鈦是以希臘神話中的大力神（Titans）來命名的，它的發(fā)現(xiàn)要追溯到18世紀(jì)末期。1791年，英國牧師兼業(yè)余礦物學(xué)家威廉·格列戈爾從一種黑色的磁鐵礦砂（鈦磁鐵礦）中發(fā)現(xiàn)了一種新元素，并稱其為“墨納昆”。1795年，德國化學(xué)家M·H·克拉普羅特從一種非磁性的氧化物礦（天然金紅石礦）中發(fā)現(xiàn)了一種新元素命名為“鈦土”。幾年后證明，這兩種礦物中發(fā)現(xiàn)的所謂“墨納昆”和“鈦土”其實是同一種元素（Ti）的氧化物。 鈦化學(xué)活性高，在熔煉溫度下會與許多元素反應(yīng)，包括與耐火材料表面發(fā)生反應(yīng)，故鈦提煉相當(dāng)困難。1910年，美國科學(xué)家采用“鈉法”（鈉還原TiCl4）獲得純度較高的金屬鈦，但鈦工業(yè)并沒有立即發(fā)展起來。直到第二次世界大戰(zhàn)后，盧森堡科學(xué)家發(fā)明的“鎂法”（鎂還原TiCl4）在美國用于生產(chǎn)之后鈦工業(yè)才開始起步。1948年杜邦公司已經(jīng)可以生產(chǎn)出噸位級海綿鈦，海綿鈦的規(guī)模化生產(chǎn)奠定了鈦工業(yè)的基礎(chǔ)。 20世紀(jì)50年代以來，隨著航空航天工業(yè)的快速發(fā)展，鈦合金材料及其應(yīng)用得到了極大發(fā)展。1953年首飛的道格拉斯DC-7飛機，首次將鈦合金應(yīng)用在發(fā)動機艙和隔熱板的設(shè)計中。1964年，首個“全鈦”高空高速戰(zhàn)略偵察機SR-71“黑鳥”首飛，鈦合金用量達到了飛機結(jié)構(gòu)總重量的93%。 鈦合金的用量常被當(dāng)作衡量飛機選材先進程度和航空工業(yè)發(fā)展水平的指標(biāo)，與飛機作戰(zhàn)能力密切相關(guān)。美國F-15飛機結(jié)構(gòu)鈦合金重量占比約26%，第四代戰(zhàn)斗機F-22飛機結(jié)構(gòu)鈦合金重量占比則高達38.8%。F15飛機配備的F100-PW100渦輪風(fēng)扇發(fā)動機鈦用量為25%～30%，F(xiàn)-22的V2500發(fā)動機鈦用量提高到了31%。 目前，航空工業(yè)的鈦材用量占世界鈦材市場總量一半以上，是實至名歸的航空材料。 1、航空鈦及鈦合金 鈦元素分布廣泛，其含量超過地殼質(zhì)量的0.4%，全球探明儲量約34億噸，在所有元素中含量居第10位。海綿鈦經(jīng)過粉碎、放入真空電弧爐里熔煉，才能鑄成鈦錠，而后經(jīng)加工制成各種鈦材。盡管真空熔煉工藝要求嚴(yán)格、設(shè)備復(fù)雜、成本高，但仍是獲得優(yōu)質(zhì)鈦、鈦合金鑄錠的唯一可行途徑，這也是鈦合金成本高昂的原因之一。按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，航空用鈦合金鑄錠需經(jīng)過三次真空熔煉獲得，以確保其成分的均勻性。 海綿鈦生產(chǎn)是鈦工業(yè)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，近年來我國海綿鈦的產(chǎn)量已經(jīng)位居世界前列，但高品質(zhì)的海綿鈦產(chǎn)量偏低，優(yōu)質(zhì)零級海綿鈦生產(chǎn)比例僅為40%。我國的鈦合金產(chǎn)品總體質(zhì)量仍需提高、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)仍需優(yōu)化。 純鈦的強度很低，做成航空航天結(jié)構(gòu)材料沒有工業(yè)實用價值。第一個得到工業(yè)化應(yīng)用的鈦合金是1953年美國凱斯勒和翰森開發(fā)的Ti-6Al-4V（TC4）。