大飞机减重

当年我们研制国产大飞机C919时，遇到一个难题就是如何给飞机减重。

为啥要减重？

飞机的制造可以说是很复杂的工程。

你可以理解就像咱们盖房子一样，如何高效地把钢筋水泥组合起来，然后怎么装修房子内部布局，同时还想把整个家弄得更加安全舒适，是要动很多脑筋才行。

如果单纯地考虑安全性，飞机的结构就会设计得粗壮，导致结构重量增加，油耗上升，经济性就会下降。而如果单纯考虑舒适性，提高客舱的压力和湿度，又会降低使用寿命，腐蚀问题又会突出。

所以在设计C9191大飞机时，既要保证安全的同时也要帮飞机减重，为飞机减重还意味着能够节省一大笔费用，这对于航空公司来说也是非常重要的事情。

我国科研人员在尝试了多种材料后，最终选择钛合金来实现减重目的，效果也是非常显著的。

比如在发动机的叶片里面使用国产钛铝合金，不仅成本低，并且同强度下重量更轻，更重要的是耐高温性能也不差！

钛介绍

值得一提的是，中国的海绵钛和钛材的产量，已经稳如世界第一，而且是好多年了。

什么是海绵钛和钛材？

钛材是指海绵钛（或海绵钛加合金元素）经熔炼形成钛铸锭，再经锻造、轧制、挤压等塑性加工方法将铸锭加工而成的。

也就是说海绵钛是原材料，钛材是深加工产品。

而钛材就包括钛合金，它是将钛为基础，融入铝、锡、钒、钼、铌等其他元素或者材料所构成的复合金属。

在全球市场中，钛合金材料主要应用于航空工业、国防军工以及其他工业。其中，在航空工业的应用需求最大，约占50%，主要是用于飞机和发动机的制造。

相比航空航天其他材料，钛及钛合金因密度小，强度高，能够显著减轻结构重量，从而提高作战性能，在节省燃油耗量，降低废气排量等方面具有不可替代的作用。

可以说钛用量的多少，已成为衡量当代飞机制造先进性的重要标志。

钛发展过程

回顾钛工业在全球的发展，要追溯到上个世纪50年代。

1953年，美国道格拉斯公司出产的DC-T机发动机防火壁和短舱上首次使用钛材，开始钛合金应用于航空的历史。

该时期，在军用飞机上使用工业纯钛制造后机身隔热板、导风罩、机尾罩等为数不多的非承力构件，钛合金长时间最高工作温度为350-350℃。

上世纪60年代，钛合金逐步代替结构钢，应用到飞机襟翼滑轧、承力隔框、中翼盒形梁、起落架梁等承力结构件上，之后研制开发的钛合金最高工作温度提高到了400℃-500℃。

上世纪70年代，钛合金在飞机结构上的应用，又从战斗机扩大到军用大型轰炸机和运输机，民用飞机也开始使用钛合金。

比如当年，美国波音787飞机研制的过程中，为达到减重2500千克的目标，波音公司不得不在2006—2007年期间再投入3亿美元经费，研究在飞机某些部位用钛合金取代铝合金以解决超重问题，否则不能兑现减少燃油消耗20%的关键性承诺。

最终波音787机体钛合金用量达15%，创下民用客机机体钛合金用量最高记录。

当然了，这些年中国在一些飞机机体结构中的钛合金用量也在不断提高。

比如我国商用支线客机ARJ21的钛合金用量为4.8%，商用干线客机C919的钛合金用量为9.3%，与波音777相比略高，波音777为7%到8%。

中国运输机运20，钛合金用量为10%，而美国的C-17运输机钛合金用量为10.3%，可以说两者差不多的。

钛加工难点

钛合金这玩意好是好，但它的加工技术是比较难的。

这里面包括多个环节，涉足材料、装备、工艺控制等多个因素，具有较高技术、资金、装备等壁垒。

举个例子吧，大多数钛合金的热导率很低，只有钢的1/7，铝的1/16。

这会带来什么问题呢？

比如在加工过程中产生的热量不会迅速传递给工件，而是集聚在切削区域，一方面会使刀具迅速磨损，缩短刀具的寿命，另一方面会破坏零件的表面完整性，导致零件几何精度下降和出现加工硬化现象。

尤其是航空航天、兵器等高端钛材，对产品质量的要求更加苛刻，一般需要多次的塑性加工，如何保证质量的均一稳定实现工业化量产在全球都是一项技术挑战。

目前全球仅有几个国家掌握完整钛材加工制造工艺，当然也包括中国。

我们研制出了大规格钛合金铸锭真空自耗电弧熔炼技术，逐步解决了铸锭常见的缩孔、高密度夹杂、低密度夹杂、成分偏析等缺陷问题。

还有大规格棒材锻造技术，逐步实现了航空钛合金直径300mm~500mm棒材的批量化生产，带动了相关技术标准升级。

正因如此，目前航空装备用钛合金材料的国产化水平也在不断提高，不少钛合金材料填补了国内空白，基本满足了国内高端市场对钛材性能水平的需求。

感悟

最后再多说几句吧。

纵观人类的发展历史，从旧石器时代到新石器时代，从青铜时代到铁器时代，从单一材料到复合型材料。

毫无疑问，人类文明进程的推进，离不开金属材料的助力，可以说金属是打造先进制造业最核心和最灵魂的推手。

而如今的钛，以其优异的性能，有望成为继铁、铝之后崛起的第三金属，可以说钛工业发展水平已经成为一个国家综合实力的重要标志。

就拿飞机的制造来说吧。

普通汽车零件数目是以千为单位的，几千个零件已经属于零件数目极多的机电产品了。而飞机的零件数目是以十万为单位的，几十万零件的飞机不算复杂的，而大型商用飞机甚至零件要到百万这一量级！

在这么多零件中，哪些需要使用钛合金，如何制造出来并保证其稳定性能，这背后考验的是各个国家的工业实力。

中国作为钛材产量世界最大，又有完整钛工业体系的国家，毫无疑问是处于世界领跑地位的。

比如国产大飞机C919的成功试飞，能使中国民航不再依赖于从欧美进口波音和空客的中层干线客机，打破欧美航空巨头垄断，为国家节省大量外汇。

但同时我们并没有就此止步，在航空领域，还有更多的世界级难题等着我们去挑战！