钛在军工中的应用

钛是二战后欲40年代末至50年代开始与工业化生产并逐步发展起来的一种高性能的重要结构材料。起最早的应用，就是为军事航空工业提供高性能材料。随着各国军事工业的发展，钛的应用领域被不断拓宽。至今，钛已在航空航天、核能、舰船、兵器等诸多领域获得越来越多的应用，成为重要的战略金属材料。其应用水平也成为衡量一个国家武器装备先进程度，反映一个国家的军事水平和军事实力的重要指标。
　　 钛在军事工业上使用，主要是基于钛及钛合金具有的优异性能：（1）减轻结构质量，提高结构效率。先进的战技性能要求飞机具有比较低的结构质量系数（即机体结构质量/飞机正常起飞质量），钛合金的密度小，比强度高，代替结构钢和高温合金，能大幅度减轻结构质量。（2）钛合金的耐热性符合高温要求。目前经合金化后的热强钛合金最高使用温度可达500°C~600°C，结构钛合金的使用温度也可达300°C~400°C，常用的TI-64V能在350°C下长期工作，在飞机的高温部未（如后机身等）可取代高温使用性能 不能满足要求的铝合金，TC11能在500°C下长期工作，在发动机的压气机部件可取代高温合金和不锈钢。（3）可与复合材料结构匹配。为减轻结构质量和满足隐身要求，先进飞机大量使用复合材料，钛与复合材料的强度、刚度匹配较好，能获得很好的减重效果，同时，由于二者的电位比较接近，不易产生电偶腐蚀。（4）优异的耐腐蚀性。钛在中性和氧化性气氛及众多恶劣环境中具有比其它金属材料更优异的耐蚀性能，受环境条件制约的程度小。
　　 除上述特性外，钛还具有高韧性、高弹性、无磁等诸多优点。这些都为钛在军事工业中的应用提供了可选择的条件。
1.1 钛的生产及军工用钛概况
　　 自1948年美国开始海绵钛的工业化生产、1951年生产出钛加工以来，钛首先用于飞机上。1954年钛用于J57航空发动机，该发动机装于B-52战略轰炸机上。其后的一段时期，美国生产的钛材基本上用于军事工业，尤其以航空为主。60年代以后，才逐步扩大民用领域的用钛比例。现在，美国军工用钛的比例已远低于包括民用航空在内的饿民用比例。但由于钛的总产量比以前有大幅度增加，实际上军工用钛的数量则比以前高得多。
1.2 钛在飞机上的应用
　　 钛合金是当代飞机和发射极的主要结构材料之一，美国在80年代以后设计的各种先进军用战斗机和轰炸机中，钛的饿用量已在20%以上。如第三代F-15战斗机的钛合金用量占27%，而第四代F-22H战斗机的饿钛合金用量占41%。
1.2.1 F-22战斗机
　　 F-22战斗机是美国洛克西德公司、波音公司和通用动力公司设计的战术战斗机，是目前世界上具有代表性的第四代战斗机。它首次将隐身、高机动性和敏捷性、不加力超音速巡航等特性融于一体，将作为美国空军2000年以后的主力制空机种。
　　 在选材方面，主要考虑的因素有：（1）非常规机动带来的减重要求；（2）超音速巡航导致的抗持续加温要求；（3）有隐身引出的主力制空机种。
　　 可以看出，设想的钛合金用量不利为15.9%，而进入工程制造和发展阶段，钛合金的饿比例已提高到41%。
　　 F-22主要使用了两种钛合金：Ti-62222(Ti-6AL-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo)和Ti-6AL-4V。Ti-6AL-4V有锻态和铸态两种产品形式，Ti-6AL-4VELI合金在β退火条件下使用，另外，还使用了Ti-6AL-4V液态导管；Ti-62222仅拥锻态产品形式。在F-22的后机身段，钛的结构质量达55%，多为耐热钛合金，其中也采用了Ti-6AL-4VELI怀曼.戈登公司提供了发动机舱隔框。隔框为整体式Ti-6AL-4V锻件。该锻件长工3.8m，宽1.7m,重1590kg，投影面积大于5平方米。复杂的中机身段30%为钛，有4个锻造的钛合金整体式承力框，其中最大的重2770kg，投影面积5.5.平方米，也是由怀曼.戈登公司提供。机翼结构中钛占42%，住翼梁是由钛合金锻件切削而成。F-22中一个创新点是用钛合金制造主承力结构的复杂零件，采用热等静压技术，用一个复杂形状的铸件代替多零件的组装件，如复翼、襟复翼、方向舵制动器壳体、机体上连接机翼与机身的侧向接头及进气口框架。
