關(guān)于先進戰(zhàn)斗機結(jié)構(gòu)制造用鈦概述

劉志成，張利軍，薛祥義,3

( 1.空軍駐包頭地區(qū)軍事代表室，包頭 014000；2.西安西工大超晶科技發(fā)展有限責任公司，西安 710016；3.西北工業(yè)大學凝固技術(shù)國家重點實驗室，西安 710072 )

飛機設(shè)計性能的高低與航空材料的發(fā)展息息相關(guān)，可以說航空材料的發(fā)展水平?jīng)Q定著飛機設(shè)計性能的先進程度。飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計中考慮最多的就是重量問題，設(shè)計者都要想方設(shè)法提高結(jié)構(gòu)效益。鈦合金兼顧了鋼的高強度與鋁的低密度，比強度高，對于飛機結(jié)構(gòu)減重、適應(yīng)高溫與腐蝕服役環(huán)境、提高機體服役壽命等方面具有其他金屬無法比擬的優(yōu)勢。自1949年美國道格拉斯飛機公司首次將鈦材料用于DC-7運輸飛機的發(fā)動機艙和隔熱板的制造以來，鈦合金材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用量逐年增加，已經(jīng)成為了第三代戰(zhàn)斗機、第四代戰(zhàn)斗機及其配套航空發(fā)動機承力結(jié)構(gòu)件的主要金屬材料選材。本文對美國、俄羅斯（前蘇聯(lián)）及我國先進戰(zhàn)斗機的制造用鈦情況進行了總結(jié)概述[1-7]。

1 世界先進飛機機體構(gòu)件用鈦情況

1.1 美國戰(zhàn)斗機機體結(jié)構(gòu)件用鈦合金情況

1.1.1 F-15戰(zhàn)斗機結(jié)構(gòu)用鈦材

F-15戰(zhàn)斗機是美國麥克唐納·道格拉斯公司為美國空軍研制生產(chǎn)的雙引擎、全天候、高機動性空中優(yōu)勢重型戰(zhàn)斗機，該飛機于1972年7月首次試飛，1974年開始量產(chǎn)并交付美國空軍使用，后期進行了多型改進設(shè)計，其中最為著名的就是F-15E。該機長19.43m、機高5.68m、翼展13.03m、空重12700kg，最大起飛重量30845kg。麥克唐納飛機公司在最初設(shè)計時認為，為了使設(shè)計達到爬升速度快、加速時間短、起降距離短、著陸地速度緩、耐熱環(huán)境及耐腐蝕等指標要求，必須在結(jié)構(gòu)選材上進行大膽創(chuàng)新，即大量選用輕質(zhì)高強耐腐蝕的鈦合金材料替代F-4飛機大量使用的結(jié)構(gòu)鋼，F(xiàn)-15戰(zhàn)斗機中鈦合金材料占整個結(jié)構(gòu)重量的26.1%[4]。

F-15戰(zhàn)斗機機身為全金屬半硬殼式結(jié)構(gòu)，分為3段：前段包括雷達罩、座艙、電子設(shè)備艙等，主要結(jié)構(gòu)材料為鋁合金；中段與機翼相連，前3個框為鋁合金結(jié)構(gòu)、后3個框為鈦合金結(jié)構(gòu)，材料為Ti-6Al-4V鈦合金，占中機身結(jié)構(gòu)重量的20.4%；后段主要是發(fā)動機艙和連接垂直安定面、水平尾翼的承載尾梁，采用全鈦合金結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括隔框、珩條、減速板以及蒙皮等。F-15戰(zhàn)斗機機翼結(jié)構(gòu)為多梁抗扭盒型破損安全結(jié)構(gòu)，機翼前梁為鋁合金材料制造，其后的3個翼梁采用鈦合金材料制造，機翼內(nèi)側(cè)整體油箱的下蒙皮為鈦合金材料，其余為鋁合金中厚板整體加工而成的蒙皮壁板。F-15戰(zhàn)斗機垂直安定面和水平尾翼的抗扭盒均采用鈦合金材料制造。霍尼韋爾公司為其配套的剎車系統(tǒng)同樣為了減重使用鈦合金材料制造的扭力筒及碳剎車盤，扭力筒早期使用Ti-6Al-4V鈦合金鑄件，后期改為Ti-15-3鈦合金鑄件[8-9]。

