鈦及鈦合金與美國航天工業(yè)的發(fā)展密不可分，沒有鈦工業(yè)的發(fā)展，航天工業(yè)是不會如此快速發(fā)展與興旺發(fā)達的。由于鈦及鈦合金具有一系列優(yōu)點，如密度雖比4N鋁（2.70g/cm3）的大67%，但卻只有鐵密度（7.86g/cm3）的57.3%，比鋼輕得多，僅這一點就可以大大減輕航天器的發(fā)射重量，增加射程，節(jié)省費用，所以，自上世紀70年代鈦的工業(yè)化生產(chǎn)以來，鈦就與航天工業(yè)結(jié)下了不懈之緣，成了航天工業(yè)不可多得的熱門結(jié)構(gòu)材料，例如，美國一級火箭發(fā)動機殼體材料最廣泛使用的就是Ti-6Al-4V合金；洲際彈道導彈、“民兵”導彈等的球形及橢圓形發(fā)動機殼體也是用這種合金制的。此外，由于Ti-6Al-4V ELI和Ti-5Al-2.5Sn ELI合金間隙元素特別是氧含量低，有很好的低溫性能，是制造低溫結(jié)構(gòu)的首選材料，所以，用它們制備火箭與導彈液氫、液氧容器，“水星”及“雙子星座”飛船的密封艙，以及成功在月球上著陸的“阿波羅（Apollo）”飛船的主要結(jié)構(gòu)件。
鈦合金在美國航天工業(yè)中的應(yīng)用始于1955年，用了1.7t，僅占總消費量的1%，以后的用量逐年快速上升，1963年，用量占總消費量的32%，達到1784t，為1955年的1049.4倍。1963年后，每年的用量穩(wěn)定在1000t左右。鈦材在火箭、導彈和航天工業(yè)中主要用于制備壓力容器如低溫燃料容器、火箭發(fā)動機殼體和噴嘴套管、人造衛(wèi)星外殼、載人宇宙飛船船艙蒙皮及結(jié)構(gòu)骨架、主起落架、推進系統(tǒng)構(gòu)件。
制備圓球壓力容器的工藝：自由鍛－熱模鍛成形或以板材熱沖壓成形，再經(jīng)機械加工和氬弧焊接；或以板材超塑成形或旋壓成半球形，再氬弧焊接。所用的鈦及鈦合金有：工業(yè)純鈦、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復合材料等。用這些鈦合金制備：貯存壓縮氣體氦、氮以及液氫、四氧化二氮、偏二甲肼等液體推進劑壓力容器，固體燃料發(fā)動機殼體和液體燃料火箭發(fā)動機燃燒室殼體。
航天工業(yè)壓力容器鈦材的選擇
要求鈦材在室溫及低溫下有足夠高的強度、韌性、抗震及抗疲勞性能等，首選材料是Ti-6Al-4V合金，其次是Ti-5Al-2.5Sn合金。它們在較廣的溫度范圍內(nèi)都具有所需的性能，比強度和比彈性模量高、抗腐蝕性強、塑性和韌性好、低溫性能和可焊性上乘，但一般工業(yè)用合金由于過隙元素特別是氧和鐵的含量過高，于是美國推出了超純級的鈦合金，在牌號后添加ELI，軍用標準超純級鈦合金的鐵、氧含量約有一般工業(yè)用合金的50%（表1），顯著改善了合金的低溫性能，液氫溫度（-253℃）的伸長率為7%～15%，缺口強度/非缺口強度之比大于1。室溫塑性也有相當大的提高，可冷軋成0.25mm薄板。當前這兩種超純鈦合金是制造火箭與導彈液氫容器的當家材料。之后，在確保性能的前提下，為了降低生產(chǎn)成本，放寬了阿波羅飛船用的這兩種合金的雜質(zhì)含量（表2）。
航天器上的鈦壓力容器
航天器上用的各種壓力容器最早是用不銹鋼和鋁合金制的，后來用鈦合金，取得了預期的減重效果，還提高了容器的性能。“大力神”導彈用Ti-6Al-4V鈦合金取代原用的鋁合金后，每個導彈的質(zhì)量減輕68kg；“宇宙神”導彈用了3個鈦合金壓力容器取代原來不銹鋼的，減輕177kg；“徘徊者”第一級“宇宙神”火箭助推器采用了6個鈦合金壓力容器，第二級火箭“阿金納”用了5個鈦合金壓力容器，“徘徊者”本身用了3個，共計14個，比原先不銹鋼制的輕了272kg。
“阿波羅”飛船使用了約50個壓力容器，其中約85%是用Ti-6Al-4V和Ti-5Al和Ti-5Al-2.5Sn鈦合金制的，用于貯存液氮、液氦等壓縮氣體和推進劑及氧化劑。“大力神Ⅲ”過渡級發(fā)動機裝推進劑燃料混胼或偏二甲胼貯箱直徑1219mm、長4115mm，裝四氧化二氮氧化劑的貯箱直徑1524 mm、長3353mm，共有7個，是用Ti-6Al-4V合金鍛件制的。
貯氫箱是用Ti-5Al-2.5Sn合金制的，比用不銹鋼或鋁合金的輕30%～35%。“民兵”洲際導彈第二級火箭發(fā)動機殼體用的是Ti-6Al-4V合金，圓筒段用強力旋壓法制，比用不銹鋼的輕30%。“阿波羅”登月艙下降發(fā)動機燃燒室采用燒蝕冷卻的玻璃鋼襯里，外面的承壓殼體用Ti-6Al-4V合金制備。
