鈦合金技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1、鈦的冶煉提取技術(shù)

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

2. 鈦合金熔煉技術(shù)

發(fā)展了冷床爐熔煉技術(shù)，包括電子束冷床爐和等離子冷床爐技術(shù)。目前，冷床爐熔煉已達(dá)到商業(yè)化水平，可熔煉重達(dá)25 噸的鑄錠。能生產(chǎn)無(wú)偏析、無(wú)夾雜的優(yōu)質(zhì)鈦及鈦合金鑄錠，滿足航空轉(zhuǎn)動(dòng)部件對(duì)高性能鈦材的需求；能生產(chǎn)扁錠、空心錠，簡(jiǎn)化板材和大管材的后續(xù)加工，并可大量回收殘鈦，但存在成本高、操作復(fù)雜等問(wèn)題。電子束和等離子冷床熔煉工藝在美國(guó)、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家得到了快速發(fā)展，電子束已成功應(yīng)用于純鈦和TC4 合金的熔煉，等離子束是熔煉復(fù)雜成分鈦合金的最有效手段。

俄羅斯發(fā)展了一種類似于冷床爐的熔煉技術(shù)，即“凝殼—自耗電極熔煉”。此外，冷坩堝熔煉技術(shù)近來(lái)也有較大發(fā)展，與離心澆鑄工藝結(jié)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(shí)間，實(shí)現(xiàn)完全懸浮熔煉，消除金屬凝殼。

我國(guó)已將研究感應(yīng)凝殼熔煉技術(shù)列入重點(diǎn)研究項(xiàng)目，在鈦合金的熔煉技術(shù)方面也取得了很大的發(fā)展。2008 年，我國(guó)共生產(chǎn)鈦錠3.4萬(wàn)噸，鈦加工材2.4萬(wàn)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(guó)。

3. 精密鑄造技術(shù)

失蠟法鑄造現(xiàn)稱熔模精密鑄造，是一種少切削或無(wú)切削的鑄造工藝，應(yīng)用廣泛，適用于各種類型、各種合金的鑄造，生產(chǎn)出的鑄件尺寸精度、表面質(zhì)量比其他鑄造方法要高，復(fù)雜、耐高溫、不易加工的鑄件均可用熔模精密鑄造。

近年來(lái)，鈦的鑄造技術(shù)主要發(fā)展了冷坩堝+ 離子澆鑄技術(shù)、真空吸鑄技術(shù)和真空壓鑄技術(shù)。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(chǎn)成本高，機(jī)械加工、鍛造、焊接等比較困難，采用精密鑄造技術(shù)，可以提高鈦合金材料的利用率，降低生產(chǎn)成本。通常金屬鑄件的力學(xué)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(yōu)化性能的最佳選擇。凝殼爐的應(yīng)用和熔模精密鑄造與金屬造型、陶瓷造型工藝的發(fā)展為許多大型復(fù)雜的薄壁鈦鑄件縮短生產(chǎn)時(shí)間、降低成本展現(xiàn)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(shù)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(shù)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(shù)

鈦合金等溫鍛造技術(shù)是一項(xiàng)新工藝，結(jié)合熱機(jī)械處理能獲得綜合力學(xué)性能最優(yōu)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(guī)鍛造方法高，大多用于制造飛機(jī)的零部件。

5. 鈦合金的熱處理

對(duì)鈦合金進(jìn)行固溶淬火和時(shí)效強(qiáng)化處理，能獲優(yōu)異工藝性能和使用性能，達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量、延長(zhǎng)使用壽命、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。目前，各國(guó)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(guó)伯明翰大學(xué)研制開(kāi)發(fā)了一種陶瓷相轉(zhuǎn)變處理技術(shù)—CCT 技術(shù)，通過(guò)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(fù)合層。用該技術(shù)制造的γ—TiA1 合金發(fā)動(dòng)機(jī)閥，可將剪切抗力提高100 倍。利用該技術(shù)，可以在TiNi 形狀記憶合金表面形成TiO2 陶瓷相復(fù)合層。

