鈦（tài）合（hé）金（jīn）低成本成形技術研究進展與發展趨（qū）勢

鈦合金具有密度低、比強度（dù）高、耐腐蝕、耐高低溫等特性，其成形技術***開始是為適（shì）應航空航天（tiān）工業的需要而發（fā）展起來（lái）的，早期為滿足研製急需，多為政府采購，因此具有重質量、輕成本的特點。近年來，我國高新技術領域得到迅（xùn）猛發展，為了滿足結構部件輕量化（huà）的需求，載人航天工程探（tàn）月工程大飛機高分（fèn）衛星等（děng）航空航天重大（dà）工程以及新型武器裝備對優質鈦合金構件的需求量逐年（nián）增加，同時，船舶、化工、醫療、核電、消防等民用領域也逐漸開始廣泛應用鈦合金。

然而，目前優質鈦合金部件（jiàn）的生產（chǎn）成本仍居高不下（xià），主要由兩個（gè）方麵導致：一是熔煉過程要（yào）求苛刻，鈦在高溫狀態（tài）下極為活潑，易與氧、氮、矽、碳等元素發生化學反應，熔煉和熱處理過程需（xū）要在真空或惰性（xìng）氣體保護下進行，成分純淨性和均勻性控製較為困難;二是成形困（kùn）難，鈦合金本身變形能力差，屈/彈比高，熱導率低，采用常規冷/熱加工成形較為困難。據估（gū）算，鈦合金構（gòu）件的整個生產流程過程中，海綿鈦原材製備成本約占14%左右，鈦合金坯（pī）錠、板材加工成（chéng）本約（yuē）占36%，而鈦合金***終產品成（chéng）形成本占到約50%(圖1)，可見，鈦合金產品的成本構成主要來源於鑄坯、板材的製備和鍛造、鑄造、機加等成形環節。

以鑄件（jiàn）為例，高端軍品鈦精鑄（zhù）件的生產（chǎn）成本達到（dào）1500~2 500 元/kg，普通民品鈦精鑄件的生成成本也在500~800 元/kg，而不鏽鋼精鑄件的（de）生產（chǎn）成本約在50~200 元/kg，鈦精鑄（zhù）件的生產成本是不（bú）鏽鋼精鑄（zhù）件的10倍以上，高成本已成為製約鈦合金製品推廣應用的瓶頸（jǐng）。因此，降低鈦合金製品的生產成本已成為眾多科（kē）研機構和生產單位不斷攻關解決的重要課題之一，迫切需要發展低成本鈦合金材料及其低成本製備成形技術。

圖1 鈦合金製品整個生產流程成本構成及所占比例

公司發展至今已擁有一批******的進（jìn）口設備 : 進口高精密CNC加工銑床（chuáng），CNC高精密加（jiā）工車床（chuáng），北京精密（mì）零件加（jiā）工，進口模型批量真空製作機， 高亮度uv機，噴漆房，烤（kǎo）漆（qī）櫃，圖標文字絲印機，鐳雕激光機，噴砂機，打孔攻絲機、火花機、線切割設備等等。

目前，實現鈦合金材料及其（qí）成形技術的低成本化主要有三種途徑，一是（shì）采用廉價元素（sù）的合金成（chéng）分設（shè）計，設計鈦合金材料時采（cǎi）用Fe、Si、Al、Sn等（děng）廉價（jià）元素代替V、Mo、Zr、Nb、Ta等昂貴元素，在保持鈦合金力學性能的前（qián）提下降低合金化成本;二是進行鈦料的回收（shōu）利用，殘（cán）鈦(殘（cán）餘鈦料)的價格隻有海綿鈦價格的20%~30%，在鈦合金熔煉製備過程中添加回爐（lú）料，可以極大降低鑄坯板材的製備成本，但回爐料中往往存在合金元素偏析、雜質元素含量高（gāo）等問題;三是開展低成（chéng）本加工成形技術研（yán）究，鈦合金構件成形的高成本是其價格居高不下的主要（yào）原因，開展成形工（gōng）藝的優化與創新是實現低成本化的重要途徑，針對鈦合金鑄（zhù）錠，可開展熔化、精煉一體化控製，減少鈦合金鑄錠的熔煉次數，針對鈦合金變形加工，可通過連鑄連軋等短流程技術實現凝固、變形一（yī）體化控（kòng）製，針對鈦合金鑄造成形，可采用廉價耐火材料替代釔稀土氧化物材料製備鑄型。

