中國航空鈦合金應(yīng)用從追趕到領(lǐng)跑的發(fā)展歷程與技術(shù)突破——見證從J-7到J-20/C919的機(jī)型用鈦升級，解析發(fā)動機(jī)用鈦比例從2%到41%的性能躍升，攻克作動器耐磨/高強(qiáng)度技術(shù)難題，展望600℃以上高溫合金、低成本短流程加工、數(shù)字精密制造三大方向

鈦金屬具有的強(qiáng)度高、密度小、耐腐蝕性優(yōu)、生物相容等優(yōu)點(diǎn)，得到國民經(jīng)濟(jì)各個行業(yè)的廣泛而重要的應(yīng)用。鈦金屬的重要性僅次于鐵和鋁，被人們稱為“第三金屬”“海洋金屬”“宇航金屬”及生物材料等。1781年1月6日，英國牧師兼化學(xué)家威廉·格雷戈?duì)栐诜治鰪挠⒏裉m西部密那漢采來的黑色磁性砂時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一種跟鐵類似的新金屬元素，并以“密那漢”命名。1795年，德國化學(xué)家馬丁·海因里希·克拉普洛特也發(fā)現(xiàn)了這種新元素的氧化物，命名為“泰坦”，同時(shí)，克拉普洛特確認(rèn)了格里戈?duì)査l(fā)現(xiàn)的新元素“密那漢”就是鈦［1］。從發(fā)現(xiàn)鈦元素到實(shí)驗(yàn)室中制出鈦金屬用了120年，從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)生產(chǎn)又經(jīng)歷了40年。

中國在1955年研制出海綿鈦樣品，在1956年鈦被當(dāng)作戰(zhàn)略金屬寫入中國的發(fā)展規(guī)劃。隨著1970年9月17日中國生產(chǎn)出第一爐海綿鈦的歷史時(shí)刻到來，其向全世界宣布：中國是繼美國、前蘇聯(lián)和日本之后的第四個具有完整鈦工業(yè)體系的國家［2］。進(jìn)入新世紀(jì)以來，鈦金屬在全球范圍內(nèi)得到快速的發(fā)展，在中國的發(fā)展更為迅猛，鈦的年產(chǎn)量及銷售量躋身到世界第一的位置，引領(lǐng)鈦金屬前沿的科學(xué)技術(shù)和應(yīng)用研究。

1、鈦金屬的主要性能及在交通領(lǐng)域的用量

鈦金屬“泰坦”誕生就具有“神”一樣的能力，在物理性能方面主要表現(xiàn)在密度小（4.51g/cm3）、熔點(diǎn)高（1668℃）、熱導(dǎo)率低（僅為鐵的1/5、鋁的1/10）、線膨脹系數(shù)小等優(yōu)異的性能。特別是在力學(xué)性能方面，其展現(xiàn)出高強(qiáng)度、高比強(qiáng)度（強(qiáng)度與密度之比）、強(qiáng)韌性、高疲勞性等，成為現(xiàn)代交通領(lǐng)域的“先進(jìn)新材料”［3］。鈦合金的比強(qiáng)度高、抗疲勞性能好使其成為宇航領(lǐng)域的核心材料，其用在飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)上可大幅度降低飛機(jī)的重量，用在航空發(fā)動機(jī)上可提高發(fā)動機(jī)的推重比，延長發(fā)動機(jī)的使用壽命。而將鈦用在飛機(jī)起落架系統(tǒng)中，可增強(qiáng)起落架的強(qiáng)度和抗腐蝕性能，使飛機(jī)能承受起降時(shí)的巨大沖擊，保障飛機(jī)的安全。在為“降低飛行器一克重量”而努力的航天領(lǐng)域，則將鈦合金比強(qiáng)度高的性能發(fā)揮到極致。此外，鈦金屬在海水中腐蝕速率<1μm/年，且在海水中不發(fā)生應(yīng)力腐蝕，故鈦合金成了潛艇、海洋探測器等海洋裝備的核心材料。

