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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