钛金属拥有的强度高、密度幼、耐侵蚀性优、生物相容蹬着点
，得到国民经济各个行业的宽泛而沉要的利用
。钛金属的沉要性仅次于铁和铝
，被人们称为“第三金属”“海洋金属”“宇航金属”及生物资料等
。1781年1月6日
，英国牧师兼化学家威廉·格雷戈尔在分析从英格兰西部密那汉采来的玄色磁性砂时
，发现了一种跟铁类似的新金属元素
，并以“密那汉”定名
。1795年
，德国化学家马丁·海因里希·克拉普洛特也发现了这种新元素的氧化物
，定名为“泰坦”
，同时
，克拉普洛特确认了格里戈尔所发现的新元素“密那汉”就是钛［1］
。从发现钛元素到尝试室中造出钛金属用了120年
，从尝试室到工业出产又经历了40年
。

中国在1955年研造出海绵钛样品
，在1956年钛被当作战术金属写入中国的发展规划
。随着1970年9月17日中国出产出第一炉海绵钛的汗青时刻到来
，其向全世界颁发：中国是继美国、前苏联和日本之后的第四个拥有齐全钛工业系统的国度［2］
。进入新世纪以来
，钛金属在全球领域内得到急剧的发展
，在中国的发展更为迅猛
，钛的年产量及销售量跻身到世界第一的地位
，引领钛金属前沿的科学技术和利用钻研
。

1、钛金属的重要机能及在交通领域的用量

钛金属“泰坦”诞生就具佑装神”一样的能力
，在物理机能方面重要表此刻密度
。4.51g/cm3）、熔点高（1668℃）、热导率低（仅为铁的1/5、铝的1/10）、线膨胀系数幼蹬着异的机能
。出格是在力学机能方面
，其展示出高强度、高比强度（强杜纂密度之比）、强韧性、高委顿性等
，成为现代交通领域的“先进新资料”［3］
。钛合金的比强度高、抗委顿机能好使其成为宇航领域的主题资料
，其用在飞机机身结构上可大幅度降低飞机的沉量
，用在航空发起机上可提高发起机的推沉比
，耽搁发起机的使用寿命
。而将钛用在飞机起落架系统中
，可加强起落架的强度和抗侵蚀机能
，使飞机能接受起降时的巨大冲击
，保险飞机的安全
。在为“降低飞行器一克沉量”而致力的航天领域
，则将钛合金比强度高的机能阐扬到极致
。此表
，钛金属在海水中侵蚀速度<1μm/年
，且在海水中不产生应力侵蚀
，故钛合金成了潜艇、海洋探测器等海洋设备的主题资料
。

从钛金属的诞生一向相伴的是其利用的开发钻研
。在现代交通运输领域中
，航天航空、海洋船舶是重要的用钛大户
。各个国度有产业结构的分歧
，其在交通运输领域的用钛方向有肯定的差距
。美国是传统的航空航天大国
，出格是在航空领域机能先进的军机和民机
，长功夫处于世界当先职位
，且在该领域钛金属的用量占比也处于当先职位
。前苏联在船舶用钛金属方面
，处于世界当先职位
，成立了系统的船舶用钛系统
，造作出全钛潜艇
。日本在航空、船舶领域的用钛量与其他国度相比力低
，但在现代交通领域有着不变的用量
，在汽车领域的用钛量处于世界当先职位
。日本在2015~2017年间
，汽车领域的用钛量逐年增长
，最高的2017年达到637t
，如表1所示［4-5］
。

表 1 日本 2015~2017 年在航空、汽车、船舶领域的用钛量 [4-5]

在中国现代交通领域中
，航空航天的用钛量一向在持续增长
。如表2所示
，从2003年到2023年的21年间
，航空航天领域用钛量不休增长
，到2023年其用钛量占钛金属总量的20%
，也能够说是航空航天的发展加快了中国钛产业的发展过程
。在海洋船舶领域
，2003~2014年随着中国发展海洋工业
，在海洋船舶行业中掀起了强劲的用钛热潮
，但由于中国前期在海洋船舶领域钛利用的根基数据堆集和基础钻研成就较少
，用钛处于低级阶段
，前期的用量较少
，钛金属用量增长缓慢
。2015年是一个里程碑的节点
，船舶和海洋用钛量突破了1000t
，之后均呈急剧增长的趋向
，2024年达到了5000t［5-27］
。