由于它具有耐熱、強韌、可焊接、耐腐蝕和抗疲勞等優(yōu)異性能，已成為目前應(yīng)用范圍最廣的一種鈦合金。20世紀(jì)70年代以來，在TC4鈦合金基礎(chǔ)上又開發(fā)出了一系列的耐蝕鈦合金。目前，結(jié)構(gòu)鈦合金已逐漸向高強、高韌、高模量、抗疲勞和損傷容限等方向發(fā)展。 2、鈦合金分類及制造方式 在鈦合金材料命名方面，國內(nèi)通常將α型鈦合金（包括近α型合金）以TA命名，β型鈦合金（包括近β型合金）以TB命名，兩相混合的α β型鈦合金以TC命名。如應(yīng)用最為廣泛的兩項混合型鈦合金Ti-6Al-4V，其對應(yīng)的國內(nèi)牌號為TC4。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3620.1-2007在1994年版本基礎(chǔ)上，新納入54個牌號、刪除兩個牌號，鈦及鈦合金牌號總數(shù)量達到76個。鈦合金的材料種類有棒材、絲材、板材、帶材、鍛件等。 經(jīng)過最近三個“五年計劃”的材料研制，具有中國特色的新一代飛機骨干鈦合金材料已初具規(guī)模。我國自主研發(fā)的中強高損傷容限型鈦合金TC4-DT，名義成分與TC4相同，但降低了氧含量、斷裂韌度得到提高。Ti45Nb（絲材）、TA18（管材）、TB8（板材、絲材、鍛件）、TC21（鍛件）等新材料也得到了良好的應(yīng)用。結(jié)合已有的TC1/TC2（板材）、TC4（鍛件、板材、絲材）和ZTC4鑄造鈦合金，形成了從低強高塑性、中強高塑性、高強高塑性、超高強鈦合金和鑄造鈦合金的完整主干材料體系。 鈦合金及其零部件的制備與加工方法主要包括真空熔煉、鍛造、機械加工、熱處理、凈近成形、焊接及表面處理。由于鈦具有高化學(xué)活性，鈦及其合金的鑄錠熔煉必須采用真空熔煉方法。鍛造變形是改變鑄鈦組織、獲得所需要的組織類型的關(guān)鍵手段。鈦合金的機械加工主要包括銑削加工、車削、鏜孔、鉆孔、攻絲等。高切削溫度、與刀具發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、彈性模量較低是鈦合金難以加工的主要原因。鈦合金的熱處理主要有退火、固溶和時效等。 近凈成形技術(shù)包括精密鑄造、等溫鍛造、粉末冶金、超塑成形/擴散連接、激光快速成形、粉末注射成形等。近凈成形是提高材料利用率、通過工藝控制可達到一定的性能和外形尺寸要求的先進加工技術(shù)。先進的鈦合金焊接技術(shù)有激光焊接、電子束焊接等。鈦合金對表面狀態(tài)、表面完整性非常敏感，由于其表面硬度低而易發(fā)生微動磨蝕等問題。近些年來，鈦合金表面處理技術(shù)也獲得了長足的發(fā)展。熱滲鍍、氣相沉積、三束改性、轉(zhuǎn)化膜、形變強化、熱噴涂、化學(xué)鍍、電鍍等技術(shù)發(fā)展迅速。 3、鈦合金在航空航天上的應(yīng)用 鈦合金在航空工業(yè)上的應(yīng)用分為飛機結(jié)構(gòu)鈦合金和發(fā)動機結(jié)構(gòu)鈦合金。航天方面，鈦合金主要作為火箭、導(dǎo)彈及宇宙飛船等的結(jié)構(gòu)、容器制造材料。飛機結(jié)構(gòu)鈦合金使用溫度要求一般為350℃以下，要求具有高的比強度、良好的韌性、優(yōu)異的抗疲勞性能、良好的焊接工藝性能等。發(fā)動機用鈦合金要求具有高的比強度、熱穩(wěn)定性好、抗氧化、抗蠕變等性能。航天飛行器除航空用鈦合金的性能需求外，還要求能夠耐高溫、抗輻射等。 飛機鈦合金結(jié)構(gòu)件主要應(yīng)用部位有起落架部件、框、梁、機身蒙皮、隔熱罩等。俄羅斯的伊爾-76飛機采用高強度BT22鈦合金制造起落架和承力梁等關(guān)鍵部件。波音747主起落架傳動橫梁材料為Ti-6Al-4V，鍛件長6.20米、寬0.95米，質(zhì)量達1545千克。