钛及钛合金行业

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钛在航空领域的应用

   2022-03-30 2390

  1.飞机

  (1)在飞机上的应用

  航空工业是研制和应用钛及钛合金最早的部门,飞机和发动机如果没有钛,实际上就不可能制造出2.7马赫的超音速飞机。飞机发动机的质量每降低1kg,其使用费用通常可节约220~440美元。美国1950年首次在F84战斗轰炸机中采用工业纯钛制造后机身隔热板、导风罩和机尾罩等非承力构件。美国普拉特-惠特尼(Pratt Whitney)公司1954年开始用Ti-6Al-4V合金制造J57涡轮喷气发动机压气机转子盘和叶片。英国罗尔斯-罗伊斯(Rolls)Royce)公司于1954年在Avon发动机上使用了Ti-6Al-4V合金。

  20世纪60年代以后,钛合金在发动机上的用量逐渐增加,主要用于风扇叶片、压气机叶片、盘、轴和机匣。钛合金在飞机结构中主要用于骨架、蒙皮、机身隔框、起落架、防火壁、机翼、尾翼、纵梁、舱盖、倍加器、龙骨、速动制动闸、停机装置、紧固件、前机轮、拱形架、襟翼滑轨、复板、路标灯和信号板等。60年代中期美国研制成功的YF-12A/SR-71侦察机,用钛量达95%,可以称为“全钛飞机”。20世纪80年代,欧美设计的各种先进军用战斗机和轰炸机中钛合金用量已经稳定在20%以上。

  美国、欧洲和俄罗斯民航飞机用钛情况见表2-20,美国的亚音速民用波音飞机中钛的用量不断增加,1958年研制的波音707用钛81.6kg,占结构重量的0.3%;而1969年,研制的波音747使用的钛结构件重达3700kg,占结构重量的9%。而波音777使用的钛结构件重达5896.7kg,占结构重量的11%。波音777除使用Ti-6Al-4V钛合金外,还使用了Ti-1023、β-21S钛合金,另外还考虑使用Ti-62222S和Ti-4Al-4Mo-2Sn-0.5Si钛合金。

  表2-20 美国、欧洲和俄罗斯民航飞机用钛情况

国家/公司

飞机

型号

首飞

年份

用钛量

/%

飞机整体水平





代级

发动机数

航程

座位数

机身

美国/波音公司

B707

1958

0.3

第一代

4

中短程

100

窄体


B737

1962

1.87

第二代

2

中短程

100~149

宽体


B747-100

1969

2.4

第三代

4

中远程

250~412

宽体


B757

B767

1982

1982

5

1.8

第四代

第四代

2

2

中远程

中远程

150~186

187~269

宽体

宽体


B777

1994

11

第五代

2

中远程

350以上

宽体


B787

2007

11

第五代

2

中远程

210~330

宽体

欧洲/空客公司

A300

1972

5

第三代

2

中远程

250以上

宽体


A310

1982

5

第三代

2

中远程

200以上

宽体


A320

1983

6

第四代

2

中短程

107~221

窄体


A330

1993

5

第四代

2

中远程

253~335

宽体


A340

1993

6

第四代

4

中远程

251~350

宽体


A380

2004

9

第五代

4

中远程

555~840

宽体

俄罗斯/图波列夫

Tu-154

1968

2

第二代

3

近中程

150~180

窄体


Tu-204

1989

9

第三代

2

近中程

190~214

宽体


Tu-334

1997

9

第四代

2

短程

102

窄体

  在新型客机中还使用全钛框架,在飞机机体中还使用了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等钛合金材料。

