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大飛機(jī)減重
當(dāng)年我們研制國產(chǎn)大飛機(jī)C919時(shí)，遇到一個(gè)難題就是如何給飛機(jī)減重。
為啥要減重？
飛機(jī)的制造可以說是很復(fù)雜的工程。
你可以理解就像咱們蓋房子一樣，如何高效地把鋼筋水泥組合起來，然后怎么裝修房子內(nèi)部布局，同時(shí)還想把整個(gè)家弄得更加安全舒適，是要?jiǎng)雍芏嗄X筋才行。
如果單純地考慮安全性，飛機(jī)的結(jié)構(gòu)就會(huì)設(shè)計(jì)得粗壯，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)重量增加，油耗上升，經(jīng)濟(jì)性就會(huì)下降。而如果單純考慮舒適性，提高客艙的壓力和濕度，又會(huì)降低使用壽命，腐蝕問題又會(huì)突出。
所以在設(shè)計(jì)C9191大飛機(jī)時(shí)，既要保證安全的同時(shí)也要幫飛機(jī)減重，為飛機(jī)減重還意味著能夠節(jié)省一大筆費(fèi)用，這對于航空公司來說也是非常重要的事情。
我國科研人員在嘗試了多種材料后，最終選擇鈦合金來實(shí)現(xiàn)減重目的，效果也是非常顯著的。
比如在發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片里面使用國產(chǎn)鈦鋁合金，不僅成本低，并且同強(qiáng)度下重量更輕，更重要的是耐高溫性能也不差！
鈦介紹
值得一提的是，中國的海綿鈦和鈦材的產(chǎn)量，已經(jīng)穩(wěn)如世界第一，而且是好多年了。
什么是海綿鈦和鈦材？
鈦材是指海綿鈦（或海綿鈦加合金元素）經(jīng)熔煉形成鈦鑄錠，再經(jīng)鍛造、軋制、擠壓等塑性加工方法將鑄錠加工而成的。
也就是說海綿鈦是原材料，鈦材是深加工產(chǎn)品。
而鈦材就包括鈦合金，它是將鈦為基礎(chǔ)，融入鋁、錫、釩、鉬、鈮等其他元素或者材料所構(gòu)成的復(fù)合金屬。
在全球市場中，鈦合金材料主要應(yīng)用于航空工業(yè)、國防軍工以及其他工業(yè) 。其中，在航空工業(yè)的應(yīng)用需求最大，約占50%，主要是用于飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的制造。
相比航空航天其他材料，鈦及鈦合金因密度小，強(qiáng)度高，能夠顯著減輕結(jié)構(gòu)重量，從而提高作戰(zhàn)性能，在節(jié)省燃油耗量，降低廢氣排量等方面具有不可替代的作用。
可以說鈦用量的多少，已成為衡量當(dāng)代飛機(jī)制造先進(jìn)性的重要標(biāo)志。
鈦發(fā)展過程
回顧鈦工業(yè)在全球的發(fā)展，要追溯到上個(gè)世紀(jì)50年代。
1953年，美國道格拉斯公司出產(chǎn)的DC-T機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)防火壁和短艙上首次使用鈦材，開始鈦合金應(yīng)用于航空的歷史。
該時(shí)期，在軍用飛機(jī)上使用工業(yè)純鈦制造后機(jī)身隔熱板、導(dǎo)風(fēng)罩、機(jī)尾罩等為數(shù)不多的非承力構(gòu)件，鈦合金長時(shí)間最高工作溫度為350-350℃ 。
上世紀(jì)60年代，鈦合金逐步代替結(jié)構(gòu)鋼，應(yīng)用到飛機(jī)襟翼滑軋、承力隔框、中翼盒形梁、起落架梁等承力結(jié)構(gòu)件上，之后研制開發(fā)的鈦合金最高工作溫度提高到了400℃-500℃ 。
上世紀(jì)70年代大飛機(jī)c919是國產(chǎn)，鈦合金在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用，又從戰(zhàn)斗機(jī)擴(kuò)大到軍用大型轟炸機(jī)和運(yùn)輸機(jī)，民用飛機(jī)也開始使用鈦合金。
比如當(dāng)年，美國波音787飛機(jī)研制的過程中，為達(dá)到減重2500千克的目標(biāo)，波音公司不得不在2006—2007年期間再投入3億美元經(jīng)費(fèi) ，研究在飛機(jī)某些部位用鈦合金取代鋁合金以解決超重問題，否則不能兌現(xiàn)減少燃油消耗20%的關(guān)鍵性承諾。