F-15戰(zhàn)斗機上鈦合金結(jié)構(gòu)件毛坯的供應(yīng)形式主要以鍛件為主。據(jù)統(tǒng)計，該機使用鍛件共計500多項，其中鈦合金為108項，包括機翼內(nèi)側(cè)的3個翼梁、尾翼大梁以及主要的承力框都是采用Ti-6Al-4V整體鍛件，特別是承力框的寬度達到了3m，為特大型鈦合金鍛件；一些腹板較薄的鈦合金件還采用當時先進的等溫鍛造工藝。同時，為了節(jié)省制造費用，部分鈦合金結(jié)構(gòu)件毛坯采用近凈成型的粉末冶金（+熱等靜壓工藝）件，如Ti-6Al-4V鈦合金制造的機翼大梁龍骨連接板，較鍛件降低成本50%。在裝配方面，采用了大量Ti-6Al-4V鈦合金緊固件?？傮w來說，F(xiàn)-15戰(zhàn)斗機使用的主要鈦合金材料包括Ti-6Al-4V、Ti-6Al-6V-2Sn、Ti-3Al-2.5V等鈦合金，其大型結(jié)構(gòu)件、耐疲勞壁板件、連接緊固件基本都采用Ti-6Al-4V鈦合金制造，小型結(jié)構(gòu)件、耐疲勞性能不高的壁板件采用Ti-6Al-6V-2Sn制造，液壓、燃油管件基本采用Ti-3Al-2.5V鈦合金制造，復合材料蒙皮連接中大量使用的鉚釘主要采用Ti-45Nb鈦合金制造。機翼用鈦601.91kg、水平尾翼用鈦132.44kg、垂直尾翼用鈦65.77kg、機身用鈦1152.57kg、起落架用鈦43.09kg、發(fā)動機艙用鈦32.65kg、進氣道用鈦62.59kg，全機用鈦2091.06kg[8-9]。

1.1.2 F-22戰(zhàn)斗機結(jié)構(gòu)用鈦材

F-22戰(zhàn)斗機是由美國洛克希德·馬丁和波音軍用飛機公司聯(lián)合研制的單座、雙發(fā)、雙垂尾的高隱身性、高機動性的第四代戰(zhàn)斗機，該機具有優(yōu)異的隱身性能、靈敏性、精確度和態(tài)勢感知能力，同時具備空對空和空對地作戰(zhàn)能力，是當今世界進入現(xiàn)役的綜合性能最佳的戰(zhàn)斗機。該機主要用于取代美軍第三代主力戰(zhàn)機F-15鷹式戰(zhàn)斗機，其作戰(zhàn)效能是F-15戰(zhàn)斗機的3倍。F-22戰(zhàn)斗機機長18.90m、機身高度5.08m、翼展13.56m、空重19700kg、最大起飛重量 38000kg[9]。

洛克希德·馬丁公司負責F-22戰(zhàn)斗機前部機身、中部機身、尾部、起落架、輔助系統(tǒng)的研制生產(chǎn)以及總裝測試，波音軍用飛機公司承擔后機身、機翼以及航電系統(tǒng)的研制生產(chǎn)。該飛機在設(shè)計選材方面主要考慮了非常規(guī)機動帶來的結(jié)構(gòu)減重要求和超音速巡航帶來的結(jié)構(gòu)升溫要求以及與隱身需求等?；谶@種設(shè)計思路，在技術(shù)驗證機YF-22的結(jié)構(gòu)選材上，鋁合金材料占結(jié)構(gòu)總重的35%、鈦合金材料占結(jié)構(gòu)總重的24%、高強鋼占結(jié)構(gòu)總重的5%、復合材料占總重的23%、其他材料13%。但是在后續(xù)進行的實彈射擊抗損試驗測試中發(fā)現(xiàn)，采用全復合材料制造的機翼翼梁對于30mm炮彈的抗打擊效果不理想，為了提高機翼翼梁的抗炮彈打擊能力以及提高飛機的生存能力，量產(chǎn) F-22戰(zhàn)斗機機翼采用了鈦合金材料主梁+復合材料輔梁的混合結(jié)構(gòu)。據(jù)美國BLATS計劃研究，對于飛行速度2Ma的飛機其結(jié)構(gòu)用鈦量達到45%時，飛機最輕，而結(jié)構(gòu)用鈦量為25%時飛機設(shè)計制造成本最低。所以，為了改善飛機的整體飛行性能，加大了鈦合金材料的使用量，在量產(chǎn)的F-22戰(zhàn)斗機上，鋁合金材料比重降低到20%、鈦合金材料比重增加到41%、鋼鐵材料比重保持5%、復合材料比重24%、其他材料比重10%[9-10]。