表 2 中国 2003~2023 年在航空、海洋、船舶等领域的用钛量 [5-27]

中国钛金属在高铁、汽车等交通领域的利用处于前期的开发阶段
，使用量较少
，但钻研工作发展得如火如荼
，这可能也是实现大量钛金属利用的前奏期
。钛金属在交通领域中的利用重要涉及航空、船舶和汽车等方面
，且各个领域的发展情况不尽一样
，本文重要对钛在航空领域方面的利用近况进行论述
。

2、钛金属在航空领域的利用

钛金属的高比强、耐凹凸温、耐侵蚀、无磁蹬着异的机能使之成为当之无愧“宇航资料”
，其重要优势是减沉成效显著
，耐热耐高温机能良好
，高温环境服役不变靠得住
，且与复合伙料的强度、刚度匹配机能好
，并拥有优异的抗侵蚀、抗委顿机能
，能够显著耽搁结构件的使用寿命等［28］
。例如在飞机的机翼、机身结构等关键部位使用钛合金
，可能在不降低结构机能的前提下
，显著降低飞机的整体沉量
。钛金属良好的耐高温机能可在保障资料在高温环境下拥有较好的力学机能
，能够接受航空发起机点火室的高温及压气机叶片叶盘的高温高压
，不仅提高了发起机的工作效能
，并且耽搁了发起机的服役寿命
。并且
，钛金属在低温环境下仍能拥有较高的强度和韧性
，可能保险飞机在高空的低温环境下飞行安全靠得住
，出格是飞行高度更高的军用飞机
，资料的耐低温机能尤其沉要
。此表
，钛金属的无磁机能可能屏蔽磁场
，削减电磁波对飞机电子设备和仪器的滋扰
，提高电子设备的靠得住性和检测精度
。

2.1　在飞机结构上的利用

基于钛合金的优异机能
，美国早在20世纪50年代就在航空飞机中使用钛合金造作机身隔热板、导风罩、机尾罩等关键部件
。到20世纪60年代
，则将钛合金用于飞机机身中的隔框、梁、襟翼滑轨等沉要承力构件的造作上
。随着钛合金在飞机上大量使用
，人们充分意识到使用钛金属在飞机机能提升方面的优势
，形成了“越是先进的飞机
，钛用量越大”的观点
。如1970年服役的C-5飞机钛合金用量破纪录的达到飞机沉量的6%
，后来设计的C-17大型运输机达到了10.3%
，更先进的第4代战斗机F22的用钛量高达42%
。表3为美国各类飞机使用钛合金的比例［29］
。

表 3 美国各类型号飞机用钛金属的比例 [29]

截至目前
，世界唯一款全钛飞机SR-71（黑鸟）是由美国洛克希德公司研造的M3高空高速战术窥伺机
，从1963年2月起头研造
，1964年12月试飞
，1966年1月交付使用
。为了提高高空机能
，气动表形选取三角翼和双垂翼
，发起机安插在机翼上
。其钛合金使用量高达93％
，飞行马赫数为3.0
，飞行的高度达到26200m
。图1为SR-71黑鸟的照片［30］
。

在军机方面
，中国的航空业发展较晚
，从仿造苏式飞机起头
，到自行设计走过了漫长的岁月
，在军机钛金属利用方面也走出了一条自己的路线
。20世纪60年代服役的J-7飞机钛零件的用量仅为9kg（如表4所示）
，20世纪80年代服役的J-8Ⅱ飞机钛零件的用量就达到了93kg
，而机能先进的J-10和J-20别离达到了11%和20%
，Y-20大型运输机的用钛金属资料更多
，超过了20t［31］
。中国军用飞机用钛金属的比例如表4所示
。

表 4 中国军用飞机用钛金属的比例 [31]

在民航飞机方面
，美国的大型宽体客机从B777起头
，后续的宽体客机也起头大量使用钛金属
，如表5所示
。从表5能够看出
，空钟装巨无霸”A380飞机迪胙用量达到飞机总沉量的10%
。中国设计的C909和C919继承了先进的设计理想
，钛合金的用量处于先进行列
。

表 5 民航飞机用钛金属的比例 [32]

