的YF-12A/SR-71偵察機,用鈦量達95%,可以稱為“全鈦飛機”。20世紀80年代,歐美設計的各種先進軍用戰斗機和轟炸機中鈦合金用量已經穩定在20%以上。

            美國、歐洲和俄羅斯民航飛機用鈦情況見表2-20,美國的亞音速民用波音飛機中鈦的用量不斷增加,1958年研制的波音707用鈦81.6kg,占結構重量的0.3%;而1969年,研制的波音747使用的鈦結構件重達3700kg,占結構重量的9%。而波音777使用的鈦結構件重達5896.7kg,占結構重量的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用鈦情況

          國家/公司

          飛機

          型號

          首飛

          年份

          用鈦量

          /%

          飛機整體水平





          代級

          發動機數

          航程

          座位數

          機身

          美國/波音公司

          B707

          1958

          0.3

          第一代

          4

          中短程

          100

          窄體


          B737

          1962

          1.87

          第二代

          2

          中短程

          100~149

          寬體


          B747-100

          1969

          2.4

          第三代

          4

          中遠程

          250~412

          寬體


          B757

          B767

          1982

          1982

          5

          1.8

          第四代

          第四代

          2

          2

          中遠程

          中遠程

          150~186

          187~269

          寬體

          寬體


          B777

          1994

          11

          第五代

          2

          中遠程

          350以上

          寬體


          B787

          2007

          11

          第五代

          2

          中遠程

          210~330

          寬體

          歐洲/空客公司

          A300

          1972

          5

          第三代

          2

          中遠程

          250以上

          寬體


          A310

          1982

          5

          第三代

          2

          中遠程

          200以上

          寬體


          A320

          1983

          6

          第四代

          2

          中短程

          107~221

          窄體


          A330

          1993

          5

          第四代

          2

          中遠程

          253~335

          寬體


          A340

          1993

          6

          第四代

          4

          中遠程

          251~350

          寬體


          A380

          2004

          9

          第五代

          4

          中遠程

          555~840

          寬體

          俄羅斯/圖波列夫

          Tu-154

          1968

          2

          第二代

          3

          近中程

          150~180

          窄體


          Tu-204

          1989

          9

          第三代

          2

          近中程

          190~214

          寬體


          Tu-334

          1997

          9

          第四代

          2

          短程

          102

          窄體

            在新型客機中還使用全鈦框架,在飛機機體中還使用了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公司研制生產的四發、550座級、雙層、超大型遠程寬體客機,其投產時也是全球載客量最大的客機,故有“空中巨無霸”之稱??湛虯380可以選配羅爾斯-羅伊斯公司的Trent 900發動機,或通用電氣公司與普拉特-惠特尼公司聯營的GP7200發動機,兩款均為應用在波音777客機上發動機的衍生產品,Trent 900是Trent系列發動機的第四代產品,為滿足A380需求而設計的發動機。A380用材方面,鋁合金57%,復合材料26%,鈦合金9%(約為60t)。這些先進材料的使用,改進了氣動性能,減輕了飛機重量,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,降低了營運成本??蜋C起飛時的噪聲比當前噪聲控制標準(ICAO)規定的標準要低得多。A380是首架每乘客百公里油耗不到3L的遠程飛機。

            波音B787,又稱“夢想客機(Dreamliner)”,是波音公司最新型號的雙發、遠程、雙層寬體機。設計始于2005年,已于2007年投入使用。機內兩行通道,載客210~330人飛機可選用通用電氣(GE)的GENX或羅爾斯-羅伊斯公司Trent-1000作為引擎,并且可以互換。飛機設計巡航速度為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。飛機用材方面:復合材料61%、鋁合金20%、鈦合金11%、鋼8%。

            俄羅斯上隴而達(VSMPO)用75000t鍛壓機生產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B777和A380的主起落架載重梁。另外據報道Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr合金大型鍛件已被用于大型飛機的起落架。

            美國戰機F-22用鈦量則為41%,結構用鈦36t,是第四代戰斗機的代表,配了兩臺F119發動機,2臺發動機用鈦5t。使用Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI、Ti-62222鈦合金,F119發動機的壓氣機擋板、增壓器及噴嘴現已采用阻燃型合金AlloyC(Ti-35V-15 Cr)。

            F-22戰斗機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、方向舵傳動支架、方向舵鉸鏈接頭、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、隔框及機體。

            Ti-6Al-2Sn-2Mo-2Zr-2Cr-0.2Si(Ti-62222)合金主要用于前梁、下部縱梁、發動機支架、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%。

            民用和軍用飛機結構材料用量的比例見表2-21。

            表2-21民用和軍用飛機結構材料用量的比例

          機型

          首飛年

          用量/



          鈦合金

          鋁合金

          復合材料

          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)常用鈦合金

            鈦合金在新型飛機結構中的應用如表2-22所示。

            表2-22鈦合金在飛機構建上的典型應用

          狀態

          民用

          軍用

          使用部位

          純鈦

          退火

          ?