特種熱處理工藝是國(guó)防工業(yè)系統(tǒng)關(guān)鍵制造技術(shù)之一。美國(guó)為加速其航天飛機(jī)的發(fā)展，由5 家公司組成聯(lián)合體共同開(kāi)發(fā)針對(duì)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(fù)合材料，高蠕變強(qiáng)度材料及高導(dǎo)熱材料。

6. 鈦合金焊接技術(shù)

大多數(shù)鈦合金可以使用氧乙炔焊的方法進(jìn)行焊接，所有的鈦合金均可使用固態(tài)焊接法進(jìn)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(guó)內(nèi)外對(duì)鈦及鈦合金焊接方法的研究和焊接效果來(lái)看，TIG 焊和激光焊的焊接質(zhì)量?jī)?yōu)良。激光焊接技術(shù)具有功率密度高、熱影響區(qū)小、焊件殘余應(yīng)力和變形小、焊接速度高、可焊接難焊材料 ( 陶瓷、有機(jī)玻璃) 等優(yōu)點(diǎn)，有很好的應(yīng)用前景。

鈦及鈦合金焊接技術(shù)的發(fā)展方向是便于操作、焊接過(guò)程自動(dòng)化、智能化，從而提高焊接生產(chǎn)率、焊接質(zhì)量穩(wěn)定性以及節(jié)約能源，有利于環(huán)境保護(hù)等。

7. 鈦合金冷成型及加工技術(shù)

生產(chǎn)技術(shù)方面，克勞爾法仍是生產(chǎn)海綿鈦的主導(dǎo)工藝，電子束冷床爐熔煉技術(shù)已在鈦鑄錠制備上達(dá)到了商業(yè)化應(yīng)用，大型鍛件和精密鍛造技術(shù)在不斷發(fā)展，激光成型等近凈成型技術(shù)在不斷得到應(yīng)用。一些常規(guī)加工技術(shù)如鍛造、軋制等已完全實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在鈦合金中的應(yīng)用解決了一些實(shí)際問(wèn)題。降低鈦合金加工制造成本的另一個(gè)方向是開(kāi)發(fā)可冷變形的β 鈦合金。

鈦合金特種加工技術(shù)有激光加工技術(shù)、電子束加工技術(shù)、離子束及等離子體加工技術(shù)、電加工技術(shù)等。鈦合金固態(tài)自由成型技術(shù)包括電子束熔化成型、激光熔化成型技術(shù)、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(shù)

從以熱滲擴(kuò)、電鍍、真空鍍膜等為代表的傳統(tǒng)表面強(qiáng)化、耐磨處理技術(shù)，發(fā)展到現(xiàn)階段以等離子滲、離子束、電子束、激光束的應(yīng)用為標(biāo)志的現(xiàn)代表面處理技術(shù)，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(qiáng)化技術(shù)正朝著多種表面技術(shù)綜合應(yīng)用以及多層復(fù)合膜層的研究制備方向發(fā)展。

9. 鈦合金的最新加工技術(shù)

（1）近凈成形技術(shù)。傳統(tǒng)的鈦合金材料加工技術(shù)是以海綿鈦?zhàn)鳛樵希?jīng)過(guò)備料—制備電極—一次真空自耗熔煉—二次熔煉—開(kāi)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(shù)進(jìn)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(shù)制備鑄錠或粉末冶金的方法制備坯料，然后通過(guò)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(fù)雜形狀的各種鈦合金零部件，并達(dá)到近凈尺寸成形的目的。

寶鋼開(kāi)發(fā)了鈦合金鍛件近凈形技術(shù)——等溫超塑變形工藝。該工藝通過(guò)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(jìn)行較慢速度變形而獲得近凈形尺寸鍛件而得到越來(lái)越多地應(yīng)用。

粉末注射成型（ 簡(jiǎn)稱PIM）是將現(xiàn)代塑料注射成型技術(shù)引入粉末冶金領(lǐng)域形成的一門(mén)新型粉末冶金近凈成型技術(shù)，是國(guó)際粉末冶金領(lǐng)域中發(fā)展最迅速、最有前途的一種新型近凈成型技術(shù)。