低成本鈦合金材（cái）料的發展

為了降低（dī）鈦合金材料的生產成本，世界（jiè）各國對新型（xíng）鈦合金材（cái）料開展了（le）研究，主（zhǔ）要（yào）途徑是采用Fe、Si、Al、Sn等廉價的中間（jiān）合金代（dài）替V、Mo、Zr、Nb、Ta等昂貴（guì）元素，基於上述思路，目前國內外研發的主要低成本鈦合金如表1所示。

表1 國內外主要低成本（běn）鈦合金

1. Timetal 62S 合金

Timetal 62S(Ti-6Al-2Fe-0.1Si)合（hé）金是美國Timetal公（gōng）司設（shè）計開發的一種非航空航天用途的新（xīn）型低成本鈦合金，屬於α+β型合金。該合金設計的初衷是用（yòng）於替代Ti-6Al-4V合金，以Fe元素代替Ti-6Al-4V合金中的V元素，適量Si的添加可細化組織，合金性能與Ti-6Al-4V相比並不遜色，成本降低了（le）15%~20%，並且具備優異的冷熱加工（gōng）性。該合金主要（yào）應用於高強度、抗損傷的民用領域鈦合金鈑金結（jié）構件，已在氣門座圈的（de）生產中替代了Ti-6Al-4V合（hé）金（jīn）。

2. Timetal LCB 合金

Timetal LCB(Ti-4.5Fe-6.8Mo-1.5Al)由美國Timetal公司（sī）開發，屬於高（gāo）強度β合金，該（gāi）合金設計的初衷是用於替代Ti-10-2-3(Ti10V2Fe3Al)，以Fe-Mo中間合金形式添加Fe元素以代替V元素。TimetalLCB合金強度高，成形性好，可以像鋼一樣冷加工（gōng）或溫加工（gōng），性能與（yǔ）Ti-10-2-3相當，成本為Ti-6Al-4V的78%。該合金中Mo為β穩定元素，可形成Fe和Mo的化（huà）合物，經過時效硬化後具有較高（gāo）的拉伸（shēn）強（qiáng）度，已在日、美汽車（chē）零件和彈簧、懸簧中應用。

3. ATI425 合（hé）金（jīn）

ATI425合金(Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-0.25O)是美國ATI Wah Chang公司開發的β型（xíng）低成本鈦合金，以Fe元素取代部分V元素，降低了成本，力學性能和耐蝕性良好（hǎo），抗拉強度可達到827~965 MPa，屈服強度達到758~896 MPa，伸長率達到6%~16%，且抗彈能力與Ti6Al4V相當，滿足了當前軍用裝甲標（biāo）準對材料性能的要求，已用於兵器（qì）領域裝甲板和軍用車輛部件。

4. Ti-Fe-O-N 係列合金

Ti-Fe-O-N係列合金是由日本鋼鐵公（gōng）司和東邦鈦（tài）公（gōng）司研製的β型合金，該類合金采用Fe、O、N元素代（dài）替（tì）Ti-6Al-4V合金中的V元素，其中0.5%~1.5%Fe、0.2%~0.5%O、0.05%~0.1%N。該合金係室溫強度可達到700~1000 MPa，但其高溫性能較差。此合金係（xì）的代表為Ti-1%Fe-0.35%O-0.01%N，該合（hé）金拉（lā）伸強度約（yuē）為800 MPa，主要用於航空以外用途設計的合金。

