鈦合金技術發展現狀

1、鈦的冶煉提取技術

鈉還原法和鎂還原法是生產海綿鈦的主要方法，另外有美國的改進型克勞爾法、阿姆斯特朗法、SRI 法等，還有導電體介入還原法、Hunter法、Armstrong 法等。

2. 鈦合金熔煉技術

發展了冷床爐熔煉技術，包括電子束冷床爐和等離子冷床爐技術。目前，冷床爐熔煉已達到商業化水平，可熔煉重達25 噸的鑄錠。能生產無偏析、無夾雜的優質鈦及鈦合金鑄錠，滿足航空轉動部件對高性能鈦材的需求；能生產扁錠、空心錠，簡化板材和大管材的后續加工，并可大量回收殘鈦，但存在成本高、操作復雜等問題。電子束和等離子冷床熔煉工藝在美國、日本等工業發達國家得到了快速發展，電子束已成功應用于純鈦和TC4 合金的熔煉，等離子束是熔煉復雜成分鈦合金的最有效手段。

俄羅斯發展了一種類似于冷床爐的熔煉技術，即“凝殼—自耗電極熔煉”。此外，冷坩堝熔煉技術近來也有較大發展，與離心澆鑄工藝結合用于鈦鑄件精密鑄造，目前正在制造第二代冷坩堝熔煉爐。第二代冷坩堝爐可大大提高熔化能力，縮短熔煉時間，實現完全懸浮熔煉，消除金屬凝殼。

我國已將研究感應凝殼熔煉技術列入重點研究項目，在鈦合金的熔煉技術方面也取得了很大的發展。2008 年，我國共生產鈦錠3.4萬噸，鈦加工材2.4萬噸；凈出口海綿鈦4450 噸；凈出口鈦加工材4083噸，成為海綿鈦和鈦加工材的凈出口國。

3. 精密鑄造技術

失蠟法鑄造現稱熔模精密鑄造，是一種少切削或無切削的鑄造工藝，應用廣泛，適用于各種類型、各種合金的鑄造，生產出的鑄件尺寸精度、表面質量比其他鑄造方法要高，復雜、耐高溫、不易加工的鑄件均可用熔模精密鑄造。

近年來，鈦的鑄造技術主要發展了冷坩堝+ 離子澆鑄技術、真空吸鑄技術和真空壓鑄技術。鈦合金熔模精密鑄造典型工藝有石墨熔模型殼，金屬鎢面層陶瓷型殼，氧化物陶瓷型殼。

鈦合金材料生產成本高，機械加工、鍛造、焊接等比較困難，采用精密鑄造技術，可以提高鈦合金材料的利用率，降低生產成本。通常金屬鑄件的力學性能低于鍛件性能，但鈦精密鑄件的使用性能大體與鈦鍛件相近，精密鑄造成為降低成本、優化性能的最佳選擇。凝殼爐的應用和熔模精密鑄造與金屬造型、陶瓷造型工藝的發展為許多大型復雜的薄壁鈦鑄件縮短生產時間、降低成本展現了一定的空間。目前，高性能的鈦合金大型整體精鑄件，大多數都是采用金屬面層陶瓷型殼或氧化物面層陶瓷型殼澆注的。大型薄壁精密鑄造技術使鈦鑄件性能接近鈦鍛件，而成本較鈦鍛件降低約50%。

4. 鈦合金等溫鍛造技術

鈦合金等溫鍛造技術是一項新工藝，結合熱機械處理能獲得綜合力學性能最優化的鈦合金等溫鍛件，但在模具材料、模具制造和模具加熱裝置等方面的成本投入比常規鍛造方法高，大多用于制造飛機的零部件。