A380飞机上有9个构件中使用了钛合金（如图2所示）
，钛合金的用量占总沉量的10%
，单机用钛合金约65t
。中国自主设计造作的C919客机也在发起机悬挂、尾翼、表翼、中央翼、机优等选取了自主研发和出产的高机能Ti6Al4V和Ti-55531钛合金
，其沉量也达到了总沉量的10%
。

2.2　在飞机发起机上的利用

随着航空工业向着飞行高度更高
，速度更快的方向发展
，对飞机的发起机提出了大推力的要求
，如发起机的推沉比从6提高到10
，压气机出口的温度也要从300℃增长到600℃
。早期使用的铝合金低压压气机盘和叶片就无法满足更高的出口温度的要求
，必须使用耐温机能好迪胙合金资料造作高压压气机盘和叶片等部件
。早期的发起机推力较幼
，钛合金的用量仅占发起机资料的2%
，到推力更大的TF89发起机时
，钛合金的占比达到32%
。因而
，人们时时用发起机用钛量的几多衡量发起机机能的先进水平
。表6是各类发起机上使用钛计算的占比
，能够发现先进的发起机钛合金用量占比不休提升
，飞机的综合机能大幅提高
。其中
，波音B707-120飞机搭载着4台JT-3C发起机
，巡航速度为965km/h
，搭载137名左右乘客
，最大航程约为6700km
。而同样选取4台推力更大JT-9D发起机的波音B747飞机
，巡航速度为900~960km/h
，搭载400~600名乘客
，最大航程超过14000km
。

表 6 飞机发起机上使用钛合金的占比 [32]

RollS-Royce公司在设计先进机能飞机发起机时就是基于提高推沉比的考量
，在低温段的电扇、低压压气机、高压压气机等使用了大量的高机能钛合金（如图3所示）
，钛金属资料的占比达到30%以上
。中国2002年设计定型的昆仑涡轮发起机
，钛用量提高至15%
。中国第1台涡扇发起机钛用量达到25%
，彰显着中国飞机发起机的机能进入了世界先进行列
。

2.3　在航空伺服液压作动器上的利用

航空作动器系统是指航空器上从节造指令产生到执行指令
，实现肯定的功率输出或驱动负载活动的整套独立系统
。图4是现有飞机上使用液压作动器的图片
，其中图4（a）、（b）别离是发起机矢量喷管节造的示意图和照片；图4（c）、（d）、（e）别离是三种飞机液压起落架照片；图4（f）是液压节造的飞机减速板照片
。

从物理架构层面来看
，航空作动系统应蕴含操作装置、节造器、传动装置、执行装置（航空作动器）和各类传感器等
。在航空领域
，作动系统典型利用领域如图5所示［33］
。从图5能够意识到航空作动系统是飞机和发起机节造的关键系统
，在飞行节造系统、机电系统、兵器系统、进气路节造系统、反推力节造系统、矢量推力节造系统、发起机节造系统等7个系统中的27套部件上均使用着液压作动器


？湛虯320飞机上仅飞行节造、起落架、刹车系统的作动器至少就有37件（套）
。若是将这些钢造的作动器换成比强度高迪胙合金作动器
，就能够实现减沉40%以上
。从目前利用近况来看
，已经出现了用高温钛合金造作的飞机作动筒
，但钛合金在航空伺服液压作动器上大量使用还必要肯定的功夫
，仍要攻克一系列技术难题
，如钛合金高压油管接头的加工成形技术等
。

飞机的飞行节造系统是为驾驶员把持节造各把持面（起落舵、方向舵、副翼等）的活动提供动力的
，这是由于大型飞机上仅一对副翼的沉量可达1吨以上
，要使这个庞然大物活动就催生了液压助力机构
。并且
，重大的飞机只有在液压起落架作用下能力实现安全起降
，有了液压动力
，飞行员能够自若、安全地节造飞机
。这些液压动力系统中重要蕴含液压泵、液压缸、液压马达、液压阀、液压油箱、液压油管及接优等零部件
，而用高强度钛合金进行代替
，以减轻液压系统的沉量是目前飞机节造系统钻营的指标［33-34］
。第六代战斗机要求超音速巡航速度、超机动能力和超长航程
，因而
，在发起机提供壮大的推力情况下
，必要飞机拥有矫捷的节造系统
，也就是说节造飞机和发起机的作动系统必要有极度精准的作为
。因而
，造作节造矫捷、轻质迪胙合金液压作动器系统也是航空飞行器钻营的方向
。