F-22戰(zhàn)斗機機身設(shè)計采用傳統(tǒng)的半硬殼式結(jié)構(gòu)，機身分為前機身、中機身和后機身3個部分。前機身制造材料主要有鋁合金和復合材料，鋁合金占到一半以上；中機身的部分隔框、加強框、下部縱梁使用鈦合金材料制造；后機身的前梁、隔框、龍骨壁板、部分蒙皮使用鈦合金材料制造，鈦合金占到55%以上；機翼的根部翼身連接加強肋、前梁、中間梁、后梁等采用鈦合金材料制造，量產(chǎn)F-22戰(zhàn)斗機機翼結(jié)構(gòu)中鈦合金的比重達到了47%。量產(chǎn)F-22戰(zhàn)斗機結(jié)構(gòu)中鈦合金材料的使用情況如圖1所示，采用Ti-6AL-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo（Ti62222）鈦合金材料制造的結(jié)構(gòu)部件有前梁、平尾轉(zhuǎn)軸、下部縱梁、發(fā)動機支架、尾部接頭等，采用Ti-6Al-4V鈦合金材料制造的結(jié)構(gòu)部件有座艙罩蓋、斜隔框、輔助動力裝置進氣口框、檔板鉸鏈接頭、副翼支撐架、副翼鉸鏈接頭、方向舵轉(zhuǎn)動支架、方向舵鉸鏈接頭、機翼主翼面零組件等，采用Ti-6Al-4V ELI鈦合金材料制造的結(jié)構(gòu)部件有翼梁、隔框及機體、前珩梁、后珩梁、縱梁等。同樣采用Ti-3Al-2.5V鈦合金材料制造各類液壓、燃油管件[9-12]。

F-22 結(jié)構(gòu)中主要使用了Ti-6Al-4V ELI和Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo兩種鈦合金材料，其中Ti-6Al-4V鈦合金毛坯有鍛態(tài)和鑄態(tài)兩種形式，Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo鈦合金毛坯為鍛態(tài)。Ti-6Al-4V ELI低間隙鈦合金鍛件占到整個飛機鍛件的2/3左右，該機大量使用β退火狀態(tài)的Ti-6Al-4V ELI低間隙鈦合金鍛件，其目的是獲得良好的損傷容限性能（即良好的抗裂紋擴展能力和斷裂韌性），同時提高可加工性能。Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo鈦合金是專門開發(fā)的可深度淬透的和中溫使用的高強高韌鈦合金，采用β固溶處理加時效的熱處理工藝，以獲得良好的強度與斷裂韌性匹配。按照坯料使用狀態(tài)統(tǒng)計，Ti-6Al-4V ELI鈦合金鍛件占73%、Ti-6Al-4V鈦合金鑄件占16%、Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo鈦合金鍛件占6%，其他占5%，單價飛機整機使用鈦合金超過2721.55kg。F-22戰(zhàn)斗機上最大的鈦合金整體模鍛件是中機身與后機身加強框鍛件，采用Ti-6Al-4VELI鈦合金制造。中機身的4個整體隔框鍛件是目前世界大型鈦合金模鍛件的代表。中機身即中央翼盒，連接前機身、后機身、兩側(cè)機翼與起降系統(tǒng)，受力最為嚴苛，所以在設(shè)計時采用整體框模鍛件，中機身“583”隔框模鍛件中最大的重量達到2770kg，鍛造投影面積達到5.53m。后機身的發(fā)動機艙框架模鍛件采用分段設(shè)計，包括3個中央的“H”型框鍛件和兩個“T”型框鍛件，共計5個后機身隔框模鍛件，后機身框模鍛件最大的長3.8m、寬1.7m、重1590kg、鍛造投影面積達到5m2。最大Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo鈦合金鍛件是下龍骨弦桿，長3.962m。F-22飛機上使用的大型鈦合金鍛件由美國懷曼戈登公司在其45000t模鍛壓力機上研制生產(chǎn)。

圖1 F-22飛機機身構(gòu)件用鈦情況Fig.1 Distribution of titanuim on F-22 aircraft fuselage

對于一些結(jié)構(gòu)復雜，采用鍛造工藝無法制造的零部件或制造復雜、成本高的組合件，設(shè)計中采用Ti-6Al-4V鈦合金精密鑄造+熱等靜壓（β退火）工藝制造，F(xiàn)-22戰(zhàn)斗機上使用的鈦合金鑄件大約有76件左右，包括傾斜隔板、輔助動力裝置入口框、座艙面板、主機翼組件、方向舵鉸鏈副等，鈦合金鑄件的大量使用減少了螺栓機械連接的數(shù)量，降低了制造成本和工藝難度[4,9-12]。

1.1.3 F-35戰(zhàn)斗機結(jié)構(gòu)用鈦材

F-35戰(zhàn)斗機是由美國洛克希德·馬丁公司負責研制、多國參與的項目，A型飛機于2006年12月15日首飛。F-35戰(zhàn)斗機在追求飛行性能、可操縱性和成本等諸因素達到平衡的同時，最大程度地降低成本。F-22追求的是最高性能，而F-35追求的是最低成本，并不熱衷全是技術(shù)上的創(chuàng)新。F-35在外形上與F-22相似，具有梯形單中翼、水平的安定面及向外傾斜的垂尾，由于F-35不像F-22需要超音速巡航，所以在機身構(gòu)件選材方面可適當降低其技術(shù)先進性，通盤考慮其制造成本[9]。