  空中客车A380(AirbusA380)是欧洲空中客车工业公司研制生产的四发、550座级、双层、超大型远程宽体客机,其投产时也是全球载客量最大的客机,故有“空中巨无霸”之称。空客A380可以选配罗尔斯-罗伊斯公司的Trent 900发动机,或通用电气公司与普拉特-惠特尼公司联营的GP7200发动机,两款均为应用在波音777客机上发动机的衍生产品,Trent 900是Trent系列发动机的第四代产品,为满足A380需求而设计的发动机。A380用材方面,铝合金57%,复合材料26%,钛合金9%(约为60t)。这些先进材料的使用,改进了气动性能,减轻了飞机重量,减少了油耗和排放,使每人每公里油耗及二氧化碳排放更低,降低了营运成本。客机起飞时的噪声比当前噪声控制标准(ICAO)规定的标准要低得多。A380是首架每乘客百公里油耗不到3L的远程飞机。

  波音B787,又称“梦想客机(Dreamliner)”,是波音公司最新型号的双发、远程、双层宽体机。设计始于2005年,已于2007年投入使用。机内两行通道,载客210~330人飞机可选用通用电气(GE)的GENX或罗尔斯-罗伊斯公司Trent-1000作为引擎,并且可以互换。飞机设计巡航速度为0.85马赫(水平面速度约每小时561海里或903km)。续航距离8500海里(15700km),可由洛杉矶直飞伦敦,或纽约直飞东京。飞机用材方面:复合材料61%、铝合金20%、钛合金11%、钢8%。

  俄罗斯上隴而达(VSMPO)用75000t锻压机生产Ti-10V-2Fe-3Al(Ti-1023)合金锻件,其锻件重3175kg,锻件的投影面积为1.23m?,是世界最大的航空锻件,它用于世界大型飞机B777和A380的主起落架载重梁。另外据报道Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr合金大型锻件已被用于大型飞机的起落架。

  美国战机F-22用钛量则为41%,结构用钛36t,是第四代战斗机的代表,配了两台F119发动机,2台发动机用钛5t。使用Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4VELI、Ti-62222钛合金,F119发动机的压气机挡板、增压器及喷嘴现已采用阻燃型合金AlloyC(Ti-35V-15 Cr)。

  F-22战斗机选用六种钛合金材料,共计4028kg。

  Ti-6Al-4V合金约占36%,主要用于主机翼组件、斜隔框、辅助动力装置入气口框、座舵罩盖、副翼支撑架、副翼铰链接头、方向舵传动支架、方向舵铰链接头、挡板铰链接头。Ti-GAl-4VELI合金主要用于前后桁梁、纵梁、翼梁、尾翼梁及尾肋、隔框及机体。

  Ti-6Al-2Sn-2Mo-2Zr-2Cr-0.2Si(Ti-62222)合金主要用于前梁、下部纵梁、发动机支架、平尾铰轴、尾部接头。

  其他钛合金材料还包括:Ti-6242、Ti-1023、Ti-153和Ti-3AI-2.5V等,这些合金的用量约占4%。

  民用和军用飞机结构材料用量的比例见表2-21。

  表2-21民用和军用飞机结构材料用量的比例

机型

首飞年

用量/



钛合金

铝合金

复合材料

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)常用钛合金

  钛合金在新型飞机结构中的应用如表2-22所示。

  表2-22钛合金在飞机构建上的典型应用

状态

民用

军用

使用部位

纯钛

退火

支架、管路、管件、非结构应用

Ti-3Al-2.5V

冷加工+消除应力,退火退火

β-退火

液压管、蜂窝核心材料

用作一般结构的所有产品形式

损伤容限应用

Ti-6Al-4V

β-固溶+过时效

再结晶退火

固溶时效

 

 

用于F-22的损伤容限铸件

用于B-1、F-15、F-18的损伤容限材料紧固件、隔断部件

Ti-6Al-6V-2Sn

固溶时效

退火

 

 

早期的非损伤容限应用

非军工应用

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

双重退火

在高温下应用的铸件、加工件

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

三重退火


锻件、厚板——高强、高断裂性能

Ti-10V-2Fe-3Al

固溶时效

高强、非损伤容限结构锻件

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

固溶时效


高强、高成形性能的薄板和铸件(很少)

