钛金属眼镜架、钛质高尔夫球杆头、钛合金人造关节、生活器具……还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。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,但要提纯却很困难,因此他想到以希腊神话中大力神泰坦来命名这种新元素,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。
稀有金属
钛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,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℃,而且不带磁性,在大气和海水中还具有良好的抗腐蚀性。
第三金属
正因为钛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。
空中金属
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。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,让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,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。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。
飞机 、战斗机
北美航空的F-100战斗机也开始使用钛材料。
SR-71“黑鸟”高空战略侦察机,用钛达到飞机结构总重量的93%,号称“全钛飞机”。
美国第四代战机F-22“猛禽”钛合金结构比重高达41%。
航空、航天
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。
坦克、潜艇
坦克和作战车辆上用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。
多栖明星
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”。
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