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)無偏析、無夾雜的優(yōu)質(zhì)鈦及鈦合金鑄錠，滿足航空轉(zhuǎn)動部件對高性能鈦材的需求；能生產(chǎn)扁錠、空心錠，簡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)雜等問題。電子束和等離子冷床熔煉工藝在美國、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家得到了快速發(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，縮短熔煉時間，實(shí)現(xiàn)完全懸浮熔煉，消除金屬凝殼。

我國已將研究感應(yīng)凝殼熔煉技術(shù)列入重點(diǎn)研究項目，在鈦合金的熔煉技術(shù)方面也取得了很大的發(fā)展。2008 年，我國共生產(chǎn)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(shù)

失蠟法鑄造現(xiàn)稱熔模精密鑄造，是一種少切削或無切削的鑄造工藝，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，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

對鈦合金進(jìn)行固溶淬火和時效強(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、延長使用壽命、提高經(jīng)濟(jì)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(xué)研制開發(fā)了一種陶瓷相轉(zhuǎn)變處理技術(shù)—CCT 技術(shù)，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(fù)合層。用該技術(shù)制造的γ—TiA1 合金發(fā)動機(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防工業(yè)系統(tǒng)關(guān)鍵制造技術(shù)之一。美國為加速其航天飛機(jī)的發(fā)展，由5 家公司組成聯(lián)合體共同開發(fā)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(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）。

從近幾年國內(nèi)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(zhì)量優(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、焊接過程自動化、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)了計算機(jī)自動控制。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)際問題。降低鈦合金加工制造成本的另一個方向是開發(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?，?jīng)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(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越多地應(yīng)用。

粉末注射成型（ 簡稱PIM）是將現(xiàn)代塑料注射成型技術(shù)引入粉末冶金領(lǐng)域形成的一門新型粉末冶金近凈成型技術(shù)，是國際粉末冶金領(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。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(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）材料制備及加工過程的計算機(jī)模擬技術(shù)。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(jī)模擬技術(shù)的研究和相關(guān)軟件的設(shè)計開發(fā)。通過計算機(jī)模擬計算設(shè)計加工工藝，可以避免傳統(tǒng)設(shè)計的許多缺點(diǎn)，節(jié)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(shè)計的準(zhǔn)確性。

鈦合金技術(shù)發(fā)展趨勢

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)計及加工過程的低成本化；高效、短流程鈦合金加工技術(shù)的開發(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)于我國海軍裝備建設(shè)和民用市場。鈦在民用市場的兩大應(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，將會很快成為未來鈦的兩大應(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)加工工藝來降低鈦材生產(chǎn)成本，降低鈦合金加工制造成本的另一個方向是開發(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：中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所）

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