但在现实实际中存在着两个技术难点：（1）钛合金作为飞机节造通常的液压作动筒从强度方面和抗委顿方面问题不大
，但作为大型飞机的起落架资料
，现有迪胙合金还无法达到钢1860MPa的抗拉强度及300MPa的抗委顿极限指标
，故还需开发强度更高迪胙合金资料
。（2）钛合金的耐磨机能差
，作动器受力复杂
，磨损严沉
，只有经过先进的表表处置后能力满足作动器的刻薄要求
。西北有色金属钻研院钻研人怨仉对这一使用环境
，发了然钛合金表表无氢渗碳技术
，攻克了钛合金作动筒与活塞杆的摩擦失效难题
，并且
，表表改性层降低了摩擦副的摩擦系数［35-42］
，使作动筒的作为越发矫捷
，用该技术处置迪胙合金作动筒成功地用于飞机发起机矢量喷管的节造作动筒上［34
，43］
。

3、钛金属在航空领域利用的发展趋向

钛合金在航空领域的利用从大的方面讲重要是飞机机体结构、飞机发起机、飞机液压系统
。如前文所述
，在飞机机体结构方面重要是飞机机身框架、蒙皮、窗户框架、舱门、机翼结构等
。在飞机发起机方面重要是压气机叶片、叶盘、机匣
，发起机扇叶片脊合金；ふ值
。而在飞机液压方面重要是储能器、作动筒、输油管及泵阀等
。针对这样分歧的使用场景
，对钛合金的要求也不一样
，钻研方向也不一样
，但对钛合金资料需要的发展方向趋于一致
，重要体此刻高机能化、低成本化、造作精密化三个方面
。

3.1　高机能化

钛金属的高机能化重要体此刻：（1）抗高温机能方面：为满足航空发起机在高温环境下的工作需要
，研发可不变利用于600℃以上的高温钛合金是沉要方向
。如通过调整β平衡元素含量
，提升钛合金高热抗拉强度；参与稀土金属
，加强钛合金热不变性；研颁发表处置及合金化技术
，提高合金表层抗氧化机能等
。（2）高强韧化方面：研造抗拉强度高且韧性优良的高强钛合金
，以满足航空宇航设备结构件在接受更高载荷时的利用需要
。持续钻研以TC21为代表的α/β钛合金
，以及以Ti-5553为代表的β钛合金等高强韧钛合金
，不休深入利用
。（3）综合机能优化方面：针对复杂环境下的服役需要
，研造综合机能凸起迪胙合金
，如拥有优良低温机能的低温钛合金
，拥有阻燃机能的阻燃钛合金等
。深刻钻研高空、远程、低空等空域中飞机对资料的要求
，细化服役前提
，明确技术机能指标
。

3.2　低成本化

在合金成分优化方面：用价值相对便宜的Fe元素等低成本金属元素代替昂贵的Nb、Mo、V等元素
，在保障资料机能要求的前提下
，降低钛合金原资料成本
。在钛合金低成本加工方面：钻研创新性的短流程等资料加工技术、表表改性技术和钛合金零件的低成本成形技术
，如低成本的等温铸造技术、近净成型技术和3D打印技术等
。

3.3　造作精密化

将数字造作与仿照技术相结合
，借助数字加工伎俩
，对钛合金的加工过程进行精确节造和优化
，钻研钛合金资料在加工过程中的流动、应力散布及表表状态变动等
，降低加工缺点
，提高造作质量和效能
，降低高精度零件的造作成本
。

4、实现语

钛合金在航空领域中的利用起步较早
，但规；玫尼∧桓崭湛
，通过深刻钻研钛合金的服役要求
，优化钛合金资料的加工过程
，提高钛合金零件的造作水平
，并不休地通过技术创新降低钛合金零件的使用成本
。同时
，随着中国C919、C929等大型客机和五代机、六代机等先进军机以及大推力航空发起机对钛合金需要的发展
，中国在航空领域每年使用钛合金的沉量达到20万t的指标可能很快就能够实现
。

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（注
，原文标题：钛金属在交通运输领域的利用及发展趋向：航空篇_周廉）