在F-22上一些承力大型鈦合金隔框都是用鍛件制成的整體，其中最重的鈦合金鍛件重量近3000kg，尺寸3.81m×3.17m，切削加工后的成品件只有150kg。而在F-35飛機上，位于機翼承力結(jié)構(gòu)前緣處的1個隔框尺寸比F-22的還要大，為4.1m×2m，是目前最大的飛機隔框整體件，是用鈦合金鍛件切削加工而成的。為了降低成本，F(xiàn)-35飛機采用與F-16飛機相同的成本控制及選材原則，更多的機身隔框采用先進鋁合金材料，碳纖維/環(huán)氧復合材料以及鋁-鋰合金材料，在綜合性能不過多降低的前提下，成本降低至鈦合金材料的1/4。F-35戰(zhàn)斗機機體結(jié)構(gòu)中，鋁合金占19%、鈦合金占20%、鋼占7%、復合材料占31%、其他材料占23%。有報道稱，洛克希德·馬丁公司計劃采用SiCf/Ti復合材料制造F-35戰(zhàn)斗機的起落架部件[4]。

1.1.4 美國飛機設(shè)計選材思路

美國統(tǒng)計20世紀60～70年代的美越戰(zhàn)爭中失事飛機中發(fā)現(xiàn)，一部分發(fā)生飛行事故的飛機是由于一種低應(yīng)力的結(jié)構(gòu)斷裂造成的，即在低于材料的屈服強度以下的應(yīng)力環(huán)境下構(gòu)件發(fā)生脆性斷裂事故。通過相關(guān)專家的深入研究發(fā)現(xiàn)，采用鑄造或鍛造工藝生產(chǎn)的構(gòu)件內(nèi)部不可避免地存在一些一定尺寸的裂紋或缺陷，這種存在裂紋類缺陷的非連續(xù)致密構(gòu)件的服役使用的安全性、可靠性和服役壽命不能簡單地使用常規(guī)的拉伸強度與塑性來測算。其服役的安全性、可靠性和壽命需要結(jié)合裂紋在應(yīng)力環(huán)境下的失穩(wěn)擴展情況來計算，即結(jié)構(gòu)材料的抗裂紋失穩(wěn)擴展能力越好，服役越可靠與安全，發(fā)展出了結(jié)構(gòu)材料斷裂韌性（KIC）理念與相對于的飛機破損-安全設(shè)計概念。美國在新一代的飛機設(shè)計中充分利用了破損-安全設(shè)計概念和損傷容限設(shè)計準則，以大幅度提高飛機機體服役的可靠性和壽命。

研究表明，金屬材料中的雜質(zhì)元素在提高材料強度的同時會大幅降低材料的塑性和斷裂韌性、加快內(nèi)部裂紋擴展速率，并惡化其他機械性能。美國依據(jù)新一代飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計的損傷-容限準則需求，對結(jié)構(gòu)制造中大批量使用的Ti-6Al-4V鈦合金進行了成分設(shè)計優(yōu)化，研制出了低雜質(zhì)含量的Ti-6Al-4V ELI鈦合金，主要雜質(zhì)間隙元素O含量控制在0.13%以內(nèi)、C含量控制在0.08%以內(nèi)，在小幅度降低材料抗拉強度的同時，大幅度提升了材料的斷裂韌性，降低了裂紋擴展速率。此外，研究表明Ti-6Al-4V鈦合金顯微組織為魏氏組織時合金的斷裂韌性較高、裂紋擴展速率較低。美國在新機設(shè)計中使用低雜質(zhì)含量的Ti-6Al-4V ELI鈦合金結(jié)合β退火工藝獲得魏氏組織，使合金具有最佳的斷裂韌性和抗裂紋擴展能力。

1.2 蘇俄系戰(zhàn)斗機機體結(jié)構(gòu)件用鈦合金情況

1.2.1 Su-27系列戰(zhàn)斗機結(jié)構(gòu)用鈦材

Su-27戰(zhàn)斗機是前蘇聯(lián)蘇霍伊設(shè)計局為應(yīng)對美國的F-15戰(zhàn)斗機而研制開發(fā)的全天候空中優(yōu)勢重型戰(zhàn)斗機，屬于第三代戰(zhàn)斗機。1977年5月20日首飛，1979年投入批生產(chǎn)，1985年進入部隊服役。該機機長21.935m、機高 5.932m、翼展 14.70m，空重 17450kg、最大起飛重量33000kg。Su-27戰(zhàn)斗機中鈦合金材料占到結(jié)構(gòu)總重的15%、鋁合金約占結(jié)構(gòu)總重的60%、鋁鋰合金約占結(jié)構(gòu)總重的3%、鋼鐵材料占結(jié)構(gòu)總重的8%～10%，其他材料約占結(jié)構(gòu)總重的2%[9]。

