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鈦在軍工中的應用

[ 信息發布:本站 | 發布時間:2008-12-23 | 瀏覽:113 ]

鈦是二戰后欲40年代末至50年代開始與工業化生產并逐步發展起來的一種高性能的重要結構材料。起最早的應用,就是為軍事航空工業提供高性能材料。隨著各國軍事工業的發展,鈦的應用領域被不斷拓寬。至今,鈦已在航空航天、核能、艦船、兵器等諸多領域獲得越來越多的應用,成為重要的戰略金屬材料。其應用水平也成為衡量一個國家武器裝備先進程度,反映一個國家的軍事水平和軍事實力的重要指標。
   鈦在軍事工業上使用,主要是基于鈦及鈦合金具有的優異性能:(1)減輕結構質量,提高結構效率。先進的戰技性能要求飛機具有比較低的結構質量系數(即機體結構質量/飛機正常起飛質量),鈦合金的密度小,比強度高,代替結構鋼和高溫合金,能大幅度減輕結構質量。(2)鈦合金的耐熱性符合高溫要求。目前經合金化后的熱強鈦合金最高使用溫度可達500°C~600°C,結構鈦合金的使用溫度也可達300°C~400°C,常用的TI-64V能在350°C下長期工作,在飛機的高溫部未(如后機身等)可取代高溫使用性能 不能滿足要求的鋁合金,TC11能在500°C下長期工作,在發動機的壓氣機部件可取代高溫合金和不銹鋼。(3)可與復合材料結構匹配。為減輕結構質量和滿足隱身要求,先進飛機大量使用復合材料,鈦與復合材料的強度、剛度匹配較好,能獲得很好的減重效果,同時,由于二者的電位比較接近,不易產生電偶腐蝕。(4)優異的耐腐蝕性。鈦在中性和氧化性氣氛及眾多惡劣環境中具有比其它金屬材料更優異的耐蝕性能,受環境條件制約的程度小。
   除上述特性外,鈦還具有高韌性、高彈性、無磁等諸多優點。這些都為鈦在軍事工業中的應用提供了可選擇的條件。
1.1 鈦的生產及軍工用鈦概況
   自1948年美國開始海綿鈦的工業化生產、1951年生產出鈦加工以來,鈦首先用于飛機上。1954年鈦用于J57航空發動機,該發動機裝于B-52戰略轟炸機上。其后的一段時期,美國生產的鈦材基本上用于軍事工業,尤其以航空為主。60年代以后,才逐步擴大民用領域的用鈦比例。現在,美國軍工用鈦的比例已遠低于包括民用航空在內的餓民用比例。但由于鈦的總產量比以前有大幅度增加,實際上軍工用鈦的數量則比以前高得多。
1.2 鈦在飛機上的應用
   鈦合金是當代飛機和發射極的主要結構材料之一,美國在80年代以后設計的各種先進軍用戰斗機和轟炸機中,鈦的餓用量已在20%以上。如第三代F-15戰斗機的鈦合金用量占27%,而第四代F-22H戰斗機的餓鈦合金用量占41%。
1.2.1 F-22戰斗機
   F-22戰斗機是美國洛克西德公司、波音公司和通用動力公司設計的戰術戰斗機,是目前世界上具有代表性的第四代戰斗機。它首次將隱身、高機動性和敏捷性、不加力超音速巡航等特性融于一體,將作為美國空軍2000年以后的主力制空機種。
   在選材方面,主要考慮的因素有:(1)非常規機動帶來的減重要求;(2)超音速巡航導致的抗持續加溫要求;(3)有隱身引出的主力制空機種。
   可以看出,設想的鈦合金用量不利為15.9%,而進入工程制造和發展階段,鈦合金的餓比例已提高到41%。
