无论是在知乎还是在b站,只要是涉及歼20的评论区,我们很难不看见类似的言论。
虽然这是无稽之谈(歼20的具体的复合材料占比还有钛合金占比除了业内人士,没有人知道),但其中的一些观点,还是值得我们去探讨的。
这次,我们就从这位小朋友的核心观点,钛合金占比大就代表这先进入手,就让我们来看看,钛合金占比多,到底意不意味着先进
①钛合金的优势
既然谈到钛合金,那么就不得不谈谈钛合金作为飞机用料到底有什么优势。
在钛合金诞生之前,用于航空工业的材料一般以钢材和铝材为主,就以当初使用量更大的钢材为例子,钛合金比钢材密度要小大约百分之40左右,但强度却和钢材相当,甚至要更胜一筹。同时,钛合金的耐热性,耐蚀性,弹性,抗弹性与加工成型特性更是远超钢材。由此可见,钛合金对钢材与铝材,优势在钛合金
②钛合金类型
钛合金的种类主要由此类钛合金中所加入的合金元素,相体结构来决定
按相体结果划分,钛合金可分为:密排六方结构(HCP)的α型钛合金(国内牌号为TA),两相混合的α+β型钛合金(国内牌号为TC)和体心立方结构(BCC)的β型钛合金(国内牌号为TB)
由于篇幅有限,笔者便跳过α型钛合金和β型钛合金,着重介绍本篇文章的两位主角,歼20和f22所使用的α+β型钛合金
顾名思义,α+β型钛合金的结构是α型钛合金的密排六方结构与β型钛合金的体心立方结构的两相混合而成,因此与其他钛合金相比,α+β合金中同时加入α稳定元素和β稳定元素。既具有α型钛合金中依靠铝的固熔化强化作用避免因过量铝元素引起的合金脆化,在增加合金的抗拉和蠕变强度,减小钛合金的密度,提高比强度和耐热强度的同时,不会因为合金脆化而失去良好的热稳定性的特性,又具有β型钛合金中依靠稳定元素提高合金的强度,降低断裂韧性的特性。因此α+β合金具有优良的综合性能,如其室温强度高于α合金的,热加工工艺性能良好,可以进行热处理强化。这也是大多数航空结构件用其作为材料的原因。
在以相体结构为标准划分类型后,还可以以损伤容限为标准继续细分类型
如tc4钛合金与tc4-dt钛合金。前者为传统钛合金,后者为损伤容限钛合金,并通过将主要杂质间隙元素O含量控制在百分之0.13之内和将C元素含量控制在百分之0.08之内,在小幅度降低材料抗拉强度的同时,大幅度提升材料的断裂韧性,降低了裂纹扩展速率。
③TC4-DT与Ti-6Al-4v ELI
tc4-dt与Ti-6Al-4v ELI这两个牌号的钛合金作为歼20与f22主要使用的钛合金之一,自然是本篇文章的重点之一
二者都是α+β型钛合金,且同为中等强度高损伤容限钛合金。
更重要的是,二者的成分基本相同,都由余量的Ti,百分之0.05左右的N,百分之0.08左右的C,百分之0.015左右H),百分之0.4左右的铁Fe,百分之0.13左右的O),百分之5.5-6.75左右的Al,百分之3.5-4.5左右的钒V组成
但即便如此钛合金之间的对比并不是一件容易的事,因为环境温度、钛合金厚度、长度、弯度等条件都会对钛合金性能产生影响。
笔者这里缺少在同样的变量下tc4-dt与Ti-6Al-4v ELI进行测试对比的数据,只能从论文中得出模棱两可的结论,那就是tc4-dt与Ti-6Al-4v ELI性能基本一致
以下是tc4-dt的一些性能数据,可以作为参考
④tc21与Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo(以下简称Ti-6-22-22s)
tc21与ti-6-22-22s作为歼20与f22使用的另外一款钛合金,自然也是本篇文章的主角之一。
和tc-4dt与Ti-6Al-4v ELI一样,二者同为α+β型钛合金,且同为高强度损伤容限性钛合金。
但与前两者不一样的地方是,tc21与ti-6-22-22s的成分不尽相同
