责编·作者：王祝堂
表1 美国工业钛合金和军标超级纯钛合金的成分比较
表2 阿波罗飞船用的钛合金的分析成分，%
钛及钛合金与美国航天工业的发展密不可分，没有钛工业的发展，航天工业是不会如此快速发展与兴旺发达的。由于钛及钛合金具有一系列优点，如密度虽比4N铝（2.70g/cm3）的大67%，但却只有铁密度（7.86g/cm3）的57.3%，比钢轻得多，仅这一点就可以大大减轻航天器的发射重量，增加射程，节省费用，所以，自上世纪70年代钛的工业化生产以来，钛就与航天工业结下了不懈之缘，成了航天工业不可多得的热门结构材料，例如，美国一级火箭发动机壳体材料最广泛使用的就是Ti-6Al-4V合金；洲际弹道导弹、“民兵”导弹等的球形及椭圆形发动机壳体也是用这种合金制的。此外，由于Ti-6Al-4V ELI和Ti-5Al-2.5Sn ELI合金间隙元素特别是氧含量低，有很好的低温性能，是制造低温结构的首选材料，所以，用它们制备火箭与导弹液氢、液氧容器，“水星”及“双子星座”飞船的密封舱，以及成功在月球上着陆的“阿波罗（Apollo）”飞船的主要结构件。
钛合金在美国航天工业中的应用始于1955年，用了1.7t，仅占总消费量的1%，以后的用量逐年快速上升，1963年，用量占总消费量的32%，达到1784t，为1955年的1049.4倍。1963年后，每年的用量稳定在1000t左右。钛材在火箭、导弹和航天工业中主要用于制备压力容器如低温燃料容器、火箭发动机壳体和喷嘴套管、人造卫星外壳、载人宇宙飞船船舱蒙皮及结构骨架、主起落架、推进系统构件。
制备圆球压力容器的工艺：自由锻－热模锻成形或以板材热冲压成形，再经机械加工和氩弧焊接；或以板材超塑成形或旋压成半球形，再氩弧焊接。所用的钛及钛合金有：工业纯钛、Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-6Al-4V ELI、 Ti-5Al-2.5Sn ELI、Ti-7Al-4Mo、Ti-3Al-2.5V、Ti-13V-11Cr-3AI、Ti-15V-3Cr-3Sn-3AI及Ti/B-AI复合材料等。用这些钛合金制备：贮存压缩气体氦、氮以及液氢、四氧化二氮、偏二甲肼等液体推进剂压力容器，固体燃料发动机壳体和液体燃料火箭发动机燃烧室壳体。
航天工业压力容器钛材的选择
要求钛材在室温及低温下有足够高的强度、韧性、抗震及抗疲劳性能等，首选材料是Ti-6Al-4V合金，其次是Ti-5Al-2.5Sn合金。它们在较广的温度范围内都具有所需的性能，比强度和比弹性模量高、抗腐蚀性强、塑性和韧性好、低温性能和可焊性上乘，但一般工业用合金由于过隙元素特别是氧和铁的含量过高，于是美国推出了超纯级的钛合金，在牌号后添加ELI，军用标准超纯级钛合金的铁、氧含量约有一般工业用合金的50%（表1），显著改善了合金的低温性能，液氢温度（-253℃）的伸长率为7%～15%，缺口强度/非缺口强度之比大于1。室温塑性也有相当大的提高，可冷轧成0.25mm薄板。当前这两种超纯钛合金是制造火箭与导弹液氢容器的当家材料。之后，在确保性能的前提下，为了降低生产成本，放宽了阿波罗飞船用的这两种合金的杂质含量（表2）。
航天器上的钛压力容器
航天器上用的各种压力容器最早是用不锈钢和铝合金制的，后来用钛合金，取得了预期的减重效果，还提高了容器的性能。“大力神”导弹用Ti-6Al-4V钛合金取代原用的铝合金后，每个导弹的质量减轻68kg；“宇宙神”导弹用了3个钛合金压力容器取代原来不锈钢的，减轻177kg；“徘徊者”第一级“宇宙神”火箭助推器采用了6个钛合金压力容器，第二级火箭“阿金纳”用了5个钛合金压力容器，“徘徊者”本身用了3个，共计14个，比原先不锈钢制的轻了272kg。
“阿波罗”飞船使用了约50个压力容器，其中约85%是用Ti-6Al-4V和Ti-5Al和Ti-5Al-2.5Sn钛合金制的，用于贮存液氮、液氦等压缩气体和推进剂及氧化剂。“大力神Ⅲ”过渡级发动机装推进剂燃料混胼或偏二甲胼贮箱直径1219mm、长4115mm，装四氧化二氮氧化剂的贮箱直径1524 mm、长3353mm，共有7个，是用Ti-6Al-4V合金锻件制的。
贮氢箱是用Ti-5Al-2.5Sn合金制的，比用不锈钢或铝合金的轻30%～35%。“民兵”洲际导弹第二级火箭发动机壳体用的是Ti-6Al-4V合金，圆筒段用强力旋压法制，比用不锈钢的轻30%。“阿波罗”登月舱下降发动机燃烧室采用烧蚀冷却的玻璃钢衬里，外面的承压壳体用Ti-6Al-4V合金制备。
本文经「原本」原创认证，作者中国有色金属报社，访问yuanben.io查询【5JGJQBR6】获取授权信息。