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

冷加工+时效

弹簧

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

固溶+过时效


高强、高抗氧化和液压流体性能

  世界各国常用飞机结构用钛合金,可归纳为如表2-23所示的钛合金体系,其中优先使用的有15种左右,这些钛合金中绝大多数均被我国研制和生产,并已纳入国家标准GB7T 3620—2007。

  表2-23 各国常用飞机结构用钛合金名义成分和力学性能

  注:*为优先选用的合金牌号。

  俄罗斯在飞机结构中使用的钛合金的牌号与力学性能见表2-24所示。

  这些合金共20余种,已在俄罗斯各类飞机中获得了广泛的应用。例如CY(苏)-27、CY-30MKH;TY(图)-204、334;HJI(伊尔)-76、86、96;MHT(米格)-29;歼K(雅克)-42等飞机。

  (3)钛在我国航空领域的应用情况

  20世纪80年代,我国WP13等航空发动机开始大量使用钛合金制造压气机盘、叶片、机匣等部件,同时歼7、歼8等改型飞机开始使用TC4、TB5、TB6等钛合金零部件。中国歼7战斗机是单座单发动机超音速(2M)战斗机,首飞于1966年,我国歼7战斗机开始采用钛,主要用于发动机舱的隔热结构。歼-8战斗机是单座双发动机超音速高空截击机,1984年首飞,歼-7、歼-8战斗机都属于第二代战斗机。歼-8(2)机身用钛量达3.97%,歼-10、歼-11更多地使用了钛材,歼-11是仿苏-27战斗机。我国飞机机体上使用的钛及钛合金有工业纯钛、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等喷气发动机,将钛及钛合金用于叶片、盘和机匣等部件,使用钛合金有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”期间,中国启动了大型干线客机项目,并列入中国民机工业2020年的长远规划,投入500亿~600亿元人民币研发大型飞机重大专项,国务院成立的大型飞机重大专项领导小组已经完成《大型飞机方案论证报告》,用13年研制自己的干线客机,并成立大型干线客机制造公司。中国目前已经具备研制大型干线飞机的能力。除了设计能力之外,在与麦道合作生产MD90的过程中,已经掌握了干线飞机的生产能力和管理能力。从ARJ-21起步起,就为研制大型飞机做一个演练。

  在我国航空领域,目前钛的消费量仅占10%,但随着中国大飞机计划的启动和实施,中国钛工业高端化发展迎来了政策和市场的双重利好。钛在航空领域的应用必将迎来大的发展。

  2.发动机

  发动机是飞机的心脏。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,而且要有良好的耐热性,即要求钛在300~650℃温度下具有抗高温强度、抗蠕变性和抗氧化的性能。欧美各型号发动机的钛合金使用情况见表2-25。

  在航空发动机中使用钛合金的好处是:使用在飞机发动机的中等温度部位时,钛比钢具有更高的疲劳强度、屈服强度和蠕变强度,较低的弹性模量,这样在疲劳载荷情况下能够减少应力。钛合金优异的抗大气腐蚀性能,能大大改善喷气发动机的压缩性能。

  表2-25 钛合金在各型号发动机上的使用情况

公司

发动机型号

应用年代

发动机各部位用钛合金的牌号




风扇盘

风扇

叶片

中、高压

压气机盘

动叶片

静叶片

涵道

普拉特-惠 特尼公司

J57

JT805

JT90

JT90

1954

 

1968

现代

 

