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，鈦讓人類耗費了漫長的時間，但一經(jīng)面世就立刻在飛機制造業(yè)找到了用武之地。

    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，但其比強度（強度 / 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，并進行相應(yīng)的熱處理，可以強化其使用性能。

    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)也使得對其進行熔煉、機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

    從“空中金屬”到“多棲明星”

    自萊特兄弟發(fā)明飛機以來，如何盡量減輕機體重量又不會降低結(jié)構(gòu)強度一直就是航空業(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機身上的高溫部位，以及在發(fā)動機中取代部分鋼制部件，可減重超過 30%，有利于提高推重比。隨著飛機上使用的復(fù)合材料越來越多，鈦合金不僅在強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)高的疲勞強度和抗腐蝕性，可以滿足飛機和發(fā)動機在可靠性和使用壽命上越來越高的要求。

號稱“全鈦飛機”的SR-71偵察機

    1949 年美國道格拉斯飛機公司采購了第一批用于制造飛機的鈦，主要用在DC-7 運輸機的發(fā)動機艙和隔熱板上，同時期北美航空的 F-100 戰(zhàn)斗機也開始使用鈦材料。洛克希德公司在研制 SR-71“黑鳥”高空戰(zhàn)略偵察機時，由于設(shè)計指標(biāo)要求最高時速是音速的 3 倍，此時機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，達到飛機結(jié)構(gòu)總重量的 93%，號稱“全鈦飛機”。到目前為止還沒有其它飛機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對鈦及其合金的需求仍居高不下。鈦不僅用在機體結(jié)構(gòu)和發(fā)動機上，象 A-10、蘇 -25 等對地攻擊機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)時的防護能力。

    美國在研制第四代戰(zhàn)機 F-22“猛禽”時，原型機 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)合材料制造的機翼翼梁對 30 毫米炮彈的抗打擊效果不理想，導(dǎo)致飛機生存能力降低，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)，鈦合金用量占到機翼結(jié)構(gòu)重量的 47%。F-22 的機身上也采用了大量的鈦合金部件，包括機艙整體隔框、機身側(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 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 大型運輸機上有 70% 的緊固件為鈦合金，可直接減重 1t，同時強度提高相應(yīng)減小了蒙皮和加固件的厚度，帶來結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化使機身又可減重 3.5t。

    出于經(jīng)濟成本的考慮，在性能要求相對較低的民用飛機上鈦合金的使用比例沒有軍用飛機那么高，但同樣呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢。而且用于載客運輸?shù)拿裼蔑w機在總重量上通常要比軍用飛機大得多，因此每架飛機所消耗掉的鈦原材料在絕對量上也是相當(dāng)可觀的（參見表2）。以波音公司的系列干線客機為例，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。

    在航空噴氣發(fā)動機所用的材料中，鈦占據(jù)的比例更高，尤其是壓氣機部分，鈦合金多用于制造壓氣機盤、葉片、機匣和涵道等部件。早期美國 F-4戰(zhàn)斗機所用的 J79 發(fā)動機中鈦用量只有50kg，還不到總重量的 2%。目前大多數(shù)發(fā)動機的鈦用量已經(jīng)增長到占總重量的 25 ～ 30%，如波音 747、767 客機上的 JT9D 發(fā)動機鈦用量為 25%，C-5A軍用運輸機上的 TF39 發(fā)動機鈦用量為27%。而新型發(fā)動機的鈦用量已經(jīng)突破了 30% 大關(guān)，如在空中客車 A320 的V2500 發(fā)動機上為 3l%、在 F-22 戰(zhàn)斗機的 F119 發(fā)動機上為 40%。要是按所制成的零部件在發(fā)動機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。

F-22的F119發(fā)動機在壓氣機、燃燒室和尾噴管等處都用到了鈦合金

    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。航天飛機的機翼前部要承受 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。研究中的 NASP 空天飛機也計劃采用以碳化硅增強的鈦合金復(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。

    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)動機部件。以鉬、釩、鉻等為主要添加元素的 β 型鈦合金則在強度和韌性上更出色，抗疲勞性也很好，有利于大幅降低飛機重量，但耐熱性不高，可用于飛機內(nèi)部框架、緊固件、起落架和直升機的旋翼組件等。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，既可以用在機身和機翼上，也可以用在發(fā)動機部件中。

    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)動機的要求；在 β 型鈦合金基礎(chǔ)上不斷提高拉伸強度、斷裂韌性和抗疲勞性能，用高強高韌鈦合金取代合金鋼制造承力梁、起落架、直升機主槳轂等重要部件；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)動機的高壓壓氣機、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，降低飛機重要部位的裂紋擴展速度，延長使用壽命；大力發(fā)展具有高比強度和耐熱耐腐蝕性、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)雜的飛機整體構(gòu)件，有效減少成品重量和生產(chǎn)周期。

波音777的起落架采用鈦合金承力件提高了耐用性。

    我 國 鈦 資 源 蘊 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 殲擊機上用到的鈦部件只有 9kg，后來的殲 -8 白天型殲擊機的鈦部件增至60kg，到 1980 年代使殲 -8 Ⅱ的鈦用量達到 93kg，但也只占結(jié)構(gòu)總重量的2%。在航空發(fā)動機方面，為殲 -7、殲 -8 系列配套的渦噴 -13 發(fā)動機鈦用量為 13％，渦噴 -14“昆侖”發(fā)動機為 15%，與國外同期先進水平都有著不小的差距。自上世紀(jì)末以來，我國科研機構(gòu)積極開展對高溫鈦合金、高強高韌鈦合金、阻燃鈦合金和顆粒增強鈦基復(fù)合材料以及重點型號機體用鈦合金的研制。第三代戰(zhàn)機上的鈦用量已上升到 15%，下一代高性能戰(zhàn)機有望達到30%，而渦扇 -10“太行”發(fā)動機的鈦用量也增至 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?20%。隨著國產(chǎn)大飛機和新型戰(zhàn)機項目的推進，我國航空市場進入了快速發(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。