   F-22主要使用了兩種鈦合金:Ti-62222(Ti-6AL-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo)和Ti-6AL-4V。Ti-6AL-4V有鍛態和鑄態兩種產品形式,Ti-6AL-4VELI合金在β退火條件下使用,另外,還使用了Ti-6AL-4V液態導管;Ti-62222僅擁鍛態產品形式。在F-22的后機身段,鈦的結構質量達55%,多為耐熱鈦合金,其中也采用了Ti-6AL-4VELI懷曼.戈登公司提供了發動機艙隔框。隔框為整體式Ti-6AL-4V鍛件。該鍛件長工3.8m,寬1.7m,重1590kg,投影面積大于5平方米。復雜的中機身段30%為鈦,有4個鍛造的鈦合金整體式承力框,其中最大的重2770kg,投影面積5.5.平方米,也是由懷曼.戈登公司提供。機翼結構中鈦占42%,住翼梁是由鈦合金鍛件切削而成。F-22中一個創新點是用鈦合金制造主承力結構的復雜零件,采用熱等靜壓技術,用一個復雜形狀的鑄件代替多零件的組裝件,如復翼、襟復翼、方向舵制動器殼體、機體上連接機翼與機身的側向接頭及進氣口框架。
   F-22的發動機上還采用了美國新發展的阻燃鈦合金alloyC,E用于高壓壓氣機機匣、加力燃燒室筒體及尾噴管上。
1.2.2 F/A-18艦載飛機
   對于艦載飛機,要求使用的材料:(1)有良好的綜合性能,即具有高的疲勞強度和斷裂韌性;(2)具有防鹽霧、潮濕及霉菌的能力;(3)隱身性。
   在F/A-18中,鈦合金主要用于飛機的承力框縱梁、翼根和尾部結構等關鍵部位。所用鈦合金主要有Ti-6AL-4V和Ti-15-3(Ti-15Mo-3Al-3Sn-3Cr)。機身和機翼接頭均采用β退火的Ti-6AL-4V,而制動器扭力管用Ti-6AL-4V鑄件。另外,為降低成本,提高材料利用率,在著陸攔阻鉤支架接頭及發動機安裝架還采用了熱等靜壓的Ti-6AL-4V粉治金制造。
1.2.3 其它
   聯合攻擊戰斗(JSF)是一種低成本、多用途戰術攻擊戰斗機,將取代美國空軍現役的F-16C和A-10、海軍的F/A-18E/F、海軍路戰隊的F/A-18和AV-8B等機型,與F-22g一起構成新一代戰斗機的高、低搭配。目前,波音公司和洛克西德公司.馬丁公司已分別完成了X-32和X-35驗證機的研制工作。JSF定單已超過3000架,估計其總用鈦量可達55000t。將來JSF的定單可能達到6000架。
V-22是美國貝爾直升機公司為海軍路戰隊研制的運輸型傾轉旋翼機,具有直升機能垂直起降、懸停等飛機與遠航程的優點,又增強了固定翼飛機高速飛行與遠航的優點,有MV-22突擊運輸型、HV-22戰搜索和救援型、CV-22遠程作戰型和SV-22反潛型等多種型號。V-22傾轉懸翼機是能與噴氣發動機或直升機的發明相媲美的技術。其中風檔密封框架、發動機短艙主結構、主放火強等使用了鈦合金,而作為轉子系統、發動機主要支承件的傳動接頭,則由Howmet公司用一個整體鈦鑄件取代了原有的43個元件和536個緊固件。
1.3. 鈦在戰車上的應用
   隨著反裝甲威脅的日益增加,防護裝甲也越來專項厚,戰車的質量在最近十年中增加了15%-20%,嚴重影響其運輸能力及機動性。用鈦合金替代軋制均質裝甲鋼是件重的有效途徑。
在美國,鈦合金已用雜M1“艾布拉母斯”主戰坦克、M2“布萊德雷”戰車上。針對M1主戰坦克
主戰坦克,美國陸軍研部件究了許多可應用鈦合金的部件,例如設計了鈦坦克炮塔輕4t。美國還開展了用鈦合金取代扎制均質鋼制造坦克其它部件的技術項目。在該項目的第一個階段中,生產和鑒定了兩組部件,每組包括7個部件:回轉炮塔板,核、生物和化學武器對抗系統護蓋,炮手主瞄準具罩,發動機頂蓋,炮塔樞軸架,指揮艙蓋和車長執成像觀察儀罩,上述鈦合金部件可是M1主戰坦克減重475kg,在第二個階段中,選擇了回轉炮塔板和炮手主瞄準具罩交付生產。通用動力地面系統公司已承包制造這兩種部件。該改進計劃始于1996年10月,在隨后5年中將改進580輛M1A2主戰坦克。在實施該改進計劃的過程中,還有可能采用其它的鈦合金部件,例如鑄造鈦合金炮塔座圈。用Ti-6Al-4V替代裝甲鋼,在不降低坦克的防護水平的情況下,可達到減重的目的。在M1主戰坦克上,還將繼續考慮鈦伯替代伯。M2戰車上,鈦主要用于指揮艙蓋和頂部攻擊裝甲的改進。M2的指揮艙蓋是美國陸軍首次應用低成本鈦合金的部件,該艙蓋原來采用鍛造鋁合金的制成,現在已用鍛造Ti-6Al-4V合金制造,指揮艙蓋每個重68kg,要用100mm-127mm厚的鈦板加工而成,總計喲1000輛M2戰車要改裝,1997年已開始第一批,改裝了580輛,頂部攻擊裝甲用80mm厚的肽板,已改裝了91輛。改用鈦合金材料后,減輕重量35%,并大大增加了防彈能力。加強M2戰車裝甲的一個措施是,在某些特定部位采 用鍛造鈦合金附加裝假以防大口徑彈藥的攻擊。
