身價不菲的鈦

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　　早在1791年，英國礦物學(xué)家威廉?格雷戈爾就發(fā)現(xiàn)了鈦元素。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，但要對礦石進(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。直到20世紀(jì)初，西方工業(yè)界才通過化學(xué)還原法獲取到純度在99%以上的金屬鈦，二戰(zhàn)后才實(shí)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(qiáng)度明顯高于后者。鈦的熔點(diǎn)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?yàn)檫@些顯著的優(yōu)點(diǎn)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，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(dá)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(jī)發(fā)明以來，如何減輕機(jī)體重量又不降低結(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。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(shè)計師夢寐以求的“空中金屬”。在實(shí)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機(jī)身的高溫部位；取代發(fā)動機(jī)中的部分鋼制部件以減輕重量，提高推重比。另外，隨著飛機(jī)上使用的復(fù)合材料越來越多，鈦合金因其與復(fù)合材料在強(qiáng)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(xué)腐蝕，而成為復(fù)合材料部件的連接件和緊固件。

　　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，同時期北美公司的F-100戰(zhàn)斗機(jī)也開始使用鈦合金。用鈦量創(chuàng)造紀(jì)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(jī)。按照設(shè)計要求，“黑鳥”的速度要超過M數(shù)3，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(dá)到飛機(jī)結(jié)構(gòu)總重量的93%，幾乎可謂“全鈦飛機(jī)”。到目前為止雖然還沒有其它飛機(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)對鈦合金的需求仍居高不下。

　　美國在研制第四代戰(zhàn)機(jī)F-22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(shí)彈射擊抗損性測試時發(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)生存能力不足。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、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。

　　除了大的飛機(jī)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(yùn)輸機(jī)上有70%的緊固件為鈦合金，可直接減重1噸。

　　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(dá)到15%，除了用于耐高溫和耐腐蝕部位外，還因?yàn)椴ㄒ?87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(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，諸如壓氣機(jī)盤、葉片、機(jī)匣和涵道等部件均為鈦合金制造。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50千克，還不到總重量的2%。而目前大多數(shù)發(fā)動機(jī)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(jī)鈦的用量為25%，C-5軍用運(yùn)輸機(jī)上的TF39發(fā)動機(jī)鈦的用量為27%，空中客車A320的V2500發(fā)動機(jī)鈦的用量為31%，而在F-22戰(zhàn)斗機(jī)的F119發(fā)動機(jī)上，鈦的用量更是高達(dá)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(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α+β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。

　　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)度高韌性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(shí)驗(yàn)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。上世紀(jì)60年代投產(chǎn)的殲7殲擊機(jī)上用到的鈦部件只有9千克，后來的殲8白天型殲擊機(jī)的鈦部件增至60千克，到上世紀(jì)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(jī)方面，為殲7、殲8系列配套的發(fā)動機(jī)鈦用量為13%，渦噴14“昆侖”發(fā)動機(jī)為15%，但與國外同期先進(jìn)水平相比還有著不小的差距。自上世紀(jì)末以來，我國科研機(jī)構(gòu)開展了對高溫鈦合金、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(diǎn)型號機(jī)體用鈦合金的研制。“太行”發(fā)動機(jī)的鈦用量已經(jīng)增至25%左右，下一代高性能戰(zhàn)機(jī)有望達(dá)到30%。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(yīng)用水平的提高。