　　 F-22的发动机上还采用了美国新发展的阻燃钛合金alloyC，E用于高压压气机机匣、加力燃烧室筒体及尾喷管上。
1.2.2 F/A-18舰载飞机
　　 对于舰载飞机，要求使用的材料：（1）有良好的综合性能，即具有高的疲劳强度和断裂韧性；（2）具有防盐雾、潮湿及霉菌的能力；（3）隐身性。
　　 在F/A-18中，钛合金主要用于飞机的承力框纵梁、翼根和尾部结构等关键部位。所用钛合金主要有Ti-6AL-4V和Ti-15-3(Ti-15Mo-3Al-3Sn-3Cr)。机身和机翼接头均采用β退火的Ti-6AL-4V，而制动器扭力管用Ti-6AL-4V铸件。另外，为降低成本，提高材料利用率，在着陆拦阻钩支架接头及发动机安装架还采用了热等静压的Ti-6AL-4V粉治金制造。
1.2.3 其它
　　 联合攻击战斗（JSF）是一种低成本、多用途战术攻击战斗机，将取代美国空军现役的F-16C和A-10、海军的F/A-18E/F、海军路战队的F/A-18和AV-8B等机型，与F-22g一起构成新一代战斗机的高、低搭配。目前，波音公司和洛克西德公司.马丁公司已分别完成了X-32和X-35验证机的研制工作。JSF定单已超过3000架，估计其总用钛量可达55000t。将来JSF的定单可能达到6000架。
V-22是美国贝尔直升机公司为海军路战队研制的运输型倾转旋翼机，具有直升机能垂直起降、悬停等飞机与远航程的优点，又增强了固定翼飞机高速飞行与远航的优点，有MV-22突击运输型、HV-22战搜索和救援型、CV-22远程作战型和SV-22反潜型等多种型号。V-22倾转悬翼机是能与喷气发动机或直升机的发明相媲美的技术。其中风档密封框架、发动机短舱主结构、主放火强等使用了钛合金，而作为转子系统、发动机主要支承件的传动接头，则由Howmet公司用一个整体钛铸件取代了原有的43个元件和536个紧固件。
1.3. 钛在战车上的应用
　　 随着反装甲威胁的日益增加，防护装甲也越来专项厚，战车的质量在最近十年中增加了15%-20%，严重影响其运输能力及机动性。用钛合金替代轧制均质装甲钢是件重的有效途径。
在美国，钛合金已用杂M1“艾布拉母斯”主战坦克、M2“布莱德雷”战车上。针对M1主战坦克
主战坦克，美国陆军研部件究了许多可应用钛合金的部件，例如设计了钛坦克炮塔轻4t。美国还开展了用钛合金取代扎制均质钢制造坦克其它部件的技术项目。在该项目的第一个阶段中，生产和鉴定了两组部件，每组包括7个部件：回转炮塔板，核、生物和化学武器对抗系统护盖，炮手主瞄准具罩，发动机顶盖，炮塔枢轴架，指挥舱盖和车长执成像观察仪罩，上述钛合金部件可是M1主战坦克减重475kg，在第二个阶段中，选择了回转炮塔板和炮手主瞄准具罩交付生产。通用动力地面系统公司已承包制造这两种部件。该改进计划始于1996年10月，在随后5年中将改进580辆M1A2主战坦克。在实施该改进计划的过程中，还有可能采用其它的钛合金部件，例如铸造钛合金炮塔座圈。用Ti-6Al-4V替代装甲钢，在不降低坦克的防护水平的情况下，可达到减重的目的。在M1主战坦克上，还将继续考虑钛伯替代伯。M2战车上，钛主要用于指挥舱盖和顶部攻击装甲的改进。M2的指挥舱盖是美国陆军首次应用低成本钛合金的部件，该舱盖原来采用锻造铝合金的制成，现在已用锻造Ti-6Al-4V合金制造，指挥舱盖每个重68kg，要用100mm-127mm厚的钛板加工而成，总计哟1000辆M2战车要改装，1997年已开始第一批，改装了580辆，顶部攻击装甲用80mm厚的肽板，已改装了91辆。改用钛合金材料后，减轻重量35%，并大大增加了防弹能力。加强M2战车装甲的一个措施是，在某些特定部位采 用锻造钛合金附加装假以防大口径弹药的攻击。