在Su-27飛機設(shè)計過程中，為了提高機體結(jié)構(gòu)強度、降低重量，在設(shè)計中大量使用鈦合金材料與鋁合金材料，其中鈦合金的坯料用量達到約5.5t。在其中機身、后機身、機翼、垂直尾翼、水平尾翼中使用了大量鈦合金承力結(jié)構(gòu)件，如中央翼下壁板、后機身（發(fā)動機艙）幾個框、推力梁、尾梁、主起下位鎖承載梁、后機身壁板、維護口蓋、管路系統(tǒng)等使用鈦合金材料制造。中機身是由3條平行大梁框與多條縱加強肋組成，底部的蒙皮由鈦合金制成，前面與前機身對接、后端與后機身（發(fā)動機艙）對接，左右兩側(cè)分別與機翼對接。由于受到當時鍛造技術(shù)水平的制約以及綜合經(jīng)濟性能等因素的影響（同時也是為了實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重，焊接件較機械連接件重量減輕），鈦合金的框架基本采用中小型模鍛件拼焊而成，主要的焊接工藝包括潛弧焊、自動氬弧焊等方法。中機身的一個大型雙環(huán)型承力框其外形尺寸為3300mm×1715mm×160mm，由9塊中等尺寸的BT20鈦合金模鍛采用潛弧焊接工藝拼焊而成，后機身42框最大尺寸達到1300mm以上，該框設(shè)計制造由垂尾接頭梁、外側(cè)框段、上框段、下框段、內(nèi)側(cè)上框段、內(nèi)側(cè)下框段拼焊而成，整體壁板則是采用自動氬弧焊工藝焊接。有報道稱，在1982年的試飛過程中，由于鈦合金的焊接質(zhì)量問題導致機翼散架，該問題直到1987年才得到徹底解決[7,13-17]。

Su-27戰(zhàn)斗機使用的鈦合金材料及其加工制造工藝是20世紀70～80年代的水平。該機機體主要承力結(jié)構(gòu)中選用的鈦合金材料幾乎是清一色的BT20鈦合金，包括大型承力隔框、中央翼下壁板、進氣格柵等重要承力構(gòu)件，厚度從幾mm至幾十mm，零部件涉及到BT20鈦合金的薄板、厚板、型材、模鍛件等。該鈦合金是前蘇聯(lián)航空材料研究院于1964年研制開發(fā)成功，有報道稱，該合金是在美國Ti-8Al-1Mo-1V鈦合金的基礎(chǔ)上采用2%的鋯元素取代相應(yīng)的鋁元素發(fā)展而成的。BT20鈦合金是高鋁當量的近α型鈦合金，合金名義成分Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，該合金不僅具有較高的室溫抗拉強度（略高于美系的Ti-6Al-4V鈦合金），同時該合金具有十分優(yōu)異的焊接加工性能以及較好的高溫穩(wěn)定性等，由于屬于近α型鈦合金不能進行熱處理強化，退火狀態(tài)下技術(shù)指標要求其室溫拉伸強度≥930MPa。所以，前蘇聯(lián)將該合金列入到OCT標準中，進行工業(yè)化大批量生產(chǎn)，廣泛由于飛機及航空發(fā)動機承力結(jié)構(gòu)件制造，以棒材、板材、鍛件、型材等形式供貨[13-17]。

Su-27戰(zhàn)斗機在機體連接中大量使用鈦合金緊固件，針對美國等西方國家采用Ti-6Al-4V鈦合金作為緊固件不能冷鐓加工的缺點，為了實現(xiàn)自動化連續(xù)冷鐓生產(chǎn)、提高緊固件生產(chǎn)效率及實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定控制，前蘇聯(lián)開發(fā)出了緊固件專用的BT16鈦合金，該合金名義成分Ti-3Al-5Mo-4.5V，屬于馬氏體型α+β型雙相鈦合金。BT16鈦合金在退火狀態(tài)下具有優(yōu)異的室溫塑性（斷面收縮率達到60%以上），能夠完成緊固件的冷鐓成型，固溶+時效熱處理后可獲得1030～1180MPa的室溫抗拉強度。采用BT16鈦合金制造的緊固件不僅在Su-27系列飛機上獲得了大量應(yīng)用，同時也在伊爾76、伊爾86、伊爾96、安124等飛機上得到了廣泛應(yīng)用，使用至今沒有發(fā)現(xiàn)任何質(zhì)量事故[13-17]。

Su-27戰(zhàn)斗機的起落架輪叉和扭力臂等重要承力件采用高強BT22鈦合金材料制造，BT22鈦合金是前蘇聯(lián)航空材料研究院在20世紀70年代開發(fā)成功高強、高韌、高淬透鈦合金，合金的名義成分為Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，強化熱處理后可獲得1200MPa以上的抗拉強度，同時具有優(yōu)異的塑性和韌性匹配，在前蘇聯(lián)研制的大型運輸機中獲得大量應(yīng)用。另外，主起落架和前起落架斜支柱以及部分液壓元器件使用BT3-1鈦合金（名義成分為Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si）制造、38至45框間次承力隔框鈑金件使用OT4鈦合金（名義成分為Ti-4Al-1.5Mn）制造、采用п т-7м鈦合金（名義成分為Ti-2Al-2.5Zr）制造飛機液壓與燃油系統(tǒng)的管路系統(tǒng)，以及使用BT9熱強鈦合金（名義成分為Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si）制造制動系統(tǒng)的承力零部件[13-17]。