5.SP700 合金

SP700(Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe)是日本開發（fā）的（de）一種超塑（sù）性鈦合（hé）金材料，在775 ℃可實現超塑成形和擴散連接（jiē），超塑性成形溫度低於Ti-6Al-4V合金，拉伸強度和疲勞強度優於Ti-6Al-4V合金，可用於製造薄板（bǎn）形航空航天（tiān）結構件。因為避開了鈦變形抗力大、常溫可（kě）塑性差的缺陷，從而大幅度降低了鈦材的變形加工成本，日本將該（gāi）合金應用於本田NSX摩（mó）托車連杆，美國RMI鈦公司把（bǎ）這種鈦合金（jīn）製備成飛機（jī）結（jié）構件及轉動零件。

6. Ti8LC 和Ti12LC合（hé）金

西北有色金屬（shǔ）研究院通過合金設計、性能檢（jiǎn）測，開發出（chū）了近α型Ti8LC、Ti12LC低成本鈦合（hé）金，為Ti-Al-Mo-Fe係合金，合金中均添加廉（lián）價Fe-Mo中（zhōng）間合金代（dài）替Ti-6Al-4V合金中的V和Zr，同時在熔煉過程中添（tiān）加純鈦的廢料(如鈦屑)，以降（jiàng）低海綿鈦的用量，在保證性能（néng）的基（jī）礎上，原材料成本可降低10%以上，小（xiǎo）規格棒材（cái）的製備成本（běn）可降低達30%左右。兩種合金經過固溶時效熱處理（lǐ）後，具有（yǒu）良（liáng）好（hǎo）的強度、塑（sù）性及疲勞強（qiáng）度，室溫抗拉（lā）強度均可達到1100 MPa以上，強度和塑性均（jun1）高於GB/T2965中的Ti-6Al-4V合金性能，Ti12LC合金具（jù）有更高（gāo）的（de）強度和（hé）塑（sù）性匹配，強度達到（dào）1200 MPa，塑性達到（dào）20%，優於（yú）Timetal 62S和Timetal LCB合金。Ti8LC和Ti12LC可（kě）製備汽車進排氣閥、自行車扭力杆等，其中Ti12LC還可用於製備航（háng）天固體火箭發動機的尾噴管。

7. Ti-5322 合金

Ti-5322合金是西北有色金屬研究院針對非航空領域應用研發的一種Ti-Fe-V-Cr-Al係α+β兩相鈦（tài）合（hé）金。合金充分考慮廉價Fe元素以及回收鈦（tài）料的應用，添加了2%Fe代替昂貴合金元素V，成（chéng）本低（dī）於（yú）Ti-6Al-4V合金，該合（hé）金經過熱處理後強韌性（xìng）匹配良好，室溫強度達到1100~1 300 MPa，伸（shēn）長率在7%~14%。目前（qián）該合金已（yǐ）應用於坦克裝甲的研製，抗彈（dàn）性能（néng）優於TC4合金。

8. Ti-35421 合金（jīn）

Ti-35421合金是南京工業大學（xué）針對海洋工程對鈦合金高強、耐衝擊、耐腐（fǔ）蝕和焊接（jiē）性的（de）需求，開發的一種（zhǒng）新型海洋工程（chéng）用高強鈦合金，抗拉強度為1 313 MPa，屈服強度為1240 MPa，伸長率8.62%，斷麵收縮率（lǜ）為17.58%，斷裂（liè）韌（rèn）性KIC為75.8 MPa·m1/2，在（zài）3.5%NaCl溶液中的應力腐蝕敏感性小，具有較好的（de）耐腐蝕性。該合金完善了國（guó）內1 000 MPa強度級別的船用低成本鈦合（hé）金材料體係，對於（yú）裝備在（zài）設（shè）計和建造過程中的選型具有重要（yào）的意義。

