各國都在研究高用量、高性能和低成本的鈦合金生產技術
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。
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。
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、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。