ti-6-22-22s由Sn、Zr、Cr、Mo元素组成,而tc21与ti-6-22-22s相比较,在加入以上四种元素的基础上,额外添加了Nb元素。
而正是这额外添加的Nb元素,最终使得tc21各项性能优于同样是高强度损伤容限钛合金的ti-6-22-22s,尤其是真空电子束焊接性能
幸运的是,笔者虽然没有tc4-dt与Ti-6Al-4v ELI相同条件下的性能对比,但是有tc21与ti-6-22-22s相同条件下的性能对比
以下是tc21以ti-6-22-22s的性能对比和真空电子束焊接性能对比
从图中可以看出tc21的绝大部分数据均优于ti-6-22-22s,tc21虽然在高强方面略逊色一筹(因为ti-6-22-22s是以损伤韧性和拉伸性能等为代价换取更高的强度),但也达到了Rm≥1100MPa,而在高韧和拉伸度方面要则要远优于ti-6-22-22s,尤其高韧一项性能达到了KC≥85MPa·m
这是已经是非常优秀的数据了
这也说明了,我国的钛合金制备水平并不比美国差,甚至在高强度损伤容限钛合金方面,还略胜一筹
⑤歼20与f22的钛合金占比
很多时候,某项技术被吹嘘的神乎其神,和f22脱不了关系,钛合金占比越多越先进的言论的出现,很大程度上就和f22那高达百分之40的钛合金占比有关
百分之40的钛合金占比,这在战斗机中,可谓是前无古人,后估计也不会有来者,可谓是一枝独秀。
而从上面两张图中可以看出,f22的钛合金占比确实非常的夸张,无论是差不多接近百分之50恐怖数据,还是几乎遍布全机身的钛合金构件,都在说明这f22是目前钛合金占比最大的战斗机这个事实。
但钛合金占比大,真的就代表着先进吗?
很遗憾,答案并非如此,上面两幅图在告诉我们f22是目前钛合金占比最大的战斗机这个事实的同时,也告诉了我们,f22这百分之40的钛合金中,百分之37都是的ti-64钛合金,而这百分之37的ti6钛合金中竟然还不全是损伤容限型钛合金,其中百分之28是中等强度高损伤容限的Ti-6Al-4v ELI,剩下的竟然是传统的的ti-64钛合金,而作为高强度损伤容限的ti-6-22--22s却只有可怜的百分之2.7,仅仅是在前梁和发动机支架上用了一点点
反观歼20
在机身承受力整体框,鸭翼,机翼和焊接构件等都采用和Ti-6Al-4v ELI一样同为中等强度高损伤容限的钛合金(且大多采用整体锻件,焊接件采用ebw焊接法),但却没有像f22那样在翼梁,机翼组件和焊接构件部分用传统的tc4滥竽充数。
至于高强度损伤容限钛合金的用量,那更是只占比百分之3的f22不知道高到哪里去了
f22只将ti-6-22-22s应用在了翼梁,尾部接头,平尾铰轴和发动机支架上
而歼20不仅将tc21用在了尾部接头上,还用在了机身接头上,除此之外,翼梁,全动尾翼转轴上,全动尾翼转轴梁和发动机框架上,也应用了tc21钛合金。
其中最重要的是发动机框架,因为发动机框架可是一个大构件,光是发动机框架,就让tc21的占比远超ti-6-22-22的百分2.7
或许从总体的占比上看,因为传统ti-64钛合金的存在,歼20的钛合金占比并不如f22占比大,但是在损伤容限钛合金的应用方面,论文中给出的资料来看,歼20明显略胜一筹。在这种情况下,f22的用材还能说比歼20先进吗?钛合金占比越多飞机越先进这种说法,还能站得住脚吗?
能证明钛合金用料和飞机先进程度成正比是谬论的,除了歼20之外,还有f35。
比f22更加先进的f35,钛合金占比又有多少呢?
答案是百分之20,只有f22的一半。
甚至就连f22自身,都能证明这是谬论
从图中我们可以得知,最初设计的f22,钛合金占比甚至不到百分之20,之后的yf22验证机占比也只有百分之24。至此,钛合金占比越多飞机越先进的言论自然也就不攻自破。
可为什么在渡国yf22这一阶段后,f22的钛合金占比会猛涨到百分之40呢?这就要留到下一篇文章,复材篇了。