高強高韌Ti-62222S鈦合金被用在C-17飛機水平安定面轉(zhuǎn)軸關(guān)鍵部位。F-22飛機發(fā)動機所處的后機身區(qū)域及機尾隔熱罩設(shè)計為鈦合金薄壁結(jié)構(gòu)，具備良好的耐溫性能。 航空發(fā)動機方面，鈦合金材料的應(yīng)用領(lǐng)域有壓氣機盤、葉片、鼓筒、高壓壓氣機轉(zhuǎn)子、壓氣機機匣等。現(xiàn)代渦輪發(fā)動機結(jié)構(gòu)重量的30%左右為采用鈦合金材料制造，鈦合金的應(yīng)用降低了壓縮機葉片和風(fēng)扇葉片的質(zhì)量，同時還延長了零部件的壽命與檢查間隔。波音747-8GENX發(fā)動機風(fēng)扇葉片的前緣與尖部，采用了鈦合金防護套，在10年的服役期內(nèi)僅做過3次更換。 航空用鈦合金鍛件需要經(jīng)過鑄錠、制坯、模鍛、機加等過程，獲得所需要的材料組織和性能，往往用其來制造飛機骨架主承力構(gòu)件和發(fā)動機轉(zhuǎn)子等。按照HB5024-1989，大型鍛件的外徑不小于500毫米。隨著飛機和發(fā)動機的發(fā)展，航空鍛件的質(zhì)量要求越來越高、尺寸越來越大、形狀越來越復(fù)雜。飛機結(jié)構(gòu)件外形復(fù)雜，材料利用率一般不超過10%。F-22飛機四個大型主承力加強框材料為Ti-6Al-4V ELI，模鍛件的投影面積為4.06～5.67平方米。近年來，我國航空鈦合金的專業(yè)化鍛造設(shè)備有了大幅度提升，現(xiàn)已經(jīng)可以生產(chǎn)出5平方米級別的鈦合金整體鍛件。 航天飛行器在超高溫、超低溫、高真空、高應(yīng)力、強腐蝕等極端條件下工作，除需要高超的結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)外，還依賴材料所具有的優(yōu)異特性和功能。鈦合金在制造燃料儲箱、火箭發(fā)動機殼體、火箭噴嘴導(dǎo)管、人造衛(wèi)星外殼等方面得到了典型應(yīng)用。 由于鈦合金材料優(yōu)異的性能，某些航空飛行器的重點部位也采用鈦合金材料制造。如進氣道唇口是采用鈦合金材料3D打印方式制造的零件，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)件與功能件的整體化設(shè)計、制造等。 航空航天工業(yè)中常用的鈦合金緊固件主要包括鉚釘、螺栓及特種緊固件等。 美國F-22飛機上使用的鈦合金緊固件有：高強鈦合金螺栓、環(huán)槽釘、光桿錐度高鎖螺栓、自夾持螺栓、鈦鈮鉚釘及粘接螺母。我國2014年首飛的國產(chǎn)商用大飛機C919，單機鈦合金緊固件用量達20萬件以上。鈦合金緊固件的開發(fā)和應(yīng)用，為飛機結(jié)構(gòu)的進一步減重提供了可能。波音747飛機緊固件以鈦代鋼后，其結(jié)構(gòu)重量減輕1814千克。俄羅斯的伊爾-96飛機一架用14.2萬緊固件，以鈦代鋼后減重600千克。 鈦合金具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，其正電位與碳纖維復(fù)合材料相匹配，可有效防止緊固件的電位腐蝕。Ti45Nb合金是美國航空航天工業(yè)大量應(yīng)用的鉚釘材料，該材料在退火狀態(tài)具有較好的拉伸性能和剪切強度，可替代純鈦鉚釘。Ti45Nb材料還具有較高的塑性，適合于復(fù)合材料制造用連接鉚釘。 近年來，美鋁公司開發(fā)的Timeta1555鈦合金高強螺栓，其固溶時效后抗拉強度達1300MPa以上、雙剪切強度大于745MPa，延伸率大于10%。為了緊跟國際高端鈦合金緊固件的發(fā)展趨勢，西工大超晶公司與信陽航天標(biāo)準(zhǔn)件廠聯(lián)合研發(fā)了緊固件專用TB8鈦合金棒絲材，用其制造的螺栓抗拉強度高達1280MPa。