最終波音787機(jī)體鈦合金用量達(dá)15%，創(chuàng)下民用客機(jī)機(jī)體鈦合金用量最高記錄。
當(dāng)然了，這些年中國在一些飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)中的鈦合金用量也在不斷提高。
比如我國商用支線客機(jī)ARJ21的鈦合金用量為4.8%，商用干線客機(jī)C919的鈦合金用量為9.3%，與波音777相比略高，波音777為7%到8% 。
中國運(yùn)輸機(jī)運(yùn)20，鈦合金用量為10% ，而美國的C-17運(yùn)輸機(jī)鈦合金用量為10.3%，可以說兩者差不多的。
鈦加工難點(diǎn)
鈦合金這玩意好是好，但它的加工技術(shù)是比較難的。
這里面包括多個(gè)環(huán)節(jié)，涉足材料、裝備、工藝控制等多個(gè)因素，具有較高技術(shù)、資金、裝備等壁壘。
舉個(gè)例子吧，大多數(shù)鈦合金的熱導(dǎo)率很低大飛機(jī)c919是國產(chǎn)，只有鋼的1/7，鋁的1/16 。
這會(huì)帶來什么問題呢？
比如在加工過程中產(chǎn)生的熱量不會(huì)迅速傳遞給工件，而是集聚在切削區(qū)域，一方面會(huì)使刀具迅速磨損，縮短刀具的壽命，另一方面會(huì)破壞零件的表面完整性，導(dǎo)致零件幾何精度下降和出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象。
尤其是航空航天、兵器等高端鈦材，對產(chǎn)品質(zhì)量的要求更加苛刻，一般需要多次的塑性加工，如何保證質(zhì)量的均一穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)工業(yè)化量產(chǎn)在全球都是一項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn) 。
目前全球僅有幾個(gè)國家掌握完整鈦材加工制造工藝，當(dāng)然也包括中國。
我們研制出了大規(guī)格鈦合金鑄錠真空自耗電弧熔煉技術(shù) ，逐步解決了鑄錠常見的縮孔、高密度夾雜、低密度夾雜、成分偏析等缺陷問題。
還有大規(guī)格棒材鍛造技術(shù)，逐步實(shí)現(xiàn)了航空鈦合金直徑300mm~500mm棒材的批量化生產(chǎn)，帶動(dòng)了相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)升級(jí) 。
正因如此，目前航空裝備用鈦合金材料的國產(chǎn)化水平也在不斷提高，不少鈦合金材料填補(bǔ)了國內(nèi)空白，基本滿足了國內(nèi)高端市場對鈦材性能水平的需求。
感悟
最后再多說幾句吧。
縱觀人類的發(fā)展歷史，從舊石器時(shí)代到新石器時(shí)代，從青銅時(shí)代到鐵器時(shí)代，從單一材料到復(fù)合型材料。
毫無疑問，人類文明進(jìn)程的推進(jìn)，離不開金屬材料的助力，可以說金屬是打造先進(jìn)制造業(yè)最核心和最靈魂的推手。
而如今的鈦，以其優(yōu)異的性能，有望成為繼鐵、鋁之后崛起的“第三金屬”，可以說鈦工業(yè)發(fā)展水平已經(jīng)成為一個(gè)國家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志。
就拿飛機(jī)的制造來說吧。
普通汽車零件數(shù)目是以千為單位的，幾千個(gè)零件已經(jīng)屬于零件數(shù)目極多的機(jī)電產(chǎn)品了。而飛機(jī)的零件數(shù)目是以十萬為單位的，幾十萬零件的飛機(jī)不算復(fù)雜的，而大型商用飛機(jī)甚至零件要到百萬這一量級(jí)！
在這么多零件中，哪些需要使用鈦合金，如何制造出來并保證其穩(wěn)定性能，這背后考驗(yàn)的是各個(gè)國家的工業(yè)實(shí)力。
中國作為鈦材產(chǎn)量世界最大，又有完整鈦工業(yè)體系的國家，毫無疑問是處于世界領(lǐng)跑地位的。
比如國產(chǎn)大飛機(jī)C919的成功試飛，能使中國民航不再依賴于從歐美進(jìn)口波音和空客的中層干線客機(jī)，打破歐美航空巨頭壟斷，為國家節(jié)省大量外匯。
但同時(shí)我們并沒有就此止步，在航空領(lǐng)域，還有更多的世界級(jí)難題等著我們?nèi)ヌ魬?zhàn)！
【國產(chǎn)C919大飛機(jī)鈦合金用量達(dá)9%！超過美國波音777】本文到此結(jié)束，希望對大家有所幫助。