1.2.2 Su-35戰(zhàn)斗機結(jié)構(gòu)用鈦材

Su-35戰(zhàn)斗機是俄羅斯蘇霍伊設(shè)計局在Su-27戰(zhàn)斗機的基礎(chǔ)上，設(shè)計發(fā)展出的三代半先進多用途戰(zhàn)斗機。據(jù)相關(guān)報道，Su-35戰(zhàn)斗機的設(shè)計制造過程中為了提高其綜合性能與機體服役壽命，引入了西方全新的設(shè)計標準體系，在機體材料及制造工藝方面獲得了大幅度的提升。包括進一步增加復合材料和鈦合金材料的使用比例，以及將原Su-27戰(zhàn)斗機中采用拼焊成型的承力框改為整體成型等。這些措施的實施，使Su-35戰(zhàn)斗機的機身強度和壽命獲得了大幅度的提升，使得Su-35戰(zhàn)斗機的壽命由Su-27基本型的2000h提高到了6000h，同時使該機具有更重的極限承重起飛能力。蘇霍伊設(shè)計局針對Su-35以及新一代的T-50戰(zhàn)斗機的技術(shù)要求，都是基于該國航空技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和自身長期的技術(shù)積累，所遵循的原則是低風險、低成本的穩(wěn)妥路線。所以，為了降低技術(shù)風險、控制研制成本以及現(xiàn)有鈦合金技術(shù)指標能夠完全滿足使用需求，Su-35戰(zhàn)斗機上使用的鈦合金材料體系應(yīng)該基本上是繼承了成熟的Su-27戰(zhàn)斗機。但是，為了滿足損傷-容限設(shè)計準則與提高飛機機體壽命的需求，對于鈦合金的成分和熱加工工藝應(yīng)該進行了優(yōu)化改進，以研制生產(chǎn)出斷裂韌性與抗裂紋擴展能力優(yōu)良的鈦合金零部件（主要是承力梁、框、接頭等）。俄羅斯最大的鈦合金制造商上薩爾達冶金生產(chǎn)聯(lián)合公司（VSMPO-AVISMA），是前蘇聯(lián)為發(fā)展軍事航空工業(yè)于1933年組建，主要任務(wù)是研究和生產(chǎn)戰(zhàn)斗機制造材料，20世紀50年代開始了鈦合金材料的研發(fā)生產(chǎn)，近年來一直為波音、空客、龐巴迪等航空公司供應(yīng)高端的鈦合金鍛件等產(chǎn)品，空中客車50%的鈦材及波音公司35%的鈦材都是由該企業(yè)生產(chǎn)供應(yīng)，這其中就包括一些損傷容限設(shè)計要求的鈦合金鍛件產(chǎn)品?？梢酝茰y，為了進一步提高新一代飛機綜合性能及其服役飛行壽命的要求，俄羅斯會對其現(xiàn)有的鈦合金材料進行優(yōu)化設(shè)計和工藝創(chuàng)新改進[18-20]。

1.3 我國飛機機體結(jié)構(gòu)件用鈦合金情況

我國20世紀在前蘇聯(lián)米格-21戰(zhàn)斗機基礎(chǔ)上研制的殲-7戰(zhàn)斗機，鈦合金重量只有9kg，后來發(fā)展的殲-8Ⅱ戰(zhàn)斗機上鈦合金部件重量達到了60kg，但是占飛機結(jié)構(gòu)總重的比例不到2%。隨著我國第三代戰(zhàn)斗機的研制，我國鈦合金材料在飛機機體制造中的應(yīng)用取得了突飛猛進的發(fā)展[10,21]。

1.3.1 第三代戰(zhàn)斗機的鈦合金使用情況

20世紀80年代，美國、蘇聯(lián)、法國、英國等國空軍的第三代戰(zhàn)斗機（如 F-16、F-15、Su-27、米格 -29、幻影-2000等）都開始陸續(xù)列裝，而我國空軍的主力裝備仍為老舊的殲-6飛機和少量的殲-7、殲-8等第二代戰(zhàn)斗機，致使我國空軍裝備水平與當時世界主流裝備水平相差20～30年。在這種背景下，我國于20世紀90年代從俄羅斯采購了一定數(shù)量的Su-27、Su-30戰(zhàn)斗機，并引進生產(chǎn)線開始了Su-27戰(zhàn)斗機國產(chǎn)化工作。我國在1999年的50周年國慶閱兵儀式上將從俄羅斯引進的Su-27戰(zhàn)斗機稱之為新型重型戰(zhàn)斗機；而在2009年的國慶閱兵儀式上將其稱之為國產(chǎn)先進戰(zhàn)斗機，并公開型號為殲-11戰(zhàn)斗機，側(cè)面說明我國全面實現(xiàn)了Su-27戰(zhàn)斗機的全面國產(chǎn)化。我國引進Su-27戰(zhàn)斗機生產(chǎn)技術(shù)的路線是“引進-消化-吸收-創(chuàng)新”，在Su-27飛機國產(chǎn)化過程中，我國仿制了系列材料，實現(xiàn)了相關(guān)材料的國產(chǎn)化工作，這其中就包括多個牌號的鈦合金材料[15]。