從鈦金屬的誕生一直相伴的是其應(yīng)用的開發(fā)研究。在現(xiàn)代交通運(yùn)輸領(lǐng)域中，航天航空、海洋船舶是主要的用鈦大戶。各個國家有產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不同，其在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的用鈦方向有一定的差異。美國是傳統(tǒng)的航空航天大國，特別是在航空領(lǐng)域性能先進(jìn)的軍機(jī)和民機(jī)，長時(shí)間處于世界領(lǐng)先地位，且在該領(lǐng)域鈦金屬的用量占比也處于領(lǐng)先地位。前蘇聯(lián)在船舶用鈦金屬方面，處于世界領(lǐng)先地位，建立了系統(tǒng)的船舶用鈦體系，制造出全鈦潛艇。日本在航空、船舶領(lǐng)域的用鈦量與其他國家相比較低，但在現(xiàn)代交通領(lǐng)域有著穩(wěn)定的用量，在汽車領(lǐng)域的用鈦量處于世界領(lǐng)先地位。日本在2015~2017年間，汽車領(lǐng)域的用鈦量逐年增加，最高的2017年達(dá)到637t，如表1所示［4-5］。

表 1 日本 2015~2017 年在航空、汽車、船舶領(lǐng)域的用鈦量 [4-5]

在中國現(xiàn)代交通領(lǐng)域中，航空航天的用鈦量一直在持續(xù)增加。如表2所示，從2003年到2023年的21年間，航空航天領(lǐng)域用鈦量不斷增加，到2023年其用鈦量占鈦金屬總量的20%，也可以說是航空航天的發(fā)展加速了中國鈦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。在海洋船舶領(lǐng)域，2003~2014年隨著中國發(fā)展海洋工業(yè)，在海洋船舶行業(yè)中掀起了強(qiáng)勁的用鈦高潮，但由于中國前期在海洋船舶領(lǐng)域鈦應(yīng)用的基本數(shù)據(jù)積累和基礎(chǔ)研究成果較少，用鈦處于初級階段，前期的用量較少，鈦金屬用量增加緩慢。2015年是一個里程碑的節(jié)點(diǎn)，船舶和海洋用鈦量突破了1000t，之后均呈快速增長的趨勢，2024年達(dá)到了5000t［5-27］。

表 2 中國 2003~2023 年在航空、海洋、船舶等領(lǐng)域的用鈦量 [5-27]

中國鈦金屬在高鐵、汽車等交通領(lǐng)域的應(yīng)用處于前期的開發(fā)階段，使用量較少，但研究工作開展得如火如荼，這可能也是實(shí)現(xiàn)大量鈦金屬應(yīng)用的前奏期。鈦金屬在交通領(lǐng)域中的應(yīng)用主要涉及航空、船舶和汽車等方面，且各個領(lǐng)域的發(fā)展情況不盡相同，本文主要對鈦在航空領(lǐng)域方面的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行闡述。

2、鈦金屬在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

鈦金屬的高比強(qiáng)、耐高低溫、耐腐蝕、無磁等優(yōu)異的性能使之成為當(dāng)之無愧“宇航材料”，其主要優(yōu)勢是減重效果明顯，耐熱耐高溫性能優(yōu)良，高溫環(huán)境服役穩(wěn)定可靠，且與復(fù)合材料的強(qiáng)度、剛度匹配性能好，并具有優(yōu)異的抗腐蝕、抗疲勞性能，可以顯著延長結(jié)構(gòu)件的使用壽命等［28］。例如在飛機(jī)的機(jī)翼、機(jī)身結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵部位使用鈦合金，能夠在不降低結(jié)構(gòu)性能的前提下，顯著降低飛機(jī)的整體重量。鈦金屬優(yōu)良的耐高溫性能可在保證材料在高溫環(huán)境下具有較好的力學(xué)性能，可以承受航空發(fā)動機(jī)燃燒室的高溫及壓氣機(jī)葉片葉盤的高溫高壓，不僅提高了發(fā)動機(jī)的工作效率，而且延長了發(fā)動機(jī)的服役壽命。并且，鈦金屬在低溫環(huán)境下仍能具有較高的強(qiáng)度和韌性，能夠保障飛機(jī)在高空的低溫環(huán)境下飛行安全可靠，特別是飛行高度更高的軍用飛機(jī)，材料的耐低溫性能尤其重要。此外，鈦金屬的無磁性能能夠屏蔽磁場，減少電磁波對飛機(jī)電子設(shè)備和儀器的干擾，提高電子設(shè)備的可靠性和檢測精度。

