身價不菲的鈦

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　　早在1791年，英國礦物學家威廉?格雷戈爾就發(fā)現(xiàn)了鈦元素。4年后，德國化學家馬丁?克拉普羅特從礦石中分解出氧化鈦，但要對礦石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。直到20世紀初，西方工業(yè)界才通過化學還原法獲取到純度在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)。

　　鈦比鋼材和高溫合金輕得多，與鋁和鎂等并稱為輕金屬，但強度明顯高于后者。鈦的熔點超過1 600℃，使用溫度范圍從-269℃至600℃，而且不帶磁性并具有良好的抗腐蝕性。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格的條件和復雜的工藝，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高達每噸9萬元人民幣，加工成型材乃至鈦合金制品就更為昂貴了。

　　夢寐以求的空中金屬

　　自飛機發(fā)明以來，如何減輕機體重量又不降低結(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”的飛機設計師們?nèi)绔@至寶。航空制造業(yè)幾乎包下了早期所有的鈦產(chǎn)品，鈦因而又被捧為設計師夢寐以求的“空中金屬”。在實際應用中，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機身的高溫部位；取代發(fā)動機中的部分鋼制部件以減輕重量，提高推重比。另外，隨著飛機上使用的復合材料越來越多，鈦合金因其與復合材料在強度和剛度上有較好的匹配性，且兩者之間不易產(chǎn)生電化學腐蝕，而成為復合材料部件的連接件和緊固件。

　　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，同時期北美公司的F-100戰(zhàn)斗機也開始使用鈦合金。用鈦量創(chuàng)造紀錄的則要數(shù)洛克希德公司的SR-71“黑鳥”高空高速戰(zhàn)略偵察機。按照設計要求，“黑鳥”的速度要超過M數(shù)3，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)，因此只能大量使用鈦合金。結(jié)果每架SR-71上用到的鈦有30噸，達到飛機結(jié)構(gòu)總重量的93%，幾乎可謂“全鈦飛機”。到目前為止雖然還沒有其它飛機能夠打破這一用鈦比例紀錄，然而追求高性能的軍用飛機對鈦合金的需求仍居高不下。

　　美國在研制第四代戰(zhàn)機F-22時，原型機YF-22上的鈦合金結(jié)構(gòu)比重只有24%。然而在實彈射擊抗損性測試時發(fā)現(xiàn)，原本全部采用復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，導致飛機生存能力不足。后來改成鈦合金主翼梁加復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、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合材料。

　　除了大的飛機部件以外，諸如螺栓、鉚釘?shù)染o固件也由鋼制慢慢轉(zhuǎn)為鈦合金制造。這些緊固件看著雖小，但需要量很大，換成鈦合金后也能減輕不少重量。如C-5大型運輸機上有70%的緊固件為鈦合金，可直接減重1噸。

　　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在絕對量上也是相當可觀的。以波音公司的系列干線客機為例，早期波音707的鈦部件用量僅占結(jié)構(gòu)總重量的0.2%，而在最新的波音787上已經(jīng)達到15%，除了用于耐高溫和耐腐蝕部位外，還因為波音787上有50%是復合材料而相應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，諸如壓氣機盤、葉片、機匣和涵道等部件均為鈦合金制造。早期美國F-4戰(zhàn)斗機所用的J79發(fā)動機中，鈦用量只有50千克，還不到總重量的2%。而目前大多數(shù)發(fā)動機的鈦用量已經(jīng)增長到總重量的25%-30%，如波音747、波音767配備的JT9D發(fā)動機鈦的用量為25%，C-5軍用運輸機上的TF39發(fā)動機鈦的用量為27%，空中客車A320的V2500發(fā)動機鈦的用量為31%，而在F-22戰(zhàn)斗機的F119發(fā)動機上，鈦的用量更是高達40%。

　　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型，在高溫下轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方結(jié)構(gòu)――即β型，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α+β型鈦合金具有良好的綜合力學性能，也容易加工成型，因此應用得最為廣泛。

　　面世半個多世紀后，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，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，以適應大推重比發(fā)動機的要求；在β型鈦合金基礎上不斷提高拉伸強度、斷裂韌性和抗疲勞性能，用高強度高韌性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)制造復雜的飛機整體構(gòu)件，有效減少成品重量和生產(chǎn)周期。

　　我國鈦資源蘊藏豐富，在1956年就建立起鈦合金實驗室，對鈦的研究和應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。上世紀60年代投產(chǎn)的殲7殲擊機上用到的鈦部件只有9千克，后來的殲8白天型殲擊機的鈦部件增至60千克，到上世紀80年代殲8Ⅱ的鈦用量提高到93千克，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系列配套的發(fā)動機鈦用量為13%，渦噴14“昆侖”發(fā)動機為15%，但與國外同期先進水平相比還有著不小的差距。自上世紀末以來，我國科研機構(gòu)開展了對高溫鈦合金、高強高韌鈦合金、阻燃鈦合金和顆粒增強鈦基復合材料以及重點型號機體用鈦合金的研制。“太行”發(fā)動機的鈦用量已經(jīng)增至25%左右，下一代高性能戰(zhàn)機有望達到30%。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，預計對鈦合金的需求量將以每年15%－20%的速度增長，這將加快我國鈦合金的加工技術(shù)和應用水平的提高。