噴射成形具有快速凝固一次成形的優(yōu)點(diǎn)，目前已在發(fā)展新型合金、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件凈成形等方面顯示出巨大的潛在經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

（2）超塑性成形技術(shù)。目前，鈦合金超塑成形技術(shù)主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)其他領(lǐng)域的應(yīng)用將是超塑成形技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。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(wú)模拉伸等。鈦合金超塑性成形技術(shù)的應(yīng)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(kuò)散連接結(jié)合技術(shù)（SPF/DB）、鈦合金超塑性成形模具材料選用研究等。

產(chǎn)業(yè)界逐漸把超塑成型技術(shù)作為解決復(fù)雜、大型或用常規(guī)成型方法難以加工的材料成型的—個(gè)重要途徑。并把金屬超塑性成型工藝稱為21 世紀(jì)的成型技術(shù)，特別是在航空航天領(lǐng)域在大力發(fā)展這種技術(shù)。

這種技術(shù)能顯著地降低構(gòu)件成本、減輕質(zhì)量、節(jié)約原材料和解決加工困難的問(wèn)題。超塑性成型是鈦合金零部件的優(yōu)良成形方法，非常適用于制造導(dǎo)彈零部件，如鈦合金導(dǎo)彈外殼、整流罩、容器、梁和框及鈦球等。

目前開(kāi)發(fā)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(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)。世界各國(guó)先后展開(kāi)了對(duì)鈦及鈦合金材料熔煉、鑄造以及加工制造過(guò)程、熱處理等方面的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的研究和相關(guān)軟件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算設(shè)計(jì)加工工藝，可以避免傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的許多缺點(diǎn)，節(jié)省了人力、物力，同時(shí)極大地提高了新材料制備和加工工藝設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

鈦合金技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)鈦的擴(kuò)大化應(yīng)用，鈦的制備和加工亟待實(shí)現(xiàn)低成本化，包括海綿鈦生產(chǎn)、材料設(shè)計(jì)及加工過(guò)程的低成本化；高效、短流程鈦合金加工技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，如單次冷床爐熔煉直接軋制技術(shù)，鈦帶連續(xù)加工技術(shù)等；發(fā)展近凈成形技術(shù)，包括粉末冶金、精密鑄造、精密模鍛、噴射成形等；鈦的推廣應(yīng)用，包括生物用鈦、汽車用鈦及建筑用鈦等。

鈦合金技術(shù)發(fā)展建議

開(kāi)發(fā)新型鈦合金材料，擴(kuò)大鈦合金應(yīng)用領(lǐng)域，努力服務(wù)于我國(guó)海軍裝備建設(shè)和民用市場(chǎng)。鈦在民用市場(chǎng)的兩大應(yīng)用領(lǐng)域，即汽車工業(yè)用鈦合金和生物醫(yī)用鈦合金的進(jìn)展步伐加快，將會(huì)很快成為未來(lái)鈦的兩大應(yīng)用領(lǐng)域。大力加強(qiáng)海綿鈦新生產(chǎn)工藝和新型低成本鈦合金的研究與開(kāi)發(fā)。在新工藝方面，冷床爐熔煉技術(shù)（電子束冷床爐和等離子冷床爐技術(shù)）、激光成型技術(shù)、注射成型技術(shù)、冷坩堝精密鑄造技術(shù)、真空吸鑄技術(shù)、真空壓鑄技術(shù)、激光焊接技術(shù)、近凈成型技術(shù)將得到更廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。低成本化，即發(fā)展不含或少含貴金屬元素，可利用低價(jià)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(fā)展鈦合金的連鑄連軋技術(shù)。采用先進(jìn)加工工藝來(lái)降低鈦材生產(chǎn)成本，降低鈦合金加工制造成本的另一個(gè)方向是開(kāi)發(fā)可冷變形的β鈦合金。大力發(fā)展鈦合金特種加工技術(shù)包括激光加工技術(shù)、電子束加工技術(shù)、離子束及等離子體加工技術(shù)、電加工技術(shù)。

（作者單位：中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所）

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