   M113裝甲人員運輸車也采用鈦合金附加裝甲,以提高裝甲的防彈能力,但相對于裝甲鋼,鈦還是太貴,如果氏鈦價格能降至能接受的水平,M113裝甲輸送車即可用鈦改進防護水平。若將50%的M113用鈦改進,大約要用80000t,如側面保護的附加裝甲要用32mm厚的鈦板,重1026kg,而前斜裝甲則需58.8mm厚的鈦板,重751kg。
   火炮系統中,兩種155mm輕型牽引榴彈跑大量使用了鈦合金。美國聯合防務有限公司發展的裝甲火炮系統,采用了鈦合金附加霜家。在未來“十字軍戰士”155mm自行榴彈跑中,有許多部件要使用鈦合金。
   美國海軍路戰隊正在尋求減輕先進兩棲突擊車質量的各種方案。一種方案是采用輕型裝甲。另一方案是用鈦合金氏鋼制造負重輪,平衡臂,負重齒輪箱等部件。盡管鈦合金性能優良,但因為價格高而不能廣泛應喲內于國防領域。
   近年,美國對低成本鈦合金的研究力度加大,并開發了一些軍用低成本鈦合金,如Timet以Fe-Mo代替Al-Mo中間合金制造而成Timetal62S,RMI放寬氧含量控制水平,制成富氧的Ti-6Al-4V-0.250,它們的機械性能和抗彈能力等指標等于或超過Ti-6Al-4V的相應值,查成本卻較低。在未來的戰車和為炮系統中,美國陸軍將用低成本鈦合金取代扎制均質裝甲鋼的鋁合金制造裝甲和零部件。低成本鈦合金在海軍和空軍裝備中也將有很大的應用潛力。因海水腐蝕,海軍艦船上每年大約需要換97km熱交換器用的餓銅鎳合金管,用鈦合金制造該管,可延長使用壽命,大量節省維修和維護費用,美國空軍也對低成本鈦合金具有極大興趣。
   隨著冷戰結束及軍備和軍費削減,軍用飛機產量也降到幾十年來的低點。鈦的消費量隨之減少,然而,海灣戰爭、阿富汗戰爭以及其后潛在威脅喚起了對空中優勢的新一輪需求。因此軍用飛機未來是增長的,以下是對2003-2001個型飛機生產的初步預測。
   C-17至2008年,空軍已敲定180架采購單,預測自2004年起產量穩定在15架/a。按計劃至少應當需要222架,而且商業運輸和軍事出口還可能是該數字有所增加。
   F-15預測還需83架,美國本土10架,40架K型機為韓國制造,另外出口33架。
   F/A-18預計制造416架,以確保海軍擁有足夠裝備至少10個航母編隊的新型戰斗機。在聯合攻擊戰斗機服役前,E/F機型可能會替換全部現有機型。
   歐洲斗士 將于2002年交付首批飛機,在預測見內將制造409架。
   F-22 將于2003年早些時候開始交貨。由于成本問題,總的餓交貨計劃尚未確定,但在此期間內第三方先已預計訂購185架。
   F-35 目前正進入系統設計和發展時期,將制造14架飛行樣機和8架非飛行樣機。預計2010年生產60架,因此對未來10年鈦工業影響是最小的。
   綜上所述未來8年預計制造的飛機將吵過2003架,平均每年296架,較前8年同比增加43%,假如上述計劃完全實現并交貨及時,則目前預測是準確的,即2003-2006年制造飛機將超過200架/a,2007-2010年超過300架/a,據此,從2003年到2010年,鈦用于軍用飛機的消費量是增長的。到2 010年時,軍用飛機用鈦量可望增加到約5000t,比2003年預測消費量增加33%。

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