　　 M113装甲人员运输车也采用钛合金附加装甲，以提高装甲的防弹能力，但相对于装甲钢，钛还是太贵，如果氏钛价格能降至能接受的水平，M113装甲输送车即可用钛改进防护水平。若将50%的M113用钛改进，大约要用80000t，如侧面保护的附加装甲要用32mm厚的钛板，重1026kg，而前斜装甲则需58.8mm厚的钛板，重751kg。
　　 火炮系统中，两种155mm轻型牵引榴弹跑大量使用了钛合金。美国联合防务有限公司发展的装甲火炮系统，采用了钛合金附加霜家。在未来“十字军战士”155mm自行榴弹跑中，有许多部件要使用钛合金。
　　 美国海军路战队正在寻求减轻先进两栖突击车质量的各种方案。一种方案是采用轻型装甲。另一方案是用钛合金氏钢制造负重轮，平衡臂，负重齿轮箱等部件。尽管钛合金性能优良，但因为价格高而不能广泛应哟内于国防领域。
　　 近年，美国对低成本钛合金的研究力度加大，并开发了一些军用低成本钛合金，如Timet以Fe-Mo代替Al-Mo中间合金制造而成Timetal62S,RMI放宽氧含量控制水平，制成富氧的Ti-6Al-4V-0.250，它们的机械性能和抗弹能力等指标等于或超过Ti-6Al-4V的相应值，查成本却较低。在未来的战车和为炮系统中，美国陆军将用低成本钛合金取代扎制均质装甲钢的铝合金制造装甲和零部件。低成本钛合金在海军和空军装备中也将有很大的应用潜力。因海水腐蚀，海军舰船上每年大约需要换97km热交换器用的饿铜镍合金管，用钛合金制造该管，可延长使用寿命，大量节省维修和维护费用，美国空军也对低成本钛合金具有极大兴趣。
　　 随着冷战结束及军备和军费削减，军用飞机产量也降到几十年来的低点。钛的消费量随之减少，然而，海湾战争、阿富汗战争以及其后潜在威胁唤起了对空中优势的新一轮需求。因此军用飞机未来是增长的，以下是对2003-2001个型飞机生产的初步预测。
　　 C-17至2008年，空军已敲定180架采购单，预测自2004年起产量稳定在15架/a。按计划至少应当需要222架，而且商业运输和军事出口还可能是该数字有所增加。
　　 F-15预测还需83架，美国本土10架，40架K型机为韩国制造，另外出口33架。
　　 F/A-18预计制造416架，以确保海军拥有足够装备至少10个航母编队的新型战斗机。在联合攻击战斗机服役前，E/F机型可能会替换全部现有机型。
　　 欧洲斗士 将于2002年交付首批飞机，在预测见内将制造409架。
　　 F-22 将于2003年早些时候开始交货。由于成本问题，总的饿交货计划尚未确定，但在此期间内第三方先已预计订购185架。
　　 F-35 目前正进入系统设计和发展时期，将制造14架飞行样机和8架非飞行样机。预计2010年生产60架，因此对未来10年钛工业影响是最小的。
　　 综上所述未来8年预计制造的飞机将吵过2003架，平均每年296架，较前8年同比增加43%，假如上述计划完全实现并交货及时，则目前预测是准确的，即2003-2006年制造飞机将超过200架/a，2007-2010年超过300架/a，据此，从2003年到2010年，钛用于军用飞机的消费量是增长的。到2 010年时，军用飞机用钛量可望增加到约5000t，比2003年预测消费量增加33%。