2.1　在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

基于鈦合金的優(yōu)異性能，美國早在20世紀(jì)50年代就在航空飛機(jī)中使用鈦合金制造機(jī)身隔熱板、導(dǎo)風(fēng)罩、機(jī)尾罩等關(guān)鍵部件。到20世紀(jì)60年代，則將鈦合金用于飛機(jī)機(jī)身中的隔框、梁、襟翼滑軌等重要承力構(gòu)件的制造上。隨著鈦合金在飛機(jī)上大量使用，人們充分認(rèn)識到使用鈦金屬在飛機(jī)性能提升方面的優(yōu)勢，形成了“越是先進(jìn)的飛機(jī)，鈦用量越大”的觀念。如1970年服役的C-5飛機(jī)鈦合金用量破紀(jì)錄的達(dá)到飛機(jī)重量的6%，后來設(shè)計(jì)的C-17大型運(yùn)輸機(jī)達(dá)到了10.3%，更先進(jìn)的第4代戰(zhàn)斗機(jī)F22的用鈦量高達(dá)42%。表3為美國各種飛機(jī)使用鈦合金的比例［29］。

表 3 美國各類型號飛機(jī)用鈦金屬的比例 [29]

截至目前，世界唯一款全鈦飛機(jī)SR-71（黑鳥）是由美國洛克希德公司研制的M3高空高速戰(zhàn)略偵察機(jī)，從1963年2月開始研制，1964年12月試飛，1966年1月交付使用。為了提高高空性能，氣動外形采用三角翼和雙垂翼，發(fā)動機(jī)布置在機(jī)翼上。其鈦合金使用量高達(dá)93％，飛行馬赫數(shù)為3.0，飛行的高度達(dá)到26200m。圖1為SR-71黑鳥的照片［30］。

在軍機(jī)方面，中國的航空業(yè)發(fā)展較晚，從仿制蘇式飛機(jī)開始，到自行設(shè)計(jì)走過了漫長的歲月，在軍機(jī)鈦金屬應(yīng)用方面也走出了一條自己的路線。20世紀(jì)60年代服役的J-7飛機(jī)鈦零件的用量僅為9kg（如表4所示），20世紀(jì)80年代服役的J-8Ⅱ飛機(jī)鈦零件的用量就達(dá)到了93kg，而性能先進(jìn)的J-10和J-20分別達(dá)到了11%和20%，Y-20大型運(yùn)輸機(jī)的用鈦金屬材料更多，超過了20t［31］。中國軍用飛機(jī)用鈦金屬的比例如表4所示。

表 4 中國軍用飛機(jī)用鈦金屬的比例 [31]

在民航飛機(jī)方面，美國的大型寬體客機(jī)從B777開始，后續(xù)的寬體客機(jī)也開始大量使用鈦金屬，如表5所示。從表5可以看出，空中“巨無霸”A380飛機(jī)的鈦用量達(dá)到飛機(jī)總重量的10%。中國設(shè)計(jì)的C909和C919繼承了先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，鈦合金的用量處于先進(jìn)行列。

表 5 民航飛機(jī)用鈦金屬的比例 [32]