由于受到當時鍛造技術(shù)水平的制約以及和經(jīng)濟成本、減重因素的綜合考慮，前蘇聯(lián)在Su-27戰(zhàn)斗機設(shè)計制造過程中，其后機身鈦合金加強框是采用中型模鍛件潛弧焊拼合而成，焊縫的存在降低了結(jié)構(gòu)強度和疲勞壽命，焊縫強度遠低于整體鍛件，嚴重影響結(jié)構(gòu)強度和疲勞壽命，所以Su-27戰(zhàn)斗機基本型的機體設(shè)計壽命為2500～3000h。而美國的 F-15、F-22、F-35等戰(zhàn)斗機的加強框幾乎都是采用大型整體模鍛件，較拼焊加強框結(jié)構(gòu)具有更高的結(jié)構(gòu)強度和機體壽命，同時更具安全可靠性，所以美國F-15、F-22、F-35戰(zhàn)斗機的機體設(shè)計壽命基本在6000h以上。我國在Su-27飛機的國產(chǎn)化改進過程中，采用部分整體結(jié)構(gòu)的大尺寸鈦合金模鍛框代替原來的分段中型模鍛件的焊接組合框，大幅度提升飛機的結(jié)構(gòu)強度和疲勞強度，在飛機結(jié)構(gòu)的設(shè)計和生產(chǎn)中獲得非常突出的減重和延壽效果，同時使用電子束焊接工藝部分取代了俄方的潛弧焊接工藝等。有報道稱，俄羅斯最新的Su-27戰(zhàn)斗機的終極改進版Su-35飛機，為了大幅度提升機體壽命，也采用鈦合金整體成形加強框取代了以前的分段拼焊加強框[14-31]。

我國在第三代戰(zhàn)斗機的發(fā)展中采取的是“兩條腿走路”的方式，即既要實現(xiàn)Su-27飛機的引進與國產(chǎn)化、又要獨立自主研制第三代戰(zhàn)斗機。在飛機的研制過程中，我國實現(xiàn)了飛機結(jié)構(gòu)用鈦合金的系列化發(fā)展并獲得廣泛的國產(chǎn)化應(yīng)用：機身結(jié)構(gòu)用BT20鈦合金（國產(chǎn)牌號TA15）、起落架系統(tǒng)用BT22鈦合金（國產(chǎn)牌號TC18）和BT9鈦合金（國產(chǎn)牌號TC11）、緊固件用BT16鈦合金（國產(chǎn)牌號TC16）、鈑金件用OT4鈦合金（國產(chǎn)牌號TC2）、液壓燃油管路系統(tǒng)用п т-7м鈦合金（國產(chǎn)牌號TA16）和BT3-1鈦合金（國產(chǎn)牌號TC6）鈦合金等，以及其他機型使用的TC4鈦合金（主要用于機體承力構(gòu)件與緊固件的制造）[4,22-25,32-35]。

1.3.2 我國新一代戰(zhàn)斗機結(jié)構(gòu)件用鈦材

長壽命的服役和損傷-容限設(shè)計已經(jīng)成為新一代飛機的設(shè)計準則，為了滿足我國新一代飛機設(shè)計制造的需求，我國在“十五”期間立項開展了我國中等強度的高損傷容限TC4-DT鈦合金與高強度損傷容限TC21鈦合金的研制開發(fā)工作。我國開發(fā)的這兩種高損傷容限鈦合金形成了強度高、中搭配、性能優(yōu)勢互為補充的損傷容限性飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計制造用鈦合金體系。在合金開發(fā)的基礎(chǔ)上，國內(nèi)相關(guān)研究院所與生產(chǎn)廠家開發(fā)出了合理的鍛造工藝與熱處理工藝，滿足了我國新一代飛機設(shè)計制造的需要[4]。