鈦合金低成本熔煉技術

鈦合（hé）金在熔煉過程中低成本化控製主要從（cóng）兩個方麵進（jìn）行考慮。一是增加殘鈦的應用，代替海綿鈦（tài）。殘鈦主要是指在熔煉、機加工過程中產生的冒口、廢屑、邊角料等，鑄件在熔煉、檢測、零件加工過程中產生的報廢件（jiàn）也屬於殘鈦，殘鈦量很大，一次殘鈦（tài）(半（bàn）成品生產的殘鈦)可達到30%~50%，二次殘鈦(成品加工的殘鈦)可達到20%~80%，充分利用殘鈦可使鈦製品成本大幅降低。二是提高熔（róng）煉效率和熔煉質量（liàng），實現熔化、精煉一體（tǐ）化控製。目（mù）前國內應用***為廣泛的鈦合金真空自耗（hào）電弧熔煉技術在電（diàn）極製備過程中（zhōng），由於采用氬弧焊工藝，易引入低密度氧化物夾雜和高密度TiW夾雜，同時由（yóu）於熔煉過（guò）程中成分均勻（yún）性差，需要進行2~3次重熔，降低了（le）生產效率。目前（qián），可實現熔化、精煉一體化控製和殘鈦回收的熔煉技術，主要包括冷床（chuáng）爐熔煉技術（shù）(Cold Hearth Remelting，CHR)和冷坩堝感應熔煉技術(Cold Crucible Induction Melting，CCIM)。

1. 冷床爐熔煉技術

冷床爐熔煉技術主要包括電（diàn）子束冷床熔煉(Electron Beam Cold Hearth Melting，EBCHR)和等離子冷床熔煉(Plasma Cold Hearth Melting，PACHM)。電子束冷床熔煉是利用電（diàn）子槍發射的集中（zhōng）和可（kě）控穩定的電子（zǐ）束作為熱源來熔融、精煉和重熔金屬;等（děng）離子冷（lěng）床熔煉是由（yóu）電子束冷床爐熔煉技術轉化而來，是利用等離子槍發射經過穩定化的等離子弧代替真空電子束，以此作為加熱源對金屬進行熔化和精煉。冷床（chuáng）爐在結構設計上將熔（róng）煉（liàn）過程分為原料熔煉（liàn）區、精煉區和凝固區3個區域。熔煉區加熱源依次對傳送（sòng）設備上的（de）殘鈦廢料進行加熱熔化，熔化後的鈦液流入精煉區精煉，***後進入凝固坩堝，凝固（gù）成板（bǎn）坯。

冷床爐熔煉技術具有（yǒu）以下特點：①熔煉過程中（zhōng）可以較好地消除高密度和低密度夾雜，獲得（dé）細晶和組織均勻的鑄錠或鑄件。在精煉區內鈦液中高（gāo）密度夾雜因重力作用落入到（dào）低溫凝殼區，通過沉積去除（chú），低密度夾雜上浮到熔池表層，經過（guò）高溫加熱得以熔（róng）化消除，中間密度（dù）夾雜在冷床內流動過程中，在（zài）複（fù）雜流場環境下（xià）持續加熱逐漸熔化消除;②對原（yuán）材料狀態（tài）要求低，不需要製備電極，可（kě）以****的利用回收（shōu）殘鈦作為原材料，而真空自耗電弧熔煉（liàn）技術一般隻能利用30%以下的殘鈦;③可一次熔煉成合金錠，與真空自耗熔煉技術相比熔煉效率大（dà）幅提（tí）升，成分均勻性好，可節約加工成本20%~40%;④易於更換結晶器，通過調（diào）整結晶器結構，可實現扁錠、空心錠、圓錠等多種鑄坯（pī）的製備，提高板材、管材生產的生（shēng）產效率，降（jiàng）低（dī）產品成本（běn）。

國外******企業廣泛采用冷床爐進行鈦合金熔煉，以解決鑄（zhù）錠夾雜問題，冷床爐熔煉技術是實現鈦合金材料近零缺陷純淨化技術的（de）重要途（tú）徑。美國現行宇航材料標準中要求鈦合金重要件必須使用冷床爐製備技術。美國GE公司於1988年開始（shǐ）采用冷床爐熔煉加真空自耗電弧熔煉技術生產航空發（fā）動機關鍵轉子零件用鈦合金鑄錠。英國TIMET公司采用電（diàn）子束冷床（chuáng）爐熔煉技術製備了Timetal 6-4合金錠，並製成鈦合（hé）金坦克裝甲，研（yán）究人員采用尾翼穩定（dìng）脫殼穿甲彈對（duì）鈦合（hé）金裝甲進行試驗，結果表明，低成本Timetal 6-4合金完全可以替代傳統Ti-6Al-4V合金用於裝甲車（chē）輛。寶（bǎo）鈦（tài）集團從德國ALD公司引進2 400 kW電子束冷床熔煉爐，利用該（gāi）******設備建成（chéng）國內******條年（nián）產量5 000 t的（de）返（fǎn）回料回收處（chù）理生產線，***大可添（tiān）加約80%的TC4鈦合金返回料，可（kě）熔煉出多種規格的TC4鈦合金鑄錠。