5. 鈦合金的熱處理

對鈦合金進行固溶淬火和時效強化處理，能獲優異工藝性能和使用性能，達到提高產品質量、延長使用壽命、提高經濟效益的目的。目前，各國紛紛尋求新的熱處理方法，以滿足鈦合金工程提出的新要求。英國伯明翰大學研制開發了一種陶瓷相轉變處理技術—CCT 技術，通過熱處理，在γ—TiA1 合金表面形成氧化鋁和二氧化鈦的陶瓷相復合層。用該技術制造的γ—TiA1 合金發動機閥，可將剪切抗力提高100 倍。利用該技術，可以在TiNi 形狀記憶合金表面形成TiO2 陶瓷相復合層。

特種熱處理工藝是國防工業系統關鍵制造技術之一。美國為加速其航天飛機的發展，由5 家公司組成聯合體共同開發針對5 種新材料的成形及熱處理工藝，即高溫Ti-Al 化合物，C/C 及陶瓷基復合材料，高蠕變強度材料及高導熱材料。

6. 鈦合金焊接技術

大多數鈦合金可以使用氧乙炔焊的方法進行焊接，所有的鈦合金均可使用固態焊接法進行焊接（如TIG、MIG、等離子弧焊、激光焊、電子束焊和電阻焊等）。

從近幾年國內外對鈦及鈦合金焊接方法的研究和焊接效果來看，TIG 焊和激光焊的焊接質量最好。激光焊接技術具有功率密度高、熱影響區小、焊件殘余應力和變形小、焊接速度高、可焊接難焊材料 ( 陶瓷、有機玻璃) 等優點，有很好的應用前景。

鈦及鈦合金焊接技術的發展方向是便于操作、焊接過程自動化、智能化，從而提高焊接生產率、焊接質量穩定性以及節約能源，有利于環境保護等。

7. 鈦合金冷成型及加工技術

生產技術方面，克勞爾法仍是生產海綿鈦的主導工藝，電子束冷床爐熔煉技術已在鈦鑄錠制備上達到了商業化應用，大型鍛件和精密鍛造技術在不斷發展，激光成型等近凈成型技術在不斷得到應用。一些常規加工技術如鍛造、軋制等已完全實現了計算機自動控制。人工神經網絡模型在鈦合金中的應用解決了一些實際問題。降低鈦合金加工制造成本的另一個方向是開發可冷變形的β 鈦合金。

鈦合金特種加工技術有激光加工技術、電子束加工技術、離子束及等離子體加工技術、電加工技術等。鈦合金固態自由成型技術包括電子束熔化成型、激光熔化成型技術、等離子變弧成型(PTA)、激光精密金屬沉積。

8. 鈦合金表面處理技術

從以熱滲擴、電鍍、真空鍍膜等為代表的傳統表面強化、耐磨處理技術，發展到現階段以等離子滲、離子束、電子束、激光束的應用為標志的現代表面處理技術，如表面氮化（氣體氮化、等離子氮化）、表面滲元素合金化、激光熔覆等。目前，鈦及鈦合金表面強化技術正朝著多種表面技術綜合應用以及多層復合膜層的研究制備方向發展。

9. 鈦合金的最新加工技術

（1）近凈成形技術。傳統的鈦合金材料加工技術是以海綿鈦作為原料，經過備料—制備電極—一次真空自耗熔煉—二次熔煉—開坯鍛造—二次鍛造—軋制或擠壓，最終得到棒材或板材成品。近凈成形技術進行鈦及鈦合金材料加工則是以海綿鈦+鈦屑或鈦及鈦合金粉末作為原材料，利用PAM 單錠熔煉技術制備鑄錠或粉末冶金的方法制備坯料，然后通過軋制或擠壓直接出成品。近凈成形方法包括激光成形、精密鑄造、精密模鍛、粉末冶金、噴射成形等多種方法，可成形復雜形狀的各種鈦合金零部件，并達到近凈尺寸成形的目的。

寶鋼開發了鈦合金鍛件近凈形技術——等溫超塑變形工藝。該工藝通過將鍛件毛坯放置在加熱到變形溫度或接近變形溫度的模具中進行較慢速度變形而獲得近凈形尺寸鍛件而得到越來越多地應用。

