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钛合金材料已成为飞机骨架和蒙皮的不二选择

发布时间:2020-07-23 22:42:55 浏览次数 :

飞机刚刚被发明的时候,基本是用木材、帆布和钢丝制造机体,这类材料一直用到了二战早期;二战以后,喷气飞机兴起,基本都用铝镁合金为主制造主梁之外的骨架和蒙皮。而到了现代,复合材料用的越来越多。不过单纯复合材料还不能完全适合飞机的所有零件,另外一种钛合金,基本代替了铝镁合金原先的地位。现在的主要喷气飞机可以不用一点铝镁合金制造,但是钛合金却不能完全不用。钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属。

钛合金强度高、耐蚀性好、耐热性高。在航空制造方面,主要发展了航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金。高温钛合金主要用于制作飞机发动机的风扇和压气机部件,其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。纯钛的熔点为1725℃。高强度钛合金的密度一般在4.51克每立方厘米,仅为钢的60%。虽然明显大于铝合金的2.7克每立方厘米。但是钛合金的结构强度、耐热性、耐低温能力、耐腐蚀性都是铝合金完全不能比的。高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度,远大于其他金属结构材料。比如蛟龙号的耐压壳就是钛合金制造,可以承受7000米以上的深海水压。体积更小的钛合金耐压壳制造的深潜器可以下潜到11000米以下的深海。即使特殊钢材中,也只有马氏体高强度钢可以做到这一点。因此钛合金零件单位强度高、刚性好、相对钢铁质量更轻。飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都可使用钛合金。铝合金的工作温度超过200摄氏度就不行了;而钛合金可以到500度。高空高速飞行会产生大量的摩擦热能,因此3倍音速以上飞行的飞行物,就需要钛合金作为骨架和蒙皮,对抗热障效应。钛合金极其耐腐蚀,几乎不怕海水甚至是硫酸、硝酸的强腐蚀,这是任何钢材和铝合金都达不到的能力。钢材不但遇高温会迅速变软和退火,而且超低温下钢材也会变脆。而钛合金在零下253度低温下金属性仍然基本正常,也是非常难得。

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钛合金在航空制造发达国家最早广泛应用。比如典型的F22A,飞机空重中41%就是钛合金。早期高空高速飞行的无人机中,还有钛合金用量高达90%的。比如早年就接触过超级大国坠毁在丛林中的一架特殊高空高速无人机。瀚海狼山(匈奴狼山)认为这是对其钛合金应用于先进飞行器留下的首次深刻印象。而当时作为主力战机的J6和J7等,几乎没有任何钛合金零部件。到了J8系列,才首次用到了2%左右的钛合金。上世纪80年代开始引进了HY直升机,因为性能突出很早就有仿制计划,不过这种直升机也大量采用了钛合金,完全超出了当时的工业基础能力。因此只能作罢。

不过斗转星移。到目前,钛合金的产量早就是世界第一。现在几乎所有的自产的军机、民机都大量使用钛合金和复合材料,已经基本和全球先进水平看齐。除了航空工业,造船工业的钛合金用量也很大,这也是各种黑鱼逐步达到世界先进水平的原因之一。

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