TC4-DT鈦合金是應(yīng)我國先進飛機長壽面和損傷容限/耐久性設(shè)計發(fā)展需要，自主研制開發(fā)的中強、高韌、損傷容限性鈦合金。TC4-DT 鈦合金是我國在TC4鈦合金的基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計出的中等強度鈦合金材料，其棒材或鍛件的抗拉強度不小于825MPa，但是其具有優(yōu)異的斷裂韌性（KIC≥90MPa·m1/2），與其他傳統(tǒng)鈦合金材料相比，具有高韌性、高損傷容限和抗裂紋擴展能力優(yōu)異等綜合性能，其各項性能指標相當于美國的第四代戰(zhàn)斗機F-22飛機上大量使用的Ti-6Al-4V ELI損傷容限鈦合金。目前，已經(jīng)完成了國產(chǎn)化大規(guī)格棒材、大型整體鍛件和大型構(gòu)件焊接等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，適合于制造大型整體化框、梁和接頭等對損傷容限和耐久性要求高的關(guān)鍵承力部件，其典型應(yīng)用有機身承力整體框、機翼梁和焊接構(gòu)件等[4,25-26,36]。

TC21鈦合金是應(yīng)我國先進飛機長壽面和損傷容限/耐久性設(shè)計發(fā)展需要，研制開發(fā)的高強、高韌、損傷容限性鈦合金。TC21鈦合金名義成分為Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo-2Nb鈦合金，是我國參照美國第四代戰(zhàn)斗機F-22飛機上大量使用的高強高損傷容限Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo鈦合金設(shè)計開發(fā)的，通過添加Nb元素進一步優(yōu)化了各項性能指標（焊接等性能優(yōu)于美國的Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo鈦合金），使用狀態(tài)下抗拉強度不低于1100MPa，斷裂韌性KIC不低于70MPa·m1/2。目前，該合金也已經(jīng)完成了工程化大規(guī)格棒材、整體鍛件等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，經(jīng)過我國某型號飛機5000飛行小時地面綜合驗證試驗，結(jié)果滿足靜強度試驗、疲勞試驗、損傷容限/耐久性考核試驗要求，該合金適用于制造新一代飛機機身接頭、機翼梁、全動尾翼轉(zhuǎn)軸梁、發(fā)動機框架等關(guān)鍵承力構(gòu)件[4,25-36]。

新一代飛機不斷向長壽命、高減重、低成本的方向發(fā)展，大大提高了復合材料和鈦合金的使用比例，Ti-45Nb鈦合金作為鈦合金與復合材料優(yōu)良的鉚接制造材料越來越受到重視。特別是美國針對鉚釘用Ti-45Nb鈦合金進行了大量的研究工作，并獲得了成熟的工程制造工藝，已經(jīng)將使用該合金全面代替純鈦制造飛機的鉚釘，將其列入到AMS4982C標準中，在其新一代飛機制造中獲得可大量使用，如采用Ti-45Nb鈦合金與Ti-6Al-4V合金制造的雙金屬鉚釘，已在波音與空客的飛機上獲得應(yīng)用。我國在“十一五”期間開展了Ti-45Nb鈦合金的材料研制及應(yīng)用研究工作，并制定了相應(yīng)的產(chǎn)品規(guī)范。該合金最為突出的優(yōu)點是高塑性(斷面收縮率達到60%～80%)、低變形抗力（優(yōu)于純鈦），同時較純鈦的抗拉強度(σb≥450MPa)與剪切強度(τ≥350MPa)要高[4,25-42]。

2 結(jié)束語

通過對比美系、蘇俄系以及我國先進戰(zhàn)斗機機體構(gòu)件用鈦情況，可以看出，為了提高飛機的綜合性能及服役效益，各國都十分重視鈦合金材料在飛機機體結(jié)構(gòu)中的使用，特別是一些主要的承力部位如飛機機身加強框梁、機翼梁、對接接頭等都使用高性能鈦合金材料制造。通過分析可以看出，鑒于飛機服役安全及研發(fā)成本、周期的考慮，美國第四代飛機機體制造用鈦大量選用成熟度最高的Ti-6Al-4V鈦合金，但是考慮到第四代飛機更為嚴格的服役性能及長壽命要求，美國對其使用Ti-6Al-4V鈦合金進行了成分優(yōu)化設(shè)計以及熱加工工藝的創(chuàng)新發(fā)展。

美國非常注重對成熟的航空鈦合金材料進行針對性的優(yōu)化設(shè)計并進行其制造工藝的創(chuàng)新，以獲得綜合性能更為優(yōu)異的產(chǎn)品，并將其運用到先進飛機的制造當中，并不是一味追求開發(fā)新材料，這一點在其航空發(fā)動機的制造上尤為明顯。美國國防部確定的10個需要重點發(fā)展的國防技術(shù)領(lǐng)域，就是將“材料和工藝”連貫在一起列入10大技術(shù)領(lǐng)域之一，并對其發(fā)展的重要地位和作用給予了充分肯定，認為它是所有其他九大技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，并給予充分的政策與資金支持。美國的這種思路也值得我們學習和借鑒，為了提高我國飛機的綜合性能及其服役壽命，我們有必要對目前飛機上使用的成熟鈦合金材料進行成分的優(yōu)化和進行熱加工工藝的創(chuàng)新改進。

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