鈦合金緊固件研發(fā)是一項非常復(fù)雜和長期的工作。 4、鈦合金產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向 未來航空飛行器對鈦合金的需求應(yīng)該是兼具更高強度、更高韌性、更高損傷性能、更高耐高溫性能等。鈦合金材料應(yīng)用發(fā)展方向?qū)⑹牵盒滦透叱瑥姸冉Y(jié)構(gòu)鈦合金、高性能的損傷容限型鈦合金、低成本抗疲勞鈦合金、新型高溫結(jié)構(gòu)鈦合金、先進TiAl基材料、鈦基復(fù)合材料等方面。 現(xiàn)代飛行器對結(jié)構(gòu)減重的需求越來越迫切，除鈦合金材料外，復(fù)合材料在飛行結(jié)構(gòu)上也得到了大量應(yīng)用。波音787飛機復(fù)合材料用量達到了50%，空客A380復(fù)材用量也達到了25%。就目前來講，復(fù)合材料還不能全面替代金屬，金屬材料還不可或缺。鈦合金與碳纖維增強的復(fù)合材料彈性模量匹配、熱膨脹系數(shù)相近；并具有很好的化學(xué)相容性，不易發(fā)生電位腐蝕。F-18“大黃蜂”的翼身接頭曾采用了鈦合金接頭零件與復(fù)合材料蒙皮階梯形粘接的設(shè)計。經(jīng)過數(shù)年的服役考驗，該項設(shè)計的可靠性得到了驗證。伴隨復(fù)材用量的增長，鈦合金材料用量也將進一步增加。 從近年來的開源信息可知，美國對下一代飛機結(jié)構(gòu)材料的要求是更輕質(zhì)高效、成本可控。按照2006年幣值計算，F(xiàn)-22的單機成本約為3.61億美元。F-35最初成本目標(biāo)為3500萬美元，后增至1.38億美元。在龐大的成本開支中，鈦合金制造成本高是一個不可忽視的因素。低成本鈦合金是用Fe、O等元素代替比較昂貴的V、Mo等元素。美國Timetal公司采用廉價的Fe-Mo中間合金形式添加Fe元素，代替價格昂貴的V元素，開發(fā)出了一種高強度低成本的β型鈦合金Timetal-LCB，目標(biāo)是替代價格較貴的Ti-10V-2Fe-3Al合金。 鈦合金焊接、近凈成形、冷成形等也是提高材料利用率、降低工藝成本的有效方式。電子束焊接、激光焊接等先進焊接技術(shù)，已在國內(nèi)的一些型號上得到了成功應(yīng)用。北航、西工大等一批激光成形團隊，在鈦合金新技術(shù)應(yīng)用方面取得了不錯的成績。 在新型高溫鈦合金研究方面，國內(nèi)曾在英國IMI829的550℃高溫鈦合金和美國的600℃的Ti-1100高溫鈦合金的基礎(chǔ)上，分別添加不到1%的稀土元素Gd和Y元素，通過形成稀土氧化物，凈化晶界、細化晶粒，提高了合金的強度、蠕變和持久性能。TA12（Ti55）是中科院金屬所與寶鈦集團、北京航空材料研究院共同研制的一種近α型高溫鈦合金，設(shè)計使用溫度為550℃。目前，Ti55材料相對成熟，穩(wěn)定的使用溫度范圍為550℃～600℃。Ti65材料的設(shè)計使用溫度為600℃～650℃，相應(yīng)的研究工作正在有序開展中。 近年來國外把采用快速凝固/粉末冶金技術(shù)、纖維或顆粒增強復(fù)合材料研制鈦合金作為高溫鈦合金的發(fā)展方向，使鈦合金的使用溫度可提高到650℃以上。中科院金屬所研發(fā)的鎢芯鈦基復(fù)合材料，已經(jīng)在一定范圍內(nèi)得到了應(yīng)用。 相關(guān)鏈接 2021-12-29 利泰金屬談鈦合金在航天領(lǐng)域的應(yīng)用需求 2021-12-28 航空航天領(lǐng)域用鈦鍛件鈦棒等鈦合金的特點及類型 2021-12-27 航空用鈦合金鍛件的新工藝方法 2021-12-24 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