2.冷坩堝感應熔煉技（jì）術

冷坩堝感應熔煉技術(Cold Crucible Induction Melting，CCIM)是一種通過感應（yīng）加熱方（fāng）式配合分瓣式水冷銅坩堝來進行熔煉的特種熔煉方法（fǎ），具體是將分瓣的水冷坩堝（guō）置於交變（biàn）電磁場內，利用電磁場（chǎng）產生的渦流熱熔融金屬，由於此種方法在熔煉時熔融的金屬一般（bān）會在坩堝（guō）底部形成一層凝殼，也將其（qí）稱為感（gǎn）應凝（níng）殼熔煉(Induction Skull Melting，ISM)。這種方法***大的特（tè）點是水冷坩堝側壁（bì）被（bèi）分割成20瓣以上，在交（jiāo）變磁場下，每兩塊相鄰坩堝瓣的間隙會（huì）產生磁場增強效應，通過磁壓縮效應引起強烈攪拌，合（hé）金組（zǔ）分和熔液溫（wēn）度達到平衡，實現難熔金屬的均勻（yún）熔化。同時（shí），坩堝側壁各瓣自身感（gǎn）生電流產生的磁場（chǎng）和物料表麵的感應電流產生電磁斥力（lì），使得物料和坩堝側壁保持軟接觸或非接觸狀態。該技術熔煉鈦合金鑄錠時，原材料形式基本不（bú）受限製，可連續重熔回收鈦合金廢料，不需要耐火材料作為坩堝，也不（bú）用焊接電極，所以（yǐ）其理論的殘鈦（tài）利用率（lǜ）為（wéi）****，可以（yǐ）無汙染地獲得高品質的鈦及鈦合金鑄錠。CCIM設備在美國、德國、俄羅斯、法國等******曆（lì）經幾十年發展（zhǎn），目前設備熔化（huà）量已超過200 kg(以鈦計)，坩堝直徑達到500 mm以上，熔化溫度達（dá）到3 000 ℃以（yǐ）上，國外主要設備廠（chǎng）家包括美國CONSARC公司、美國RETECH公司、德國ALD公司等，並已獲得商業化應用，國內目前研製該設備（bèi）的（de）容量大（dà）都在50 kg以下（xià）。近年來，冷坩堝感應熔煉技術逐漸與（yǔ）其他（tā）材料製備技術相結合，發展了冷坩堝電磁（cí）連鑄技術、冷（lěng）坩堝（guō）定向凝固技術以及用冷坩堝作為輔助裝（zhuāng）置（zhì）的（de）噴霧沉積技術（shù）等。冷坩堝感應凝殼熔煉技術存在的***大問題是形成的凝殼較厚，由於坩堝底部采用整（zhěng）體連通結構，雖然保證（zhèng）了足夠的坩（gān）堝強（qiáng）度，但熔體在坩堝底部與坩堝接觸造成（chéng）較大的熱量損失，形成的凝殼（ké）往往超過總容積的1/3，極大地降低了熔煉效率（lǜ）和熔煉均勻性，特別是給多種元素合金化（huà）和高熔點材料的熔（róng）煉帶來了困（kùn）難。