          ?

          支架、管路、管件、非結構應用

          Ti-3Al-2.5V

          冷加工+消除應力,退火退火

          β-退火

          ?

          ?

          ?

          ?

          ?

          ?

          液壓管、蜂窩核心材料

          用作一般結構的所有產品形式

          損傷容限應用

          Ti-6Al-4V

          β-固溶+過時效

          再結晶退火

          固溶時效

           

          ?

           

          ?

          ?

          ?

          用于F-22的損傷容限鑄件

          用于B-1、F-15、F-18的損傷容限材料緊固件、隔斷部件

          Ti-6Al-6V-2Sn

          固溶時效

          退火

          ?

           

           

          ?

          早期的非損傷容限應用

          非軍工應用

          Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo

          雙重退火

          ?

          ?

          在高溫下應用的鑄件、加工件

          Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr

          三重退火


          ?

          鍛件、厚板——高強、高斷裂性能

          Ti-10V-2Fe-3Al

          固溶時效

          ?

          ?

          高強、非損傷容限結構鍛件

          Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al

          固溶時效

          ?


          高強、高成形性能的薄板和鑄件(很少)

          Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr

          冷加工+時效

          ?

          ?

          彈簧

          Ti+15Mo-3Al-2.7Nb-2.5Si

          固溶+過時效

          ?


          高強、高抗氧化和液壓流體性能

            世界各國常用飛機結構用鈦合金,可歸納為如表2-23所示的鈦合金體系,其中優先使用的有15種左右,這些鈦合金中絕大多數均被我國研制和生產,并已納入國家標準GB7T 3620—2007。

            表2-23 各國常用飛機結構用鈦合金名義成分和力學性能

            注:*為優先選用的合金牌號。

            俄羅斯在飛機結構中使用的鈦合金的牌號與力學性能見表2-24所示。

            這些合金共20余種,已在俄羅斯各類飛機中獲得了廣泛的應用。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。

            (3)鈦在我國航空領域的應用情況

            20世紀80年代,我國WP13等航空發動機開始大量使用鈦合金制造壓氣機盤、葉片、機匣等部件,同時殲7、殲8等改型飛機開始使用TC4、TB5、TB6等鈦合金零部件。中國殲7戰斗機是單座單發動機超音速(2M)戰斗機,首飛于1966年,我國殲7戰斗機開始采用鈦,主要用于發動機艙的隔熱結構。殲-8戰斗機是單座雙發動機超音速高空截擊機,1984年首飛,殲-7、殲-8戰斗機都屬于第二代戰斗機。殲-8(2)機身用鈦量達3.97%,殲-10、殲-11更多地使用了鈦材,殲-11是仿蘇-27戰斗機。我國飛機機體上使用的鈦及鈦合金有工業純鈦、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等噴氣發動機,將鈦及鈦合金用于葉片、盤和機匣等部件,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項目,并列入中國民機工業2020年的長遠規劃,投入500億~600億元人民幣研發大型飛機重大專項,國務院成立的大型飛機重大專項領導小組已經完成《大型飛機方案論證報告》,用13年研制自己的干線客機,并成立大型干線客機制造公司。中國目前已經具備研制大型干線飛機的能力。除了設計能力之外,在與麥道合作生產MD90的過程中,已經掌握了干線飛機的生產能力和管理能力。從ARJ-21起步起,就為研制大型飛機做一個演練。

            在我國航空領域,目前鈦的消費量僅占10%,但隨著中國大飛機計劃的啟動和實施,中國鈦工業高端化發展迎來了政策和市場的雙重利好。鈦在航空領域的應用必將迎來大的發展。

            2.發動機

            發動機是飛機的心臟。發動機的風扇、高壓壓氣機盤件和葉片等轉動部件,不僅要承受很大的應力,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度、抗蠕變性和抗氧化的性能。歐美各型號發動機的鈦合金使用情況見表2-25。

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

            表2-25 鈦合金在各型號發動機上的使用情況

          公司

          發動機型號

          應用年代

          發動機各部位用鈦合金的牌號




          風扇盤

          風扇

          葉片

          中、高壓

          壓氣機盤

          動葉片

          靜葉片

          涵道

          普拉特-惠 特尼公司

          J57

          JT805

          JT90

          JT90

          1954

           

