钛金属眼镜架、钛质高尔夫球杆头、钛合金人造关节……还有号称具有防辐射和保健作用的“钛环”，以及电影《钢铁侠》中几乎坚不可摧的钛盔甲，钛这种一度高不可攀的稀罕物已经越来越频繁地出现在我们的生活当中。而从发现到提炼，钛让人类耗费了漫长的时间，但一经面世就立刻在飞机制造业找到了用武之地。

    身价不菲的“大力神”

    早在1791年，英国矿物学家威廉–格雷戈尔就首次发现了钛元素的存在。4 年后，德国化学家马丁·克拉普罗特从矿石中分解出氧化钛，但要进一步提纯却很困难，因此他想到以希腊神话中被禁锢在地层内的大力神泰坦 （Titans）来命名这种新元素，称之为 Titanium，在元素周期表中就用 Ti 来表示。直到20 世纪初，西方工业界通过化学还原法终于获取到纯度在99%以上的金属钛，二战后才实现了钛及其制品的商业化生产。

    由于很晚才进入实用阶段，刚开始应用面也不广，钛经常被认为属于稀有金属。其实，钛在地球上的蕴藏量可不少，约占地壳总量的 0.63%，仅次于铝、铁、镁，在结构金属元素中排第四，比常见的铜、锌、镍等加起来还要多，如我国西南的攀枝花 - 西昌地区就有储量丰富的含钛矿藏。只是自然界中的钛矿成分复杂，要提炼出纯钛相当麻烦，难怪会被当作“此物世间稀”了。

    银白色的钛密度为 4.5g/cm3，比钢材和高温合金轻得多，与铝和镁等并称为轻金属，但其比强度（强度 / 密度）明显高于其它材料，可谓名副其实的“大力神”。钛的熔点超过 1600℃，使用温度范围从 -269℃至 600℃，而且不带磁性，在大气和海水中还具有良好的抗腐蚀性。以钛为基础，适量地加入一种或多种其它元素构成钛合金，并进行相应的热处理，可以强化其使用性能。

    正因为这些显著的优点以及带来的广阔前景，钛在工业界就被列为继铁和铝之后的“第三金属”。不过钛的特殊性质也使得对其进行熔炼、机械加工和热处理时都需要严格的条件和复杂的工艺设备，生产成本一直偏高。目前，从矿石中提炼出来作为工业原料的海绵钛市场价就要 10 美元 /kg 左右，加工成型材乃至钛合金制品就更为昂贵了。

银光闪闪的高纯度钛金属棒

    从“空中金属”到“多栖明星”

    自莱特兄弟发明飞机以来，如何尽量减轻机体重量又不会降低结构强度一直就是航空业要优先解决的难题之一。当集钢的强度高和铝的质地轻于一身的钛投入批量生产后，自然让“斤斤计较”的飞机设计师们如获至宝，几乎包下了早期所有的钛产品，钛因而又被捧为“空中金属”。在实际应用中，除了能够大幅减轻内部结构重量外，钛合金还能取代耐热性较差的铝合金用在飞机机身上的高温部位，以及在发动机中取代部分钢制部件，可减重超过 30%，有利于提高推重比。随着飞机上使用的复合材料越来越多，钛合金不仅在强度和刚度上有较好的匹配性，而且两者之间不易产生电化学腐蚀，因此相应部位的结构件和紧固件多配以钛合金。此外，钛合金具有相当高的疲劳强度和抗腐蚀性，可以满足飞机和发动机在可靠性和使用寿命上越来越高的要求。

号称“全钛飞机”的SR-71侦察机

    1949 年美国道格拉斯飞机公司采购了第一批用于制造飞机的钛，主要用在DC-7 运输机的发动机舱和隔热板上，同时期北美航空的 F-100 战斗机也开始使用钛材料。洛克希德公司在研制 SR-71“黑鸟”高空战略侦察机时，由于设计指标要求最高时速是音速的 3 倍，此时机体表面温度将超过常用铝制蒙皮的承受极限，换成钢材又会大大增加重量，影响到飞行速度和升限等性能参数，因此必须大量使用钛合金。结果每架 SR-71 上用到的钛有 30t，达到飞机结构总重量的 93%，号称“全钛飞机”。到目前为止还没有其它飞机能够打破这一用钛比例纪录，然而追求高性能的军用飞机对钛及其合金的需求仍居高不下。钛不仅用在机体结构和发动机上，象 A-10、苏 -25 等对地攻击机还在飞行员座舱两侧加装了钛合金装甲，以提高低空作战时的防护能力。