冷坩堝懸浮熔煉技術(Cold Crucible Levitation Melting，CCLM)增加了熔體底部的電磁（cí）斥力，取消了（le）坩堝底部連通結構，而采用（yòng）上部與底部完全分瓣的錐形底坩堝結構，每瓣獨（dú）立水冷，同時改變外加線圈結構，提高電磁場（chǎng）頻率、切（qiē）縫數量以及電源輸入功率，實現了熔體的半懸浮或全懸浮，其原理結構如圖（tú）2所示（shì）。與冷坩堝感應（yīng）凝（níng）殼熔煉（liàn）相比，熔煉過程中具備（bèi）更好的（de）整體攪拌效果和成分均勻性，更適合於高活性（xìng）金屬、多組元合金及（jí）難熔金屬的製備，材料利用率高，邊角料仍保持高純度，可更大限度地降低材料的製備成本。CCLM技（jì）術要（yào）求更高，國內外從事相關（guān）開發的相對較少，國外（wài）以美國CONSARC、德國ALD等的技術（shù）***為（wéi）******，目前國內已從兩國引進多（duō）台無殼懸浮熔煉爐，已報道的***大容量為20 kg(以（yǐ）鈦計)。國內目前從事相關（guān）研究開發的主要有深圳市賽邁特懸浮冶金科技有限公司（sī）、北京鋼鐵研究總院（yuàn）、沈（shěn）陽鑄（zhù）造研究所有限公司等單位，深圳賽邁特公司目前擁有的感應懸浮熔煉爐***大坩堝容量為25 kg(以鈦計)，***高熔煉溫度2 600 ℃，沈陽鑄造研究所有限公（gōng）司成功研製（zhì）出了坩堝容量達到30 kg(以鈦計)的感應懸浮熔（róng）煉爐，目前正進行更大容量的設計（jì）開發，國內其他單位研製的鈦合金感（gǎn）應懸浮熔煉爐容量通常小於30 kg(以鈦（tài）計)。

圖2 感應懸浮熔煉原理示意圖

鈦合金低成本鑄造技術（shù）

鈦合（hé）金鑄造技術本身就是一種提高鈦合金材料利用率、控製生產成本的（de）生（shēng）產工藝技術。根（gēn）據經驗估算（suàn），鈦合（hé）金精密鑄造過程（chéng）的生（shēng）產成本構成如圖3所示其造型（xíng）成本達到20%以（yǐ）上。近年來，為了滿足大型複雜薄壁鈦合金精（jīng）密鑄件的研製（zhì）需求，石墨型、金屬型、陶瓷型等精密鑄造工（gōng）藝得到了不斷改進與發展，這也為低成本高效鈦合金鑄造工藝的（de）進步提供了發展基礎和空間。

圖3 鈦合金精密鑄件生產成本構成（chéng）及（jí）所占比例

1. 石（shí）墨鑄型（xíng）工藝

鈦及鈦（tài）合（hé）金鑄（zhù）造用的造型材料必（bì）須有良好的高溫穩（wěn）定性，石墨材料（liào）是應用***早、性能***為穩定的造型（xíng）材料之一（yī）。目前應用***為廣泛的石（shí）墨型造型方法是機加石墨型工（gōng）藝，該工藝方法具有操作簡單、鑄件內部質量較高的優點。但2017年以來，石墨電極價格飛漲，鈦合金鑄件的生產成本（běn）急劇上升。搗實或壓製石（shí）墨（mò）砂型（xíng）鑄造（zào）有效克服了（le）上述問題，該工藝是采用石墨粉通過類似砂型鑄造的方法製備出石墨鑄型。朱廣采（cǎi）用機械加工（gōng）石墨型造型殘留（liú）的石墨粉作為耐火材料，采用酚醛樹（shù）脂、無水乙醇混合製成粘結劑，通（tōng）過搗（dǎo）實方式製備出石墨鑄型，並澆注出了鈦合金截止閥和離心（xīn）泵鑄件，鑄件（jiàn）表麵無粘砂、冷隔、裂紋等缺陷，表麵汙染層厚度（dù）約為0.1 mm，鑄件力學性能和（hé）化學成分滿（mǎn）足相關國標要求。國外采用該工藝製備了軍用魚雷彈射泵、大（dà）型海水泵、球閥、蝴蝶閥等產品。與機加石墨型相比，搗實石墨型具有良好的透氣性（xìng）和退讓（ràng）性，可節約30%~40%的（de）石墨材料，且石墨碎塊經過粉碎後可再次利用，大幅度降低了（le）生產成本。

