鈦金屬眼鏡架、鈦質(zhì)高爾夫球桿頭、鈦合金人造關(guān)節(jié)……還有號稱具有防輻射和保健作用的“鈦環(huán)”，以及電影《鋼鐵俠》中幾乎堅不可摧的鈦盔甲，鈦這種一度高不可攀的稀罕物已經(jīng)越來越頻繁地出現(xiàn)在我們的生活當(dāng)中。而從發(fā)現(xiàn)到提煉，鈦讓人類耗費(fèi)了漫長的時間，但一經(jīng)面世就立刻在飛機(jī)制造業(yè)找到了用武之地。

　　一、身價不菲的“大力神”

　　早在1791年，英國礦物學(xué)家威廉?格雷戈爾就首次發(fā)現(xiàn)了鈦元素的存在。4年后，德國化學(xué)家馬丁?克拉普羅特從礦石中分解出氧化鈦，但要進(jìn)一步提純卻很困難，因此他想到以希臘神話中被禁錮在地層內(nèi)的大力神泰坦(Titans)來命名這種新元素，稱之為Titanium，在元素周期表中就用Ti來表示。直到20世紀(jì)初，西方工業(yè)界通過化學(xué)還原法終于獲取到純度在99%以上的金屬鈦，二戰(zhàn)后才實現(xiàn)了鈦及其制品的商業(yè)化生產(chǎn)。

　　由于很晚才進(jìn)入實用階段，剛開始應(yīng)用面也不廣，鈦經(jīng)常被認(rèn)為屬于稀有金屬。其實，鈦在地球上的蘊(yùn)藏量可不少，約占地殼總量的0.63%，僅次于鋁、鐵、鎂，在結(jié)構(gòu)金屬元素中排第四，比常見的銅、鋅、鎳等加起來還要多，如我國西南的攀枝花-西昌地區(qū)就有儲量豐富的含鈦礦藏。只是自然界中的鈦礦成分復(fù)雜，要提煉出純鈦相當(dāng)麻煩，難怪會被當(dāng)作“此物世間稀”了。

　　銀白色的鈦密度為4.5g/cm3，比鋼材和高溫合金輕得多，與鋁和鎂等并稱為輕金屬，但其比強(qiáng)度（強(qiáng)度/密度）明顯高于其它材料，可謂名副其實的“大力神”。鈦的熔點超過1600℃，使用溫度范圍從-269℃至600℃，而且不帶磁性，在大氣和海水中還具有良好的抗腐蝕性。以鈦為基礎(chǔ)，適量地加入一種或多種其它元素構(gòu)成鈦合金，并進(jìn)行相應(yīng)的熱處理，可以強(qiáng)化其使用性能。正因為這些顯著的優(yōu)點以及帶來的廣闊前景，鈦在工業(yè)界就被列為繼鐵和鋁之后的“第三金屬”。不過鈦的特殊性質(zhì)也使得對其進(jìn)行熔煉、機(jī)械加工和熱處理時都需要嚴(yán)格的條件和復(fù)雜的工藝設(shè)備，生產(chǎn)成本一直偏高。目前，從礦石中提煉出來作為工業(yè)原料的海綿鈦市場價就要10美元/kg左右，加工成型材乃至鈦合金制品就更為昂貴了。

銀光閃閃的高純度鈦金屬棒

　　二、從“空中金屬”到“多棲明星”

　　自萊特兄弟發(fā)明飛機(jī)以來，如何盡量減輕機(jī)體重量又不會降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度一直就是航空業(yè)要優(yōu)先解決的難題之一。當(dāng)集鋼的強(qiáng)度高和鋁的質(zhì)地輕于一身的鈦投入批量生產(chǎn)后，自然讓“斤斤計較”的飛機(jī)設(shè)計師們?nèi)绔@至寶，幾乎包下了早期所有的鈦產(chǎn)品，鈦因而又被捧為“空中金屬”。在實際應(yīng)用中，除了能夠大幅減輕內(nèi)部結(jié)構(gòu)重量外，鈦合金還能取代耐熱性較差的鋁合金用在飛機(jī)機(jī)身上的高溫部位，以及在發(fā)動機(jī)中取代部分鋼制部件，可減重超過30%，有利于提高推重比。隨著飛機(jī)上使用的復(fù)合材料越來越多，鈦合金不僅在強(qiáng)度和剛度上有較好的匹配性，而且兩者之間不易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，因此相應(yīng)部位的結(jié)構(gòu)件和緊固件多配以鈦合金。此外，鈦合金具有相當(dāng)高的疲勞強(qiáng)度和抗腐蝕性，可以滿足飛機(jī)和發(fā)動機(jī)在可靠性和使用壽命上越來越高的要求。