    美国在研制第四代战机 F-22“猛禽”时，原型机 YF-22 上的钛合金结构比重只有 24%。然而在实弹射击测试时发现，原本全部采用复合材料制造的机翼翼梁对 30 毫米炮弹的抗打击效果不理想，导致飞机生存能力降低，后来改成钛合金主翼梁加复合材料辅助梁的混合结构，钛合金用量占到机翼结构重量的 47%。F-22 的机身上也采用了大量的钛合金部件，包括机舱整体隔框、机身侧壁板、操纵支架、平尾后梁和液压管路系统等，其中后机身的钛合金用量占到该处结构重量的 55%。最终 F-22上的钛合金结构比重高达 41%，超过了复合材料的 24%、铝合金的 15% 和钢的 5%，所配套的 F119 发动机内部及其喷管等处也使用到钛合金和钛基复合材料，钛又一次在整机制造材料中坐上了头把交椅。而螺栓、铆钉等紧固件看着虽小，但需要量很大，换成钛合金也能减轻不少重量。如 C-5A 大型运输机上有 70% 的紧固件为钛合金，可直接减重 1t，同时强度提高相应减小了蒙皮和加固件的厚度，带来结构上的优化使机身又可减重 3.5t。

    出于经济成本的考虑，在性能要求相对较低的民用飞机上钛合金的使用比例没有军用飞机那么高，但同样呈现出不断上升的趋势。而且用于载客运输的民用飞机在总重量上通常要比军用飞机大得多，因此每架飞机所消耗掉的钛原材料在绝对量上也是相当可观的（参见表2）。以波音公司的系列干线客机为例，早期 B707 的钛部件用量仅占结构总重量的 0.2%，而在最新的 B787 上已经达到15%，除了用于耐高温和耐腐蚀部位外，还因为 B787 上有 50% 是复合材料而相应采用了大量钛合金连接件和紧固件。

    在航空喷气发动机所用的材料中，钛占据的比例更高，尤其是压气机部分，钛合金多用于制造压气机盘、叶片、机匣和涵道等部件。早期美国 F-4战斗机所用的 J79 发动机中钛用量只有50kg，还不到总重量的 2%。目前大多数发动机的钛用量已经增长到占总重量的 25 ～ 30%，如波音 747、767 客机上的 JT9D 发动机钛用量为 25%，C-5A军用运输机上的 TF39 发动机钛用量为27%。而新型发动机的钛用量已经突破了 30% 大关，如在空中客车 A320 的V2500 发动机上为 3l%、在 F-22 战斗机的 F119 发动机上为 40%。要是按所制成的零部件在发动机中所占体积来比较的话，钛合金已经超过镍合金和钢的总和，同样位居第一。

F-22的F119发动机在压气机、燃烧室和尾喷管等处都用到了钛合金

    对于要克服地心引力冲出大气层的航天器来说，减轻自身重量、提高有效载荷和耐热性的要求更为突出，钛合金也就有了大显身手的机会。美国在“双子星”载人航天计划和“阿波罗”载人登月计划中都用到了钛合金，主要用于制造固体燃料容器、火箭发动机部件、登月舱、各种接合器和紧固件等，对减轻结构重量和降低疲劳破坏有明显效果。航天飞机的机翼前部要承受 500℃的高温，用钛合金取代耐热合金不仅能满足使用要求，还可减少 40% 的重量。在航天飞机的后部还装有钛合金推力结构架，用于支撑提供推力的 3 台发动机。研究中的 NASP 空天飞机也计划采用以碳化硅增强的钛合金复合材料，作为外蒙皮和内部结构用材，能经受超高速飞行时的空气冲击和高热环境。

    随着钛资源的大量开采、钛制品产量的提高和成本的相对下降，钛在其它领域也越来越受欢迎。在坦克和作战车辆上用低成本的钛合金代替笨重的轧制装甲钢板可以提高机动性，制成各种火炮和导弹中的部件也起到减重和耐腐蚀的作用，潜艇和水面舰艇的船体及推进器采用钛合金则大大延长了使用寿命。

