钛合金针对航空航天的广泛应用

1.钛合金广泛用于飞机机身及发动机与铝、镍等主要航空用金属相比，钛是唯一一种广泛用于机身及发动机的材料。 钛合金是 20 世纪 50 年代发展起来的一种重要的新型结构材料，钛比钢密度小 40%， 而钛的强度和钢的相当，这可以提高结构效率。同时，钛的耐热性、耐蚀性、抗弹性 和成形加工性良好。由于钛具备上述特性，从一出现钛合金就应用于航空工业。钛是 飞机的主要结构材料，也是航空发动机风扇、压气机轮盘和叶片等重要构件的首选材 料，被誉为“太空金属”。钛合金在飞机和发动机中的使用量也是衡量其先进性的重 要指标之一。飞机越先进，钛用量越多。根据《航空用钛合金研究进展》，美国 F22第四代机用钛含量为 41%(质量分数)，其 F119 发动机用钛含量为 39%，是目前用钛含 量最高的飞机。

1.2.航空发动机用钛合金发动机是飞机的心脏，钛合金用量占发动机总质量的 25%~40%。发动机的风扇、 高压压气机盘件和叶片等转动部件，不仅要承受很大的应力，而且要有一定的耐热性。 这样的工况条件对铝来说温度太高；对钢来说密度太大。钛是最佳的选择，钛在 300~650℃温度下具有良好的抗高温强度、抗蠕变性和抗氧化性能。同时，发动机的 一个重要性能指标是推重比，即发动机产生的推力与其质量之比。最早发动机的推重比为 2~3，现在能够达到 10。推重比越高，发动机性能越好。使用钛合金替代原镍基 高温合金可使发动机的质量降低，大大提高飞机发动机的推重比。钛在飞机发动机上 的用量越来越多。在国外先进航空发动机中，高温钛合金用量已占发动机总质量的 25%~40%，如第 3 代发动机 F100 的钛合金用量为 25%，第 4 代发动机 F119 的钛合金用 量为 40%。1.3.航空紧固件用钛合金钛合金紧固件作为复合材料唯一连接材料，随复材用量增加而不断增加。不论 军民用飞机还是航天器上，除了金属构件还有很多碳纤维复合材料。钛与碳纤维复合 材料的电极电位相近，钛合金又成为复合材料惟一的连接材料。因此，随着先进军民 用飞机钛合金和复合材料用量的不断增加，对钛合金紧固件的需求日益加大。钛合金 用作航空紧固件，至少具备以下 4 点优势：1)减重效果好。俄罗斯的一架伊尔-96 飞 机用紧固件 14.2 万件，可减少质量近 600kg。我国航空航天系统钛合金紧固件的使 用也有明显的减重效果。飞机和航天器减少质量后，可以提高推力、增加射程、节省 燃料、减少发射费用等。2)钛合金优异的耐腐蚀性能，尤其是它正电位与碳纤维复合 材料匹配，可以有效防止紧固件发生电偶腐蚀。3)在飞机结构中，紧固件部位因温度 较高，不能采用铝合金，只能使用钛合金。4)钛具有良好弹性和无磁，对于防止紧固 螺栓的松动和防磁场干扰至关重要。2.C919 大飞机钛用量占 9.3%，国产化率最高C919 大飞机钛合金用量占全机结构重量的 9.3%，超过同级别的波音 737 和空客 A320。为了降低飞机的质量，提升飞机的经济性，C919 大型客机广泛采用钛合金材 料，前机身压板、机头蒙皮、吊挂、中央翼缘条、尾翼接头、机翼滑轨等部位均使用 了钛合金，总用量达到机身结构重量的 9.3%。我国第一次在一款民用飞机上大量使 用钛合金，而同级别的波音 737 和空客 A320 飞机钛合金用量分别为 4%、4.5%。

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