　　1949年美國道格拉斯飛機(jī)公司采購了第一批用于制造飛機(jī)的鈦，主要用在DC-7運(yùn)輸機(jī)的發(fā)動機(jī)艙和隔熱板上，同時期北美航空的F-100戰(zhàn)斗機(jī)也開始使用鈦材料。洛克希德公司在研制SR-71“黑鳥”高空戰(zhàn)略偵察機(jī)時，由于設(shè)計指標(biāo)要求最高時速是音速的3倍，此時機(jī)體表面溫度將超過常用鋁制蒙皮的承受極限，換成鋼材又會大大增加重量，影響到飛行速度和升限等性能參數(shù)，因此必須大量使用鈦合金。結(jié)果每架SR-71上用到的鈦有30t，達(dá)到飛機(jī)結(jié)構(gòu)總重量的93%，號稱“全鈦飛機(jī)”。到目前為止還沒有其它飛機(jī)能夠打破這一用鈦比例紀(jì)錄，然而追求高性能的軍用飛機(jī)對鈦及其合金的需求仍居高不下。鈦不僅用在機(jī)體結(jié)構(gòu)和發(fā)動機(jī)上，象A-10、蘇-25等對地攻擊機(jī)還在飛行員座艙兩側(cè)加裝了鈦合金裝甲，以提高低空作戰(zhàn)時的防護(hù)能力

號稱“全鈦飛機(jī)”的SR-71偵察機(jī)。

　　美國在研制第四代戰(zhàn)機(jī)F-22“猛禽”時，原型機(jī)YF-22上的鈦合金結(jié)構(gòu)比重只有24%。然而在實彈射擊測試時發(fā)現(xiàn)，原本全部采用復(fù)合材料制造的機(jī)翼翼梁對30毫米炮彈的抗打擊效果不理想，導(dǎo)致飛機(jī)生存能力降低，后來改成鈦合金主翼梁加復(fù)合材料輔助梁的混合結(jié)構(gòu)，鈦合金用量占到機(jī)翼結(jié)構(gòu)重量的47%。F-22的機(jī)身上也采用了大量的鈦合金部件，包括機(jī)艙整體隔框、機(jī)身側(cè)壁板、操縱支架、平尾后梁和液壓管路系統(tǒng)等，其中后機(jī)身的鈦合金用量占到該處結(jié)構(gòu)重量的55%。最終F-22上的鈦合金結(jié)構(gòu)比重高達(dá)41%，超過了復(fù)合材料的24%、鋁合金的15%和鋼的5%，所配套的F119發(fā)動機(jī)內(nèi)部及其噴管等處也使用到鈦合金和鈦基復(fù)合材料，鈦又一次在整機(jī)制造材料中坐上了頭把交椅。而螺栓、鉚釘?shù)染o固件看著雖小，但需要量很大，換成鈦合金也能減輕不少重量。如C-5A大型運(yùn)輸機(jī)上有70%的緊固件為鈦合金，可直接減重1t，同時強(qiáng)度提高相應(yīng)減小了蒙皮和加固件的厚度，帶來結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化使機(jī)身又可減重3.5t。

　　出于經(jīng)濟(jì)成本的考慮，在性能要求相對較低的民用飛機(jī)上鈦合金的使用比例沒有軍用飛機(jī)那么高，但同樣呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢。而且用于載客運(yùn)輸?shù)拿裼蔑w機(jī)在總重量上通常要比軍用飛機(jī)大得多，因此每架飛機(jī)所消耗掉的鈦原材料在絕對量上也是相當(dāng)可觀的。以波音公司的系列干線客機(jī)為例，早期B707的鈦部件用量僅占結(jié)構(gòu)總重量的0.2%，而在最新的B787上已經(jīng)達(dá)到15%，除了用于耐高溫和耐腐蝕部位外，還因為B787上有50%是復(fù)合材料而相應(yīng)采用了大量鈦合金連接件和緊固件