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世纪70年代

20世纪70年代末

1968

1968

20世纪70年代末

20世纪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


罗尔斯-罗 伊斯公司

Avon

RB211-5248

RB211-5240

RB211-53E4

1954

20世纪60年代末

1979

20世纪70年代末

Ti64

Ti64

Ti64

Ti64

Ti64

Ti64

Ti64

Ti64

Ti64

IMI685

IMI685

IMI685

IMI829

IMI829



思耐克 马公司

Adour

R/R-Turborneca

RB199

Regasus,Olimpus, 593M53


Ti64

Ti64

Ti64

Ti64

IMI550

Ti64

IMI685

Ti64

IMI685

IMI685


Ti64 Ti6242

  增大发动机的推力、改善推重比和耗油率,要通过提高发动机的总效率来实现,其主要途径是提高压气机的增压比和提高涡轮进口燃气温度。美国和英国发动机压气机的总增压比由20世纪60年代初期的10~13,增长为70年代的20~27,GENX达到45。60年代初,在不采取冷却技术的情况下,涡轮进口燃气温度为925℃,目前美国的TF-39风扇发动机的上述温度达到1260℃,提高了335℃。估计远程亚音速运输机的涡轮进口温度达到1140~1370℃,多用途战斗机的涡轮进口温度为1370~1650℃,而大马赫用发动机可达到1930~2000℃。

  表2-26美国涡轮喷气及涡轮风扇发动机使用材料情况

年份

机种

铝镁合金

钛合金

复合材料

高温合金

1950年

J47(装备F86歼击机)

22

70

0

0

8

1955年

J79(装备F104,F4飞机)

3

85

2

O

10

1960年

J93(装备XB-70H轰炸机)

1

24

7

0

68

1965年

GE4(装备超音速运输机)

1

15

12

O

72


JT9D(装备波音747运输机)


25

28

I

33


TF39(装备C-5A军用运输机)

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

  由于发动机工作条件的提高和尺寸的变化,钢在发动机中的用量明显下降,而钛合金则由于其成本的下降、加工性能的改善和新工艺方法的采用,用量逐步增加。表2-26列出了美国几种典型发动机所选材料的情况。由该表可以看出,在美国大力发展的涡轮风扇发动机上,钛合金在各种材料中所占的比例不断地增大。

  美国普拉特·惠特尼(Pratt Whitney)公司所生产的喷气发动机,使用的钛为其总重的7%~15%。美国通用电气公司的J73喷气发动机使用了6%的钛。美国J79发动机原用17级不锈钢转子,后期的改进型将11级盘改用钛合金;在J79-8使用了20%的钛,在J79-3中使用了4%的钛。

  在新改型的JT9F发动机上使用了4.5t钛合金原材料,钛合金的成本占发动机的5%。TF39风扇发动机使用了33%的钛材,装备于C5A军用运输机上,发动机重3t左右,使用Ti-6Al-4V和Ti-5Al-2.5Sn合金制作压气机盘及叶片。压气机的静子叶片通过β相锻造,一是毛坯精化。压气机的毛坯重312kg,加工后仅重126kg。叶片毛重21.5kg,加工后仅重5.7kg。

  用于超音速运输机上的GE4涡轮喷气发动机总重约5t,使用10%的钛,用钛有所下降主要是由于工作时温度更高,前四级空心压气机叶片均选用Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo。这是一种高蠕变强度的钛合金,其工作温度比Ti-6Al-4V合金高100℃,而Ti-6Al-4V合金的工作温度极限为400℃。

  在近代升力发动机中,为了提高推重比而使用钛。以日本的升力发动机为例,JR100升力发动机的推重比为10,其压气机及涡轮主要由钢制成。在JR200升力发动机上,则用钛合金及耐热铝合金代替钢,使推重比提高到16,第一压气叶片、前轴、压气机盘、涡轮后轴及盘均用日本的KS150(Ti-5Al-2Cr-1Fe)制造。压气机的静态叶片,用Ti-6Al-4V代替12不锈钢,重量减轻43%。

  苏联的HK8涡轮风扇发动机(装备伊尔-62运输机)大体上使用了占其重量40%的钛合金。在HK144涡轮发动机(装备图144超音速运输机)上也大量使用钛合金。

  英国罗尔斯-罗伊斯(Rolls-Royce)制造的RB172型发动机中采用了焊接的高压气压机鼓轮。制造压气机鼓轮而研制的IMI685(Ti-6Al-5Zr-0.5Mo-0.25Si)合金兼有高的抗蠕变性、断裂韧性及特异的可焊性。

  F-22战斗机的F119压气机挡板、增压器及喷嘴现已采用阻燃型合金AlloyC(Ti-35V-15Cr)。


 
标签: 航空
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