    在民用行业，从冶金、化工、能源等重工业到建筑、汽车、医疗、体育甚至是时尚消费品，钛的应用也令人瞩目，成为耀眼的“多栖明星”。不过，航空航天部门仍然是最重要的用钛大户，美国航空航天工业的钛需求量占到全美钛需求总量的 70% 以上，在欧洲和俄罗斯也占到 60% 左右。

    钛合金的种类与发展

    钛的内部显微组织在常温下为密排六方结构即 α 相，在高温下转变为体心立方结构即 β 相，添加不同的元素并进行热处理就可以获得不同性质的钛合金。工业纯钛含有少量杂质，多用于制造工作温度在350℃以下的一般构件，如飞机蒙皮和隔热板、航天器的低温容器等。以铝、锡、锆等为主要添加元素的 α 型钛合金具有较好的热稳定性和抗氧化性，便于焊接，适合制成飞机上受力不大的板材或管材结构件，以及在500℃下长期工作的发动机部件。以钼、钒、铬等为主要添加元素的 β 型钛合金则在强度和韧性上更出色，抗疲劳性也很好，有利于大幅降低飞机重量，但耐热性不高，可用于飞机内部框架、紧固件、起落架和直升机的旋翼组件等。同时加入两类稳定元素的 αβ 型钛合金具有良好的综合力学性能，也容易加工成型，因此应用得最为广泛。其中典型牌号 Ti-6Al-4V（我国对应牌号为TC4）就占了钛合金使用量的一半以上，既可以用在机身和机翼上，也可以用在发动机部件中。

    面世半个多世纪后，钛合金在发展上也遇到了一些瓶颈，阻碍了进一步的应用。对此，各国都在加紧研究更“给力”的钛合金和生产技术，争取在高用量、高性能和低成本方面取得新的突破。研究方向主要有：以 α 型钛合金为基础，通过精确控制强化元素的含量、快速凝固 - 粉末冶金技术等手段发展高温钛合金，将工作温度提高到 600℃甚至 800℃以上，以适应大推重比发动机的要求；在 β 型钛合金基础上不断提高拉伸强度、断裂韧性和抗疲劳性能，用高强高韧钛合金取代合金钢制造承力梁、起落架、直升机主桨毂等重要部件；常用钛合金在高温高压下容易发生失效燃烧，因此需要研究带有特殊涂层的阻燃钛合金，用在发动机的高压压气机、叶片和矢量尾喷管等处；采用韧性更好的高损伤容限钛合金，降低飞机重要部位的裂纹扩展速度，延长使用寿命；大力发展具有高比强度和耐热耐腐蚀性、又容易加工的钛基复合材料，取代较为昂贵的钛合金。在加工技术上，除了改进铸造、焊接、热处理等传统工艺，还引入超塑成形、激光成形等新技术制造复杂的飞机整体构件，有效减少成品重量和生产周期。

波音777的起落架采用钛合金承力件提高了耐用性。

    我 国 钛 资 源 蕴 藏 丰 富， 在 1956年就建立起钛合金实验室，对钛的研究和应用从仿制起步逐渐走向自主创新，形成了有自己特色的航空钛合金材料体系。196O 年代投产的歼 -7 歼击机上用到的钛部件只有 9kg，后来的歼 -8 白天型歼击机的钛部件增至60kg，到 1980 年代使歼 -8 Ⅱ的钛用量达到 93kg，但也只占结构总重量的2%。在航空发动机方面，为歼 -7、歼 -8 系列配套的涡喷 -13 发动机钛用量为 13％，涡喷 -14“昆仑”发动机为 15%，与国外同期先进水平都有着不小的差距。自上世纪末以来，我国科研机构积极开展对高温钛合金、高强高韧钛合金、阻燃钛合金和颗粒增强钛基复合材料以及重点型号机体用钛合金的研制。第三代战机上的钛用量已上升到 15%，下一代高性能战机有望达到30%，而涡扇 -10“太行”发动机的钛用量也增至 25% 左右。我国虽然已是产钛大国，但目前航空航天领域对钛的使用量尚不到总量的 20%。随着国产大飞机和新型战机项目的推进，我国航空市场进入了快速发展阶段，预计对钛材的需求量将以每年 15 ～ 20% 的速度增长，将加快我国钛合金的加工技术和应用水平的提高。