鈦材料在現(xiàn)代航天業(yè)和發(fā)動機中有哪些應用？
中國航空工業(yè)經(jīng)過60多年的艱苦創(chuàng)業(yè)，取得了舉世矚目的成就，C919大型客機、ARJ21渦扇支線飛機等重點產(chǎn)品研制穩(wěn)步推進，民用飛機正在實現(xiàn)由研制生產(chǎn)中小型飛機向大型飛機的跨越。11月13日至11月18日，第九屆中國國際航空航天博覽會在廣東珠海舉辦，來自39個國家和地區(qū)的650多家參展商，以及100多架飛行器實物參加。
正在進行詳細設(shè)計的C919大型客機則首次以聲光電結(jié)合的形式進行全新形象展示。開幕當天，中國商用飛機有限責任公司與國內(nèi)外客戶簽署了新的C919大型客機購機協(xié)議，新增加50架訂單，自此C919大型客機的訂單總數(shù)達到了380架。C919大型客機首批裝機零件已分別在成都、上海等地開工制造，近期開始全面試制。在此次珠海航展上，中國商飛公司與河北航空投資集團有限公司、幸福航空有限責任公司、美國通用電氣金融服務有限公司簽署C919客機用戶協(xié)議，與美國東方航空有限責任公司簽署購機諒解備忘錄。由此，C919大型客機用戶達到15家，訂單總數(shù)達到380架。
現(xiàn)代飛機和發(fā)動機中最重要的高溫合金、鋁合金、鈦合金、超高強度鋼、復合材料等5大類結(jié)構(gòu)材料。鈦主要應用在飛機的以下幾個方面：
1.飛機結(jié)構(gòu)鈦合金材料
鈦合金具有比強度高、耐腐蝕性好和耐高溫等一系列優(yōu)點，能夠進行各種方式的零件成形、焊接和機械加工，因而在先進飛機及發(fā)動機上獲得了廣泛應用。當今，鈦合金用量占飛機結(jié)構(gòu)重量的百分比已成為衡量飛機用材先進程度的重要標志之一。鈦合金占F-22戰(zhàn)斗機機體結(jié)構(gòu)重量的39%。鈦合金在國外民用飛機上的用量也隨飛機設(shè)計和性能水平的提高而不斷增加。高損傷容限性能是新一代戰(zhàn)斗機(包括高推比發(fā)動機)長壽命、高機動性、低成本和損傷容限設(shè)計需要的重要材料性能指標。美國率先把破損安全設(shè)計概念和損傷容限設(shè)計準則成功應用在先進戰(zhàn)斗機上，F(xiàn)-22戰(zhàn)斗機大量采用損傷容限型鈦合金及其大型整體構(gòu)件，以滿足高減重和長壽命的設(shè)計需求。Ti-6Al-4VELI在美國C-17軍用運輸機上的特大型鍛件上得到重要應用，高強度鈦合金Ti-6-22-22S也在C-17飛機上的水平尾翼接頭(轉(zhuǎn)軸)等關(guān)鍵部位上得到應用。這兩種鈦合金的使用，使大型運輸機的壽命高達60000飛行小時以上。在歐洲，空客A380是首架全鈦掛架的飛機，未來的A350也將采用全鈦掛架。
2.航空發(fā)動機用高溫鈦合金
高溫鈦合金主要用于制造航空發(fā)動機壓氣機葉片、盤和機匣等零件，這些零件要求材料在高溫工作條件下(300~600℃)具有較高的比強度、高溫蠕變抗力、疲勞強度、持久強度和組織穩(wěn)定性。隨著航空發(fā)動機推重比的提高，高壓壓氣機出口溫度升高導致高溫鈦合金葉片和盤的工作溫度不斷升高。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，固溶強化型的高溫鈦合金最高工作溫度由350℃提高到了600℃。我國在航空發(fā)動機上使用的工作溫度在400℃以下的高溫鈦合金主要有TC4和TC6，應用于發(fā)動機工作溫度較低的風扇葉片和壓氣機第1、2級葉片。500℃左右工作的高溫鈦合金有TC11、TA15和TA7合金，其中TC11是我國目前航空發(fā)動機上用量最大的鈦合金。單純采用固溶強化的鈦合金難以滿足600℃以上溫度環(huán)境對蠕變抗力和強度的要求。有序強化的鈦-鋁系金屬間化合物因其高比強度、比剛度、高蠕變抗力、優(yōu)異的抗氧化和阻燃性能，而成為600℃以上溫度非常有使用潛力的候選材料，其中Ti3Al基合金長期工作溫度在650℃左右，而TiAl基合金工作溫度可760℃~800℃。
3.飛機鈦合金緊固件
鈦合金緊固件可以大大減輕飛機的自身重量，不僅可以提高飛行性能，還能降低使用成本，最主要的是可是降低油耗。我國國產(chǎn)c919飛機每架約需鈦合金緊固件20萬件，要完成首批100架啟動訂單就需要2000萬件鈦合金緊固件。按計劃2018年年產(chǎn)150架大飛機計算的話，每年就需要3000萬件鈦合金緊固件。鈦合金緊固件發(fā)展?jié)摿薮?，市場發(fā)展前景十分看好。
預計2013年末中國民用飛機的機隊規(guī)模將達到6309架，是目前機隊規(guī)模的3.6倍。由于中國航線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特性，未來的機隊構(gòu)成仍將以單通道干線飛機為主，但寬體干線飛機和支線飛機比例會增加。而由于運量增長和退役的替換需求，未來20年中國需要新增的民用客機達4933架。
專家分析，從長期看，中國經(jīng)濟持續(xù)增長、城市化進程加快、居民消費升級等因素將有利于航空運輸?shù)某掷m(xù)發(fā)展，高油價和嚴格的環(huán)保要求也使得航空公司加快了老舊飛機的退役。加快民用客機產(chǎn)業(yè)化，未來10年是我國航空工業(yè)實現(xiàn)跨越發(fā)展的攻堅時期，鈦產(chǎn)業(yè)將面臨難得的發(fā)展機遇。
