“鈦的大家庭包括三個(gè)主要成員(三鈦)：常規(guī)鈦合金、鈦鋁金屬間化合物和鈦基復(fù)合材料。常規(guī)鈦合金已繁花盛開，鈦鋁金屬間化合物初露春色，鈦基復(fù)合材料則含苞欲放。從應(yīng)用的角度和成熟度的角度來看，尚處于‘常鈦’一枝獨(dú)秀的狀態(tài)，但人們從‘初露春色’和‘含苞欲放’中獲得了足夠的信心：三鈦爭艷的時(shí)代即將到來。”中國科學(xué)院院士曹春曉在前不久舉行的2015航空材料與制造工藝上海國際論壇上如此表示。

    在美國，鈦的最大應(yīng)用始終屬于航空，第二大用戶是核電。在地球的另一端，經(jīng)過60年的發(fā)展，特別是21世紀(jì)以來的突飛猛進(jìn)，中國成為全球最大的鈦生產(chǎn)與消費(fèi)大國。目前，在中國，化工是鈦的最大用戶，電力位居第二，航空位居第三。

    “這三大用戶必將形成‘三雄爭鈦’的局面，未來的變數(shù)不小。”曹春曉這樣推斷未來中國鈦的行業(yè)布局方向。

    常規(guī)鈦合金“繁花盛開”

    眾所周知，航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高很大程度上是通過采用新結(jié)構(gòu)、新材料和新工藝來實(shí)現(xiàn)的。中國工程院院士劉大響指出，現(xiàn)代先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能、可靠性和推重比的提高，材料和制造技術(shù)的貢獻(xiàn)率約占50%至60%。

    鈦合金的密度比鋼小得多，而強(qiáng)度又和鋼很接近，可以大大減輕飛機(jī)及其發(fā)動(dòng)機(jī)的重量。曹春曉透露，我國一些航空發(fā)動(dòng)機(jī)中鈦合金用量在不斷提高并日益趨近于國外先進(jìn)水平，而這一用量在新型商用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)則預(yù)計(jì)可達(dá)23%左右。

    據(jù)悉，波音787機(jī)體鈦合金用量達(dá)15%，創(chuàng)下民用客機(jī)機(jī)體鈦合金用量最高記錄。這一記錄有望被俄羅斯正在研制的新一代150座級(jí)的客機(jī)MS-21打破。MS-21機(jī)體鈦合金用量高達(dá)25%，計(jì)劃于2016年首飛。我國一些飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)中的鈦合金用量也在不斷提高。我國新支線飛機(jī)ARJ21的鈦合金用量為4.8%，干線客機(jī)C919的鈦合金用量為9.3%，和波音777相比略高，波音777為7%至8%。

    鈦鋁金屬間化合物“初露春色”

    上世紀(jì)80年代中期至90年代中期世界掀起了金屬間化合物的研究熱潮。經(jīng)過上世紀(jì)90年代到本世紀(jì)的大量研究，金屬間化合物研究的國際熱潮逐漸轉(zhuǎn)入理性階段，并基本上聚焦于鈦鋁合金。

    美國GE公司率先在GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用了鈦鋁合金。每級(jí)低壓渦輪減輕結(jié)構(gòu)重量45.5千克。按照每架波音787客機(jī)用兩臺(tái)GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)選用兩級(jí)鈦鋁合金渦輪葉片或者每架波音747-8飛機(jī)用四臺(tái)GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)選用一級(jí)鈦鋁合金渦輪葉片計(jì)算，每架波音787或者747-8均減輕結(jié)構(gòu)重量約182千克。

    CFM國際公司研制生產(chǎn)的LEAP系列新型發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片也選用了鈦鋁合金。曹春曉指出，這是鈦鋁合金首次用于單通道商用飛機(jī)，可提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能和節(jié)省15%的燃油消耗。萬眾矚目的國產(chǎn)大飛機(jī)C919也已選用LEAP為其動(dòng)力裝置。

    鈦基復(fù)合材料“含苞欲放”

    鈦基復(fù)合材料(TMCs，可簡單分為非連續(xù)顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料和連續(xù)性纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料兩大類)以其高的比強(qiáng)度、比剛度和抗高溫特性而成為超高音速宇航飛行器和下一代先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的候選材料。

    鈦基復(fù)合材料研究始于上世紀(jì)70年代、80年代中期，美國航天飛機(jī)(NASP)和整體高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)(IHPTET)以及歐洲、日本同類發(fā)展計(jì)劃的實(shí)施，給TMCs材料發(fā)展提供了較好的機(jī)遇和巨大的資金保障。

    曹春曉告訴《大飛機(jī)報(bào)》記者：現(xiàn)在人們普遍擔(dān)憂鈦基復(fù)合材料太貴(每千克2萬美元)而影響其推廣應(yīng)用之時(shí)，傳來了一個(gè)好消息。荷蘭皇家空軍近期在F-16上完成了裝有鈦基復(fù)合材料主起落架下部后撐桿的驗(yàn)證飛機(jī)。

    荷蘭SP宇航公司稱，這是第一架采用鈦基復(fù)合材料起落架的飛機(jī)。原來300M鋼后撐桿的重量為7.7千克，SP公司認(rèn)為改用鈦基復(fù)合材料后可使其重量降至4.2千克，即減重45%。鈦基復(fù)合材料技術(shù)的費(fèi)用約為300M鋼的3倍，每千克減重需花費(fèi)4650美元，距離戰(zhàn)斗機(jī)設(shè)計(jì)所能認(rèn)可的指標(biāo)并不遠(yuǎn)。

    曹春曉笑著說道：“至少人們不再說‘性能喜人，價(jià)格嚇人’之類的話了。”