A380飛機(jī)上有9個構(gòu)件中使用了鈦合金（如圖2所示），鈦合金的用量占總重量的10%，單機(jī)用鈦合金約65t。中國自主設(shè)計(jì)制造的C919客機(jī)也在發(fā)動機(jī)吊掛、尾翼、外翼、中央翼、機(jī)頭等采用了自主研發(fā)和生產(chǎn)的高性能Ti6Al4V和Ti-55531鈦合金，其重量也達(dá)到了總重量的10%。

2.2　在飛機(jī)發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用

隨著航空工業(yè)向著飛行高度更高，速度更快的方向發(fā)展，對飛機(jī)的發(fā)動機(jī)提出了大推力的要求，如發(fā)動機(jī)的推重比從6提高到10，壓氣機(jī)出口的溫度也要從300℃增加到600℃。早期使用的鋁合金低壓壓氣機(jī)盤和葉片就無法滿足更高的出口溫度的要求，必須使用耐溫性能好的鈦合金材料制造高壓壓氣機(jī)盤和葉片等部件。早期的發(fā)動機(jī)推力較小，鈦合金的用量僅占發(fā)動機(jī)材料的2%，到推力更大的TF89發(fā)動機(jī)時(shí)，鈦合金的占比達(dá)到32%。因此，人們經(jīng)常用發(fā)動機(jī)用鈦量的多少衡量發(fā)動機(jī)性能的先進(jìn)程度。表6是各種發(fā)動機(jī)上使用鈦合計(jì)的占比，可以發(fā)現(xiàn)先進(jìn)的發(fā)動機(jī)鈦合金用量占比不斷提升，飛機(jī)的綜合性能大幅提高。其中，波音B707-120飛機(jī)搭載著4臺JT-3C發(fā)動機(jī)，巡航速度為965km/h，搭載137名左右乘客，最大航程約為6700km。而同樣采用4臺推力更大JT-9D發(fā)動機(jī)的波音B747飛機(jī)，巡航速度為900~960km/h，搭載400~600名乘客，最大航程超過14000km。

表 6 飛機(jī)發(fā)動機(jī)上使用鈦合金的占比 [32]

RollS-Royce公司在設(shè)計(jì)先進(jìn)性能飛機(jī)發(fā)動機(jī)時(shí)就是基于提高推重比的考量，在低溫段的風(fēng)扇、低壓壓氣機(jī)、高壓壓氣機(jī)等使用了大量的高性能鈦合金（如圖3所示），鈦金屬材料的占比達(dá)到30%以上。中國2002年設(shè)計(jì)定型的昆侖渦輪發(fā)動機(jī)，鈦用量提高至15%。中國第1臺渦扇發(fā)動機(jī)鈦用量達(dá)到25%，彰顯著中國飛機(jī)發(fā)動機(jī)的性能進(jìn)入了世界先進(jìn)行列。

2.3　在航空伺服液壓作動器上的應(yīng)用

航空作動器系統(tǒng)是指航空器上從控制指令發(fā)生到執(zhí)行指令，實(shí)現(xiàn)一定的功率輸出或驅(qū)動負(fù)載運(yùn)動的整套獨(dú)立系統(tǒng)。圖4是現(xiàn)有飛機(jī)上使用液壓作動器的圖片，其中圖4（a）、（b）分別是發(fā)動機(jī)矢量噴管控制的示意圖和照片；圖4（c）、（d）、（e）分別是三種飛機(jī)液壓起落架照片；圖4（f）是液壓控制的飛機(jī)減速板照片。