F-22的F119發(fā)動機(jī)在壓氣機(jī)、燃燒室和尾噴管等處都用到了鈦合金。

　　在航空噴氣發(fā)動機(jī)所用的材料中，鈦占據(jù)的比例更高，尤其是壓氣機(jī)部分，鈦合金多用于制造壓氣機(jī)盤、葉片、機(jī)匣和涵道等部件。早期美國F-4戰(zhàn)斗機(jī)所用的J79發(fā)動機(jī)中鈦用量只有50kg，還不到總重量的2%。目前大多數(shù)發(fā)動機(jī)的鈦用量已經(jīng)增長到占總重量的25～30%，如波音747、767客機(jī)上的JT9D發(fā)動機(jī)鈦用量為25%，C-5A軍用運(yùn)輸機(jī)上的TF39發(fā)動機(jī)鈦用量為27%。而新型發(fā)動機(jī)的鈦用量已經(jīng)突破了30%大關(guān)，如在空中客車A320的V2500發(fā)動機(jī)上為3l%、在F-22戰(zhàn)斗機(jī)的F119發(fā)動機(jī)上為40%。要是按所制成的零部件在發(fā)動機(jī)中所占體積來比較的話，鈦合金已經(jīng)超過鎳合金和鋼的總和，同樣位居第一。

　　對于要克服地心引力沖出大氣層的航天器來說，減輕自身重量、提高有效載荷和耐熱性的要求更為突出，鈦合金也就有了大顯身手的機(jī)會。美國在“雙子星”載人航天計劃和“阿波羅”載人登月計劃中都用到了鈦合金，主要用于制造固體燃料容器、火箭發(fā)動機(jī)部件、登月艙、各種接合器和緊固件等，對減輕結(jié)構(gòu)重量和降低疲勞破壞有明顯效果。航天飛機(jī)的機(jī)翼前部要承受500℃的高溫，用鈦合金取代耐熱合金不僅能滿足使用要求，還可減少40%的重量。在航天飛機(jī)的后部還裝有鈦合金推力結(jié)構(gòu)架，用于支撐提供推力的3臺發(fā)動機(jī)。研究中的NASP空天飛機(jī)也計劃采用以碳化硅增強(qiáng)的鈦合金復(fù)合材料，作為外蒙皮和內(nèi)部結(jié)構(gòu)用材，能經(jīng)受超高速飛行時的空氣沖擊和高熱環(huán)境。

　　隨著鈦資源的大量開采、鈦制品產(chǎn)量的提高和成本的相對下降，鈦在其它領(lǐng)域也越來越受歡迎。在坦克和作戰(zhàn)車輛上用低成本的鈦合金代替笨重的軋制裝甲鋼板可以提高機(jī)動性，制成各種火炮和導(dǎo)彈中的部件也起到減重和耐腐蝕的作用，潛艇和水面艦艇的船體及推進(jìn)器采用鈦合金則大大延長了使用壽命。在民用行業(yè)，從冶金、化工、能源等重工業(yè)到建筑、汽車、醫(yī)療、體育甚至是時尚消費(fèi)品，鈦的應(yīng)用也令人矚目，成為耀眼的“多棲明星”。不過，航空航天部門仍然是最重要的用鈦大戶，美國航空航天工業(yè)的鈦需求量占到全美鈦需求總量的70%以上，在歐洲和俄羅斯也占到60%左右。

未來的空天飛機(jī)對鈦合金提出了更高的要求

　　三、鈦合金的種類與發(fā)展

　　鈦的內(nèi)部顯微組織在常溫下為密排六方結(jié)構(gòu)即α相，在高溫下轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方結(jié)構(gòu)即β相，添加不同的元素并進(jìn)行熱處理就可以獲得不同性質(zhì)的鈦合金。工業(yè)純鈦含有少量雜質(zhì)，多用于制造工作溫度在350℃以下的一般構(gòu)件，如飛機(jī)蒙皮和隔熱板、航天器的低溫容器等。以鋁、錫、鋯等為主要添加元素的α型鈦合金具有較好的熱穩(wěn)定性和抗氧化性，便于焊接，適合制成飛機(jī)上受力不大的板材或管材結(jié)構(gòu)件，以及在500℃下長期工作的發(fā)動機(jī)部件。以鉬、釩、鉻等為主要添加元素的β型鈦合金則在強(qiáng)度和韌性上更出色，抗疲勞性也很好，有利于大幅降低飛機(jī)重量，但耐熱性不高，可用于飛機(jī)內(nèi)部框架、緊固件、起落架和直升機(jī)的旋翼組件等。同時加入兩類穩(wěn)定元素的αβ型鈦合金具有良好的綜合力學(xué)性能，也容易加工成型，因此應(yīng)用得最為廣泛。其中典型牌號Ti-6Al-4V（我國對應(yīng)牌號為TC4）就占了鈦合金使用量的一半以上，既可以用在機(jī)身和機(jī)翼上，也可以用在發(fā)動機(jī)部件中。

