俄罗斯最新型的图160M轰炸机在2022年1月12号首飞成功。图160轰炸机是变后掠翼轰炸机,也是世界上最大的轰炸机,满载起飞重量270吨。
变后掠翼飞机是地球上唯一能够改变物理外形的飞机。翅膀张开的时候低速性非常好,便于起飞和降落;翅膀并拢的时候阻力小,便于高空高速飞行。
让飞机翅膀打开和并拢需要一个装在主翼根部的铰链装置。
这个铰链只起转动翅膀的作用,对空气动力学的贡献是0,而且要付出很大的结构重量。
这就是变后掠翼飞机必须承受的代价。
所以,这个铰链必须用既轻又结实的材料来制造,绝对不能用钢铁来制造,也不能用铝来制造。因为钢铁太沉重,铝
前苏联的钛合金工业是全球领先的,而且这种领先一直延伸到俄罗斯,被俄罗斯继承,并且一直保持下来。
图160翼根钛合金铰链尺寸为2.1米,是世界上最大的变翼铰链。
与这个钛合金铰链相连接的是一个长度12米的机身钛合金箱梁,这些都是世界之最。
图160机身上70%的结构材料是钛,最大过载可以达到5个G。也就是说图160机身的结构可以承担自身5倍的重量不散架,所以理论上来说,这架270吨重的轰炸机可以做类似战斗机的机动动作。
▍为什么钛这么优秀?
钛这个元素在18世纪末就被发现了,但是在1910年才由美国科学家用钠还原法制取了10克纯钛。
如果一个金属要用钠来还原的话,说明是很活跃的。我们通常有讲钛这个东西很耐腐蚀,这是因为钛表面上会形成一层致密的金属氧化物保护层。
从机械性能上来说,纯钛的强度和普通钢材相当,但是它的密度只有钢的1/2多一点,同时熔点和沸点都比钢铁要高,所以钛是一种非常优秀的金属结构材料。
地球上的钛矿有两种,一种是金红石,还有一种是钛铁矿。金红石基本上是含二氧化钛90%以上的纯矿物,钛铁矿里面铁和碳的含量基本上是对半分。
目前工业上制取钛的方法是先用氯气置换二氧化钛中的氧原子,制成氯化钛,然后再用镁作为还原剂去还原钛。这样制造出来的钛呈海绵状,也叫海绵钛。
海绵钛经过两次熔炼加工以后,才能制成可供应工业使用的钛锭、钛板材。
所以,钛的含量虽然在地球上排名第九,但是加工提炼非常复杂,因此它的价格也很高。
目前,全球各国中钛资源最丰富的国家是澳大利亚,第2名是中国。除此以外,俄罗斯、印度和美国也有丰富的钛资源。
但是中国的钛矿品位不高,所以仍然需要大量进口。
▍钛工业,苏联的荣光。
1954年苏联部长会议做出创建钛工业的决定,并在1955年建成千吨级的VSMPO镁钛厂,1957年VSMPO合并AVISMA航空器材厂,成立VSMPO-AVISMA钛工业联合体,也就是著名阿维斯玛钛业。
前苏联的钛工业从建立起来就处于世界领先地位,一直到现在,由俄罗斯完整继承。
阿维斯玛钛业是目前世界上最大的,全工业流程钛合金加工体。是从原料的冶炼到成品的钛材,以及大型的钛零件制造的一体化企业。
钛硬度超过钢,但是它的导热率只有钢的1/4,铝的1/16。在切削加工的过程中,热量不容易散去,对刀具、加工设备非常不友好。
通常的情况下,通过向钛中加入其他的微量元素,制成钛合金,满足各种要求。
前苏联根据钛的特点,制成了三种不同用途的钛合金。一种是用于加工板材,一种是用于加工零部件,一种是用于加工管材。
根据不同的用途,俄罗斯的钛材分为490MPa、580MPa、680MPa、780MPa多个强度等级。目前波音公司40%的钛零件,以及空中客车公司60%以上的钛
前苏联时期,由于钛的产量大、质量好,大量
台风级核潜艇上一共用了9000吨的钛材。也只有前苏联舍得用钛来建造潜艇,甚至建造过全钛的潜艇,这就是著名的阿尔法级核潜艇。
阿尔法级核潜艇共建造了7艘,曾经创下下潜1千米,航速40节的世界纪录,至今未被打破。
钛材料非常活跃,在高温下很容易着火,所以不能用通常的方法焊接。
所有的钛材料都需要在惰性气体保护下才能焊接。前苏联建造了大型的惰性气体保护焊接舱室,但是耗电量非常大。据说,焊接一次图160的骨架,就需要消耗一个
中国蛟龙号深潜器的钛外壳,就是俄罗斯造的。
▍中国钛工业。
拥有全钛工艺流程的国家,只有中国、俄罗斯、美国和日本。这4个国家,可以完成从原料到成品的一条龙加工,但是以俄罗斯的实力最强。
从产量上来说,中国是世界上最大的海绵钛和钛板材制造国。
用传统的冷弯、车削、焊接等工艺制造大型的钛零部件,中国和世界先进水平还有差距。
但是,中国采取另外一种方法进行弯道超车,直接用3D打印技术制造零件。
目前,在3D打印钛材料这块,我国处于世界领先水平,歼20的主钛合金承重框架就是用3d钛打印。
从理论上来说,3D打印技术可以制造图160的承重结构,但是用来制造潜艇这样超大型的钛结构,可能还是需要传统工艺。