從物理架構(gòu)層面來看，航空作動系統(tǒng)應(yīng)包含操作裝置、控制器、傳動裝置、執(zhí)行裝置（航空作動器）和各種傳感器等。在航空領(lǐng)域，作動系統(tǒng)典型應(yīng)用領(lǐng)域如圖5所示［33］。從圖5可以認(rèn)識到航空作動系統(tǒng)是飛機(jī)和發(fā)動機(jī)控制的關(guān)鍵系統(tǒng)，在飛行控制系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)、武器系統(tǒng)、進(jìn)氣道控制系統(tǒng)、反推力控制系統(tǒng)、矢量推力控制系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)等7個系統(tǒng)中的27套部件上均使用著液壓作動器。空客A320飛機(jī)上僅飛行控制、起落架、剎車系統(tǒng)的作動器至少就有37件（套）。如果將這些鋼制的作動器換成比強(qiáng)度高的鈦合金作動器，就可以實(shí)現(xiàn)減重40%以上。從目前應(yīng)用現(xiàn)狀來看，已經(jīng)出現(xiàn)了用高溫鈦合金制造的飛機(jī)作動筒，但鈦合金在航空伺服液壓作動器上大量使用還需要一定的時(shí)間，仍要攻克一系列技術(shù)難題，如鈦合金高壓油管接頭的加工成形技術(shù)等。

飛機(jī)的飛行控制系統(tǒng)是為駕駛員操縱控制各操縱面（升降舵、方向舵、副翼等）的活動提供動力的，這是因?yàn)榇笮惋w機(jī)上僅一對副翼的重量可達(dá)1噸以上，要使這個龐然大物運(yùn)動就催生了液壓助力機(jī)構(gòu)。并且，龐大的飛機(jī)只有在液壓起落架作用下才能實(shí)現(xiàn)安全起降，有了液壓動力，飛行員可以自如、安全地控制飛機(jī)。這些液壓動力系統(tǒng)中主要包括液壓泵、液壓缸、液壓馬達(dá)、液壓閥、液壓油箱、液壓油管及接頭等零部件，而用高強(qiáng)度鈦合金進(jìn)行替代，以減輕液壓系統(tǒng)的重量是目前飛機(jī)控制系統(tǒng)追求的目標(biāo)［33-34］。第六代戰(zhàn)斗機(jī)要求超音速巡航速度、超機(jī)動能力和超長航程，因此，在發(fā)動機(jī)提供強(qiáng)大的推力情況下，需要飛機(jī)具有靈活的控制系統(tǒng)，也就是說控制飛機(jī)和發(fā)動機(jī)的作動系統(tǒng)需要有非常精準(zhǔn)的動作。因此，制造控制靈活、輕質(zhì)的鈦合金液壓作動器系統(tǒng)也是航空飛行器追求的方向。

但在實(shí)際實(shí)踐中存在著兩個技術(shù)難點(diǎn)：（1）鈦合金作為飛機(jī)控制一般的液壓作動筒從強(qiáng)度方面和抗疲勞方面問題不大，但作為大型飛機(jī)的起落架材料，現(xiàn)有的鈦合金還無法達(dá)到鋼1860MPa的抗拉強(qiáng)度及300MPa的抗疲勞極限指標(biāo)，故還需開發(fā)強(qiáng)度更高的鈦合金材料。（2）鈦合金的耐磨性能差，作動器受力復(fù)雜，磨損嚴(yán)重，只有經(jīng)過先進(jìn)的表面處理后才能滿足作動器的苛刻要求。西北有色金屬研究院研究人員針對這一使用環(huán)境，發(fā)明了鈦合金表面無氫滲碳技術(shù)，攻克了鈦合金作動筒與活塞桿的摩擦失效難題，并且，表面改性層降低了摩擦副的摩擦系數(shù)［35-42］，使作動筒的動作更加靈活，用該技術(shù)處理的鈦合金作動筒成功地用于飛機(jī)發(fā)動機(jī)矢量噴管的控制作動筒上［34，43］。