粉末注射成型（ 簡稱PIM）是將現代塑料注射成型技術引入粉末冶金領域形成的一門新型粉末冶金近凈成型技術，是國際粉末冶金領域中發展最迅速、最有前途的一種新型近凈成型技術。

噴射成形具有快速凝固一次成形的優點，目前已在發展新型合金、實現復雜構件凈成形等方面顯示出巨大的潛在經濟效益和社會效益。

（2）超塑性成形技術。目前，鈦合金超塑成形技術主要應用于航空航天領域，開發其他領域的應用將是超塑成形技術發展的必然趨勢。最新的超塑成形加工方法有超塑等溫鍛造、氣壓成形、超塑擠壓真空成形、深沖、無模拉伸等。鈦合金超塑性成形技術的應用有超塑性等溫鍛造、超塑性擠壓、超塑性氣脹、超塑性成形與擴散連接結合技術（SPF/DB）、鈦合金超塑性成形模具材料選用研究等。

產業界逐漸把超塑成型技術作為解決復雜、大型或用常規成型方法難以加工的材料成型的—個重要途徑。并把金屬超塑性成型工藝稱為21 世紀的成型技術，特別是在航空航天領域在大力發展這種技術。

這種技術能顯著地降低構件成本、減輕質量、節約原材料和解決加工困難的問題。超塑性成型是鈦合金零部件的最好成形方法，非常適用于制造導彈零部件，如鈦合金導彈外殼、整流罩、容器、梁和框及鈦球等。

目前開發出的超塑性鈦合金有：Ti-6Al-4V、Ti-6Al-5V、Ti-6Al-4V-2Ni、Ti-10V-2Fe-3Al 等，其中Ti-6Al-4V 的使用已較為廣泛。

（3）材料制備及加工過程的計算機模擬技術。世界各國先后展開了對鈦及鈦合金材料熔煉、鑄造以及加工制造過程、熱處理等方面的計算機模擬技術的研究和相關軟件的設計開發。通過計算機模擬計算設計加工工藝，可以避免傳統設計的許多缺點，節省了人力、物力，同時極大地提高了新材料制備和加工工藝設計的準確性。

鈦合金技術發展趨勢

為了進一步實現鈦的擴大化應用，鈦的制備和加工亟待實現低成本化，包括海綿鈦生產、材料設計及加工過程的低成本化；高效、短流程鈦合金加工技術的開發和應用，如單次冷床爐熔煉直接軋制技術，鈦帶連續加工技術等；發展近凈成形技術，包括粉末冶金、精密鑄造、精密模鍛、噴射成形等；鈦的推廣應用，包括生物用鈦、汽車用鈦及建筑用鈦等。

鈦合金技術發展建議

開發新型鈦合金材料，擴大鈦合金應用領域，努力服務于我國海軍裝備建設和民用市場。鈦在民用市場的兩大應用領域，即汽車工業用鈦合金和生物醫用鈦合金的進展步伐加快，將會很快成為未來鈦的兩大應用領域。大力加強海綿鈦新生產工藝和新型低成本鈦合金的研究與開發。在新工藝方面，冷床爐熔煉技術（電子束冷床爐和等離子冷床爐技術）、激光成型技術、注射成型技術、冷坩堝精密鑄造技術、真空吸鑄技術、真空壓鑄技術、激光焊接技術、近凈成型技術將得到更廣泛的應用和發展。低成本化，即發展不含或少含貴金屬元素，可利用低價母合金原料的鈦合金，能充分利用殘料的鈦合金和易加工成型、易切削加工的鈦合金以及發展鈦合金的連鑄連軋技術。采用先進加工工藝來降低鈦材生產成本，降低鈦合金加工制造成本的另一個方向是開發可冷變形的β鈦合金。大力發展鈦合金特種加工技術包括激光加工技術、電子束加工技術、離子束及等離子體加工技術、電加工技術。

（作者單位：中國船舶重工集團公司第七二五研究所）

相關鏈接