　　面世半個多世紀(jì)后，鈦合金在發(fā)展上也遇到了一些瓶頸，阻礙了進(jìn)一步的應(yīng)用。對此，各國都在加緊研究更“給力”的鈦合金和生產(chǎn)技術(shù)，爭取在高用量、高性能和低成本方面取得新的突破。研究方向主要有：以α型鈦合金為基礎(chǔ)，通過精確控制強(qiáng)化元素的含量、快速凝固-粉末冶金技術(shù)等手段發(fā)展高溫鈦合金，將工作溫度提高到600℃甚至800℃以上，以適應(yīng)大推重比發(fā)動機(jī)的要求；在β型鈦合金基礎(chǔ)上不斷提高拉伸強(qiáng)度、斷裂韌性和抗疲勞性能，用高強(qiáng)高韌鈦合金取代合金鋼制造承力梁、起落架、直升機(jī)主槳轂等重要部件；常用鈦合金在高溫高壓下容易發(fā)生失效燃燒，因此需要研究帶有特殊涂層的阻燃鈦合金，用在發(fā)動機(jī)的高壓壓氣機(jī)、葉片和矢量尾噴管等處；采用韌性更好的高損傷容限鈦合金，降低飛機(jī)重要部位的裂紋擴(kuò)展速度，延長使用壽命；大力發(fā)展具有高比強(qiáng)度和耐熱耐腐蝕性、又容易加工的鈦基復(fù)合材料，取代較為昂貴的鈦合金。在加工技術(shù)上，除了改進(jìn)鑄造、焊接、熱處理等傳統(tǒng)工藝，還引入超塑成形、激光成形等新技術(shù)制造復(fù)雜的飛機(jī)整體構(gòu)件，有效減少成品重量和生產(chǎn)周期。

　　我國鈦資源蘊(yùn)藏豐富，在1956年就建立起鈦合金實驗室，對鈦的研究和應(yīng)用從仿制起步逐漸走向自主創(chuàng)新，形成了有自己特色的航空鈦合金材料體系。196O年代投產(chǎn)的殲-7殲擊機(jī)上用到的鈦部件只有9kg，后來的殲-8白天型殲擊機(jī)的鈦部件增至60kg，到1980年代使殲-8Ⅱ的鈦用量達(dá)到93kg，但也只占結(jié)構(gòu)總重量的2%。在航空發(fā)動機(jī)方面，為殲-7、殲-8系列配套的渦噴-13發(fā)動機(jī)鈦用量為13％，渦噴-14“昆侖”發(fā)動機(jī)為15%，與國外同期先進(jìn)水平都有著不小的差距。自上世紀(jì)末以來，我國科研機(jī)構(gòu)積極開展對高溫鈦合金、高強(qiáng)高韌鈦合金、阻燃鈦合金和顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料以及重點型號機(jī)體用鈦合金的研制。第三代戰(zhàn)機(jī)上的鈦用量已上升到15%，下一代高性能戰(zhàn)機(jī)有望達(dá)到30%，而渦扇-10“太行”發(fā)動機(jī)的鈦用量也增至25%左右。我國雖然已是產(chǎn)鈦大國，但目前航空航天領(lǐng)域?qū)︹伒氖褂昧可胁坏娇偭康?0%。隨著國產(chǎn)大飛機(jī)和新型戰(zhàn)機(jī)項目的推進(jìn)，我國航空市場進(jìn)入了快速發(fā)展階段，預(yù)計對鈦材的需求量將以每年15～20%的速度增長，將加快我國鈦合金的加工技術(shù)和應(yīng)用水平的提高。

波音777的起落架采用鈦合金承力件提高了耐用性