各國都在研究高用量、高性能和低成本的鈦合金生產(chǎn)技術(shù)

早在1791年，英國礦物學(xué)家威廉-格雷戈爾就首次發(fā)現(xiàn)了鈦元素的存在。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，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(yè)界通過化學(xué)還原法終于獲取到純度在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)。

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(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)動機的要求；在β型鈦合金基礎(chǔ)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(fā)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(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(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)雜的飛機整體構(gòu)件，有效減少成品重量和生產(chǎn)周期。

鈦的內(nèi)部顯微組織在常溫下為密排六方結(jié)構(gòu)即α相，在高溫下轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方結(jié)構(gòu)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(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、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(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αβ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。其中典型牌號Ti-6Al-4V（我國對應(yīng)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(fā)動機部件中。