空中“泰坦”— 航空航天領域的鈦合金
發布時間：2021-01-30
鈦金屬眼鏡架、鈦質高爾夫球桿頭、鈦合金人造關節……還有號稱具有防輻射和保健作用的“鈦環”，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越來越頻繁地出現在我們的生活當中。而從發現到提煉，鈦讓人類耗費了漫長的時間，但一經面世就立刻在飛機制造業找到了用武之地。
身價不菲的“大力神”
早在1791年，英國礦物學家威廉?格雷戈爾就首次發現了鈦元素的存在。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世紀初，西方工業界通過化學還原法終于獲取到純度在99%以上的金屬鈦，二戰后才實現了鈦及其制品的商業化生產。
由于很晚才進入實用階段，剛開始應用面也不廣，鈦經常被認為屬于稀有金屬。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，在結構金屬元素中排第四，比常見的銅、鋅、鎳等加起來還要多，如我國西南的攀枝花-西昌地區就有儲量豐富的含鈦礦藏。只是自然界中的鈦礦成分復雜，要提煉出純鈦相當麻煩，難怪會被當作“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℃，在大氣和海水中還具有良好的抗腐蝕性。以鈦為基礎，適量地加入一種或多種其它元素構成鈦合金，并進行相應的熱處理，可以強化其使用性能。正因為這些顯著的優點以及帶來的廣闊前景，鈦在工業界就被列為繼鐵和鋁之后的“第三金屬”。不過鈦的特殊性質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設備，生產成本一直偏高。
從“空中金屬”到“多棲明星”
自萊特兄弟發明飛機以來，如何盡量減輕機體重量又不會降低結構強度一直就是航空業要優先解決的難題之一。當集鋼的強度高和鋁的質地輕于一身的鈦投入批量生產后，自然讓“斤斤計較”的飛機設計師們如獲至寶，幾乎包下了早期所有的鈦產品，鈦因而又被捧為“空中金屬”。在實際應用中，除了能夠大幅減輕內部結構重量外，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生電化學腐蝕，因此相應部位的結構件和緊固件多配以鈦合金。此外，鈦合金具有相當高的疲勞強度和抗腐蝕性，可以滿足飛機和發動機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運輸機的發動機艙和隔熱板上，同時期北美航空的F-100戰斗機也開始使用鈦材料。洛克希德公司在研制SR-71“黑鳥”高空戰略偵察機時，由于設計指標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，因此必須大量使用鈦合金。結果每架SR-71上用到的鈦有30t，達到飛機結構總重量的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。鈦不僅用在機體結構和發動機上，象A-10、蘇-25等對地攻擊機還在飛行員座艙兩側加裝了鈦合金裝甲，以提高低空作戰時的防護能力
美國在研制第四代戰機F-22“猛禽”時，原型機YF-22上的鈦合金結構比重只有24%。然而在實彈射擊測試時發現，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，導致飛機生存能力降低，后來改成鈦合金主翼梁加復合材料輔助梁的混合結構，鈦合金用量占到機翼結構重量的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、機身側壁板、操縱支架、平尾后梁和液壓管路系統等，其中后機身的鈦合金用量占到該處結構重量的55%。最終F-22上的鈦合金結構比重高達41%，超過了復合材料的24%、鋁合金的15%和鋼的5%，所配套的F119發動機內部及其噴管等處也使用到鈦合金和鈦基復合材料，鈦又一次在整機制造材料中坐上了頭把交椅。而螺栓、鉚釘等緊固件看著雖小，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，同時強度提高相應減小了蒙皮和加固件的厚度，帶來結構上的優化使機身又可減重3.5t。
出于經濟成本的考慮，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，但同樣呈現出不斷上升的趨勢。而且用于載客運輸的民用飛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可觀的。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構總重量的0.2%，而在最新的B787上已經達到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動機所用的材料中，鈦占據的比例更高，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戰斗機所用的J79發動機中鈦用量只有50kg，還不到總重量的2%。目前大多數發動機的鈦用量已經增長到占總重量的25～30%，如波音747、767客機上的JT9D發動機鈦用量為25%，C-5A軍用運輸機上的TF39發動機鈦用量為27%。而新型發動機的鈦用量已經突破了30%大關，如在空中客車A320的V2500發動機上為3l%、在F-22戰斗機的F119發動機上為40%。要是按所制成的零部件在發動機中所占體積來比較的話，鈦合金已經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、火箭發動機部件、登月艙、各種接合器和緊固件等，對減輕結構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構架，用于支撐提供推力的3臺發動機。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合材料，作為外蒙皮和內部結構用材，能經受超高速飛行時的空氣沖擊和高熱環境。
隨著鈦資源的大量開采、鈦制品產量的提高和成本的相對下降，鈦在其它領域也越來越受歡迎。在坦克和作戰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，從冶金、化工、能源等重工業到建筑、汽車、醫療、體育甚至是時尚消費品，鈦的應用也令人矚目，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。
鈦合金的種類與發展
鈦的內部顯微組織在常溫下為密排六方結構即α相，在高溫下轉變為體心立方結構即β相，添加不同的元素并進行熱處理就可以獲得不同性質的鈦合金。工業純鈦含有少量雜質，多用于制造工作溫度在350℃以下的一般構件，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構件，以及在500℃下長期工作的發動機部件。以鉬、釩、鋯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。同時加入兩類穩定元素的αβ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。其中典型牌號Ti-6Al-4V（我國對應牌號為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，也可以用在發動機部件中。
面世半個多世紀后，鈦合金在發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”的鈦合金和生產技術，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-粉末冶金技術等手段發展高溫鈦合金，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。在加工技術上，除了改進鑄造、焊接、熱處理等傳統工藝，還引入超塑成形、激光成形等新技術制造復雜的飛機整體構件，有效減少成品重量和生產周期。
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新，形成了有自己特色的航空鈦合金材料體系。196O年代投產的殲-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-8Ⅱ的鈦用量達到93kg，但也只占結構總重量的2%。在航空發動機方面，為殲-7、殲-8系列配套的渦噴-13發動機鈦用量為13％，渦噴-14“昆侖”發動機為15%，與國外同期先進水平都有著不小的差距。自上世紀末以來，我國科研機構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合材料以及重點型號機體用鈦合金的研制。第三代戰機上的鈦用量已上升到15%，下一代高性能戰機有望達到30%，而渦扇-10“太行”發動機的鈦用量也增至25%左右。我國雖然已是產鈦大國，但目前航空航天領域對鈦的使用量尚不到總量的20%。隨著國產大飛機和新型戰機項目的推進，我國航空市場進入了快速發展階段，預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和應用水平的提高。
來源：搜鈦網
“寶雞盛輝鈦業有限公司，主營各種規格鈦棒、鈦加工件、鈦異形件；我們鈦棒的材料選用優良材質，符合標準，不偷工減料；我們鈦棒的規格多樣滿足您的需求；我們鈦棒的表面光滑、結構穩定、無凹凸、耐酸、耐堿、耐腐蝕、無裂紋。我們的目標是以優異的產品、可靠的質量、優越的終身效能費用比和有效的服務，滿足顧客日益增長的需要，質量是我們的自尊心。我們的生產理念：質量至上、用戶滿意、精益求精、務實創新。”
來源：搜鈦網
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