          1968

          現代

           

          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世紀70年代

          20世紀70年代末

          1968

          1968

          20世紀70年代末

          20世紀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


          羅爾斯-羅 伊斯公司

          Avon

          RB211-5248

          RB211-5240

          RB211-53E4

          1954

          20世紀60年代末

          1979

          20世紀70年代末

          Ti64

          Ti64

          Ti64

          Ti64

          Ti64

          Ti64

          Ti64

          Ti64

          Ti64

          IMI685

          IMI685

          IMI685

          IMI829

          IMI829



          思耐克 馬公司

          Adour

          R/R-Turborneca

          RB199

          Regasus,Olimpus, 593M53


          Ti64

          Ti64

          Ti64

          Ti64

          IMI550

          Ti64

          IMI685

          Ti64

          IMI685

          IMI685


          Ti64 Ti6242

            增大發動機的推力、改善推重比和耗油率,要通過提高發動機的總效率來實現,其主要途徑是提高壓氣機的增壓比和提高渦輪進口燃氣溫度。美國和英國發動機壓氣機的總增壓比由20世紀60年代初期的10~13,增長為70年代的20~27,GENX達到45。60年代初,在不采取冷卻技術的情況下,渦輪進口燃氣溫度為925℃,目前美國的TF-39風扇發動機的上述溫度達到1260℃,提高了335℃。估計遠程亞音速運輸機的渦輪進口溫度達到1140~1370℃,多用途戰斗機的渦輪進口溫度為1370~1650℃,而大馬赫用發動機可達到1930~2000℃。

            表2-26美國渦輪噴氣及渦輪風扇發動機使用材料情況

          年份

          機種

          鋁鎂合金

          鈦合金

          復合材料

          高溫合金

          1950年

          J47(裝備F86殲擊機)

          22

          70

          0

          0

          8

          1955年

          J79(裝備F104,F4飛機)

          3

          85

          2

          O

          10

          1960年

          J93(裝備XB-70H轟炸機)

          1

          24

          7

          0

          68

          1965年

          GE4(裝備超音速運輸機)

          1

          15

          12

          O

          72


          JT9D(裝備波音747運輸機)


          25

          28

          I

          33


          TF39(裝備C-5A軍用運輸機)

          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

            由于發動機工作條件的提高和尺寸的變化,鋼在發動機中的用量明顯下降,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動機所選材料的情況。由該表可以看出,在美國大力發展的渦輪風扇發動機上,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)公司所生產的噴氣發動機,使用的鈦為其總重的7%~15%。美國通用電氣公司的J73噴氣發動機使用了6%的鈦。美國J79發動機原用17級不銹鋼轉子,后期的改進型將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發動機上使用了4.5t鈦合金原材料,鈦合金的成本占發動機的5%。TF39風扇發動機使用了33%的鈦材,裝備于C5A軍用運輸機上,發動機重3t左右,使用Ti-6Al-4V和Ti-5Al-2.5Sn合金制作壓氣機盤及葉片。壓氣機的靜子葉片通過β相鍛造,一是毛坯精化。壓氣機的毛坯重312kg,加工后僅重126kg。葉片毛重21.5kg,加工后僅重5.7kg。

            用于超音速運輸機上的GE4渦輪噴氣發動機總重約5t,使用10%的鈦,用鈦有所下降主要是由于工作時溫度更高,前四級空心壓氣機葉片均選用Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo。這是一種高蠕變強度的鈦合金,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℃。

            在近代升力發動機中,為了提高推重比而使用鈦。以日本的升力發動機為例,JR100升力發動機的推重比為10,其壓氣機及渦輪主要由鋼制成。在JR200升力發動機上,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、壓氣機盤、渦輪后軸及盤均用日本的KS150(Ti-5Al-2Cr-1Fe)制造。壓氣機的靜態葉片,用Ti-6Al-4V代替12不銹鋼,重量減輕43%。

            蘇聯的HK8渦輪風扇發動機(裝備伊爾-62運輸機)大體上使用了占其重量40%的鈦合金。在HK144渦輪發動機(裝備圖144超音速運輸機)上也大量使用鈦合金。

            英國羅爾斯-羅伊斯(Rolls-Royce)制造的RB172型發動機中采用了焊接的高壓氣壓機鼓輪。制造壓氣機鼓輪而研制的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戰斗機的F119壓氣機擋板、增壓器及噴嘴現已采用阻燃型合金AlloyC(Ti-35V-15Cr)。


           
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