身价不菲的钛
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早在1791年，英国矿物学家威廉?格雷戈尔就发现了钛元素。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，但要对矿石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。直到20世纪初，西方工业界才通过化学还原法获取到纯度在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。
钛比钢材和高温合金轻得多，与铝和镁等并称为轻金属，但强度明显高于后者。钛的熔点超过1 600℃，使用温度范围从-269℃至600℃，而且不带磁性并具有良好的抗腐蚀性。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，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高达每吨9万元人民币，加工成型材乃至钛合金制品就更为昂贵了。
梦寐以求的空中金属
自飞机发明以来，如何减轻机体重量又不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。航空制造业几乎包下了早期所有的钛产品，钛因而又被捧为设计师梦寐以求的“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机身的高温部位；取代发动机中的部分钢制部件以减轻重量，提高推重比。另外，随着飞机上使用的复合材料越来越多，钛合金因其与复合材料在强度和刚度上有较好的匹配性，且两者之间不易产生电化学腐蚀，而成为复合材料部件的连接件和紧固件。
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，同时期北美公司的F-100战斗机也开始使用钛合金。用钛量创造纪录的则要数洛克希德公司的SR-71“黑鸟”高空高速战略侦察机。按照设计要求，“黑鸟”的速度要超过M数3，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，因此只能大量使用钛合金。结果每架SR-71上用到的钛有30吨，达到飞机结构总重量的93%，几乎可谓“全钛飞机”。到目前为止虽然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合金的需求仍居高不下。
美国在研制第四代战机F-22时，原型机YF-22上的钛合金结构比重只有24%。然而在实弹射击抗损性测试时发现，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，导致飞机生存能力不足。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、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。
除了大的飞机部件以外，诸如螺栓、铆钉等紧固件也由钢制慢慢转为钛合金制造。这些紧固件看着虽小，但需要量很大，换成钛合金后也能减轻不少重量。如C-5大型运输机上有70%的紧固件为钛合金，可直接减重1吨。
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在绝对量上也是相当可观的。以波音公司的系列干线客机为例，早期波音707的钛部件用量仅占结构总重量的0.2%，而在最新的波音787上已经达到15%，除了用于耐高温和耐腐蚀部位外，还因为波音787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，诸如压气机盘、叶片、机匣和涵道等部件均为钛合金制造。早期美国F-4战斗机所用的J79发动机中，钛用量只有50千克，还不到总重量的2%。而目前大多数发动机的钛用量已经增长到总重量的25%-30%，如波音747、波音767配备的JT9D发动机钛的用量为25%，C-5军用运输机上的TF39发动机钛的用量为27%，空中客车A320的V2500发动机钛的用量为31%，而在F-22战斗机的F119发动机上，钛的用量更是高达40%。
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型，在高温下转变为体心立方结构――即β型，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α+β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。
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，用高强度高韧性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。
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。上世纪60年代投产的歼7歼击机上用到的钛部件只有9千克，后来的歼8白天型歼击机的钛部件增至60千克，到上世纪80年代歼8Ⅱ的钛用量提高到93千克，但也只占结构总重量的2%。在航空发动机方面，为歼7、歼8系列配套的发动机钛用量为13%，涡喷14“昆仑”发动机为15%，但与国外同期先进水平相比还有着不小的差距。自上世纪末以来，我国科研机构开展了对高温钛合金、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。“太行”发动机的钛用量已经增至25%左右，下一代高性能战机有望达到30%。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，预计对钛合金的需求量将以每年15%－20%的速度增长，这将加快我国钛合金的加工技术和应用水平的提高。