3、鈦金屬在航空領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展趨勢

鈦合金在航空領(lǐng)域的應(yīng)用從大的方面講主要是飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)、飛機(jī)發(fā)動機(jī)、飛機(jī)液壓系統(tǒng)。如前文所述，在飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)方面主要是飛機(jī)機(jī)身框架、蒙皮、窗戶框架、艙門、機(jī)翼結(jié)構(gòu)等。在飛機(jī)發(fā)動機(jī)方面主要是壓氣機(jī)葉片、葉盤、機(jī)匣，發(fā)動機(jī)扇葉片及鈦合金保護(hù)罩等。而在飛機(jī)液壓方面主要是儲能器、作動筒、輸油管及泵閥等。針對這樣不同的使用場景，對鈦合金的要求也不相同，研究方向也不相同，但對鈦合金材料需求的發(fā)展方向趨于一致，主要體現(xiàn)在高性能化、低成本化、制造精密化三個方面。

3.1　高性能化

鈦金屬的高性能化主要體現(xiàn)在：（1）抗高溫性能方面：為滿足航空發(fā)動機(jī)在高溫環(huán)境下的工作需求，研發(fā)可穩(wěn)定應(yīng)用于600℃以上的高溫鈦合金是重要方向。如通過調(diào)整β平衡元素含量，提升鈦合金高熱抗拉強(qiáng)度；加入稀土金屬，增強(qiáng)鈦合金熱穩(wěn)定性；研發(fā)表面處理及合金化技術(shù)，提高合金表層抗氧化性能等。（2）高強(qiáng)韌化方面：研制抗拉強(qiáng)度高且韌性良好的高強(qiáng)鈦合金，以滿足航空宇航設(shè)備結(jié)構(gòu)件在承受更高載荷時(shí)的應(yīng)用需求。持續(xù)研究以TC21為代表的α/β鈦合金，以及以Ti-5553為代表的β鈦合金等高強(qiáng)韌鈦合金，不斷深化應(yīng)用。（3）綜合性能優(yōu)化方面：針對復(fù)雜環(huán)境下的服役需求，研制綜合性能突出的鈦合金，如具有良好低溫性能的低溫鈦合金，具有阻燃性能的阻燃鈦合金等。深入研究高空、遠(yuǎn)程、低空等空域中飛機(jī)對材料的要求，細(xì)化服役條件，明確技術(shù)性能指標(biāo)。

3.2　低成本化

在合金成分優(yōu)化方面：用價(jià)格相對便宜的Fe元素等低成本金屬元素替代昂貴的Nb、Mo、V等元素，在保證材料性能要求的前提下，降低鈦合金原材料成本。在鈦合金低成本加工方面：研究創(chuàng)新性的短流程等材料加工技術(shù)、表面改性技術(shù)和鈦合金零件的低成本成形技術(shù)，如低成本的等溫鍛造技術(shù)、近凈成型技術(shù)和3D打印技術(shù)等。

3.3　制造精密化

將數(shù)字制造與模擬技術(shù)相結(jié)合，借助數(shù)字加工手段，對鈦合金的加工過程進(jìn)行精確控制和優(yōu)化，研究鈦合金材料在加工過程中的流動、應(yīng)力分布及表面狀態(tài)變化等，降低加工缺陷，提高制造質(zhì)量和效率，降低高精度零件的制造成本。

4、結(jié)束語

鈦合金在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用起步較早，但規(guī)模化應(yīng)用的帷幕剛剛開啟，通過深入研究鈦合金的服役要求，優(yōu)化鈦合金材料的加工過程，提高鈦合金零件的制造水平，并不斷地通過技術(shù)創(chuàng)新降低鈦合金零件的使用成本。同時(shí)，隨著中國C919、C929等大型客機(jī)和五代機(jī)、六代機(jī)等先進(jìn)軍機(jī)以及大推力航空發(fā)動機(jī)對鈦合金需求的發(fā)展，中國在航空領(lǐng)域每年使用鈦合金的重量達(dá)到20萬t的目標(biāo)可能很快就可以實(shí)現(xiàn)。

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（注，原文標(biāo)題：鈦金屬在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展趨勢：航空篇_周廉）