我们常常在电视节目或网络上看到关于航母建造的高成本,这是因为航母的建造涉及到多个技术领域和相关材料。所以光有资金还不够,还需要强大的工业基础和材料研发能力。
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航母甲板上的一颗铆钉据报道就可以换一辆轿车,可见其巨大的成本。这种铆钉并非普通铆钉,而是由钛合金制成的。这种昂贵的铆钉并不会在整个甲板上使用,只在起降战斗机的地方使用。
战斗机起飞时会喷出高于1000摄氏度的高温,因此甲板需要耐高温材料。高温材料的焊接技术并不成熟,所以甲板的拼装需要依赖钛合金铆钉来完成。
钛合金是以钛为基础,加入其他元素形成的合金。钛合金材料具有轻质、高强度、低弹性、耐高温、耐腐蚀等特点,主要用于航空发动机、火箭和导弹的部件。在普通工业中也会使用钛,不同行业会根据需求选择适合的钛合金等级。
钛合金是相对较新的金属,从研发至今只有六七十年的历史。20世纪后,传统的钢铁和铝已经无法满足航天航空、航海等领域的需求,1954年由美国公司研发出了钛合金材料。
当一个产品的材料采用了钛合金时,往往会吸引很多人的关注,因为钛合金被认为是高档金属材料的代表。这种昂贵的材料主要用于航空发动机和一些尖端武器装备。
实际上,钛合金的主要金属钛并不稀有。地球上钛元素的含量占地壳总质量的0.45%,仅次于铁、铝、镁等金属元素。已知的钛矿物种类超过140种,储量也相当丰富。
钛存在于钛铁矿和金红石等矿物中。纯钛呈银灰色,是一种轻质金属,密度仅为4.54克每立方厘米,熔点为1668摄氏度,具有可塑性。
钛备受追捧的原因是其自身的特性。作为一种轻质金属,钛的重量与强度比例最高。它的重量比钢轻44%,却具有与钢相近的机械强度,比铝强3倍。钛具有很强的抗腐蚀能力,在常温下,它的表面会形成致密的氧化膜,与铝类似。
钛还具有无毒和无磁的特性,非常适合工业生产。液态钛几乎可以与所有金属相溶,因此可以与多种金属形成合金。通过控制其他金属元素的比例,可以在保证轻质、高强度和耐腐蚀特性的获得更高的强度或更强的耐高温性能。钛甚至拥有记忆能力。钛是人体最相容的金属之一,医学领域也有应用,比如心脏支架、骨科钛板等。在日常生活中,眼镜框、手表框和某些体育用品也广泛采用钛合金。
有人可能会问,钛这种金属并不稀有,储量也很丰富,为什么钛合金还那么昂贵呢?
这涉及到金属的冶炼技术。钛合金的冶炼环境要求非常严苛,钛在高温条件下化学活性较小,因此冶炼钛合金必须在高温下进行。通常情况下,钛合金的冶炼温度要在800摄氏度以上,并且需要在真空环境下操作。相对于其他金属来说,这种冶炼环境更为苛刻。物以稀为贵,因此钛合金逐渐成为所谓的稀有金属,价格居高不下。
尽管钛合金的产量低且价格昂贵,但并不意味着使用量少。各国在一些尖端武器装备和国之重器上对钛合金的使用非常大。据透露,中国歼-20战斗机的机身,钛合金占了大约20%的重量,这些钛合金主要用于机身结构材料。
目前,钛合金材料在航空航天工业中的应用最为广泛,因此有人将钛合金称为“空间金属”。钛合金的轻量化、高强度和耐高温特性特别适合航空航天器制造。许多以前使用铝合金部件的产品也转而使用钛合金。
随着技术的发展,现代飞机的最高航速已经超过音速的3倍。这样快的超音速飞行会产生大量热量,使飞机与空气摩擦。一般而言,当飞行速度低于音速的两倍时,机身可以使用铝合金,但当飞行速度达到音速的两倍以上时,铝合金无法满足要求,必须采用耐高温性能更好的钛合金。当飞行速度超过音速的3倍时,需要在机身上使用更多的钛合金。
攻击核潜艇的一些部件,如内压艇壳和鱼雷舱,通常采用钛合金制造。钛合金具有无磁性、耐腐蚀性和高强度等特点,能有效抵抗炸弹的冲击波。钛合金材料还可使潜艇下潜深度更大,例如我国的“蛟龙号”载人舱就采用了钛合金材料,可下潜到超过7000米的深海,相当于每平方米要承受7000吨的压力,压力巨大。
目前,除了在航空、火箭发动机、潜艇和战机等高精尖设备上广泛使用钛合金外,各国还在常规或单兵装备上广泛应用钛合金,如榴弹炮和防弹头盔等。
目前,美、俄、中三国是世界上钛合金技术最强、应用最广的国家。中国是世界上钛矿储量最多的国家,约占全球总储量的28.9%。其中,钛铁矿储量约为7.2亿吨,占全球钛矿储量的92%;金红石储量约为4700万吨。两者合计约为7.67亿吨。中国已实现了钛合金的冶炼和加工产业化,在中国各领域广泛应用钛合金已不再存在原理和技术问题。相信未来,“空间金属”钛合金的应用范围将不再局限于航空航天领域。