2. 陶瓷（cí）鑄型工藝

目前鈦合金熔模陶瓷鑄型工藝中應用***為廣泛的（de）是以（yǐ）氧化釔為代表的惰性氧化物工藝，國外如（rú）美（měi）國PCC公（gōng）司、美（měi）國HOWMET公司、德國TITAL公司等，國內（nèi）如沈陽（yáng）鑄造研究所有限公司、北京航空材料研究院、貴州安吉鑄造廠等都（dōu）大量采用氧化釔作為麵層型殼材料，惰性（xìng）氧化物麵（miàn）層工藝成本相對鎢（wū）麵（miàn）層工（gōng）藝盡（jìn）管已有（yǒu）顯著降低，但相對於其他普通耐火材料，氧化釔的價格仍高出30倍以上，而對於采用惰（duò）性（xìng）氧化物麵層材料生產的鈦合金精鑄件，造型材料的成本占到鑄件（jiàn）成本的30%以上，昂貴的造型材料成本成為製約（yuē）鈦精鑄技術迅速發展的重要（yào）因素，采用廉價氧化物耐火材（cái）料替代氧化釔已成為目前重要的研究方向。

Al2O3作為耐火材料在熔模鑄造（zào）領域已得到了（le）廣泛的應用，普通的Al2O3需要經過高溫煆燒或電熔轉化為穩定的剛玉粉。但采用剛玉粉和常（cháng）規粘（zhān）結劑混合製備的麵層材料澆注鈦合金時，澆注的鈦鑄件質量較差。哈爾（ěr）濱（bīn）工業大學的肖樹龍通過自主研發一種不含（hán）Na2O等雜（zá）質的粘結劑，混合剛玉粉製成了具有較（jiào）好塗掛性的塗料，成功澆注出了輪廓尺寸為376 mm×205 mm×142 mm鈦合金鑄件，鑄件表麵粗糙度達到1.6~3.2 μm，尺寸精（jīng）度達（dá）到CT6-CT7級。CaO材料對於熔融鈦的化學穩定性較好，且價格（gé）低廉。LaSall等采用碳酸鈣和矽溶膠等水基堿（jiǎn）性粘結劑混合製成塗料製備麵層型殼（ké），經1 000 ℃焙燒後麵層中的碳酸鈣轉化（huà）為氧化（huà）鈣，型殼在800 ℃左右保溫澆注，***終鑄出了質（zhì）量良好的鈦（tài）合金鑄件，但該種型殼由於氧化鈣易發生吸水受潮，因此不易（yì）於長期存放（fàng），限製了其大規模應用。CaZrO3一般由（yóu）CaO和（hé）ZrO2混合高溫（wēn）燒結而成，此種型殼具有較大的應用價值，而CaO價格極為低廉，來源廣泛，作為活潑金屬的鑄型材料有巨大的發展（zhǎn）潛（qián）力。Kim等采用CaZrO3製備出陶（táo）瓷型殼，此種型殼具有良好的抗水性，不會在水中潮解（jiě），並且熱穩定性良好，此種型殼澆注的（de）鈦（tài）合金試樣，沒有發現明顯的反應層。Klotz等采用CaZrO3型殼與二氧化矽型殼進行了比較澆注試驗，結果表明CaZrO3型（xíng）殼澆注的鈦合金試樣表麵氧含量較小，未形成α層。

鈦（tài）合金短（duǎn）流程製（zhì）備成形技術

傳統鑄錠冶金工藝製備鈦合金的技術（shù）路線為：海綿（mián）鈦-多次真空熔煉-鑄（zhù）坯-多次改性鍛造-鍛（duàn）坯-成形（xíng）-深加（jiā）工-鈦成品，製備過程中複雜繁瑣的工序大幅增加了生產成（chéng）本（běn），因此，開發鈦合金短流程製備技（jì）術可以有效降低成本並提高效率。

1. 連鑄連軋技術

連鑄連軋技術(CC+HDR)已經廣泛應用於鋼、鋁板材的生產，它將熔煉、凝固、變形連接起來，並實現（xiàn）組織-性能-形狀一體化控（kòng）製，對（duì）降低生產能耗、提高生產效率（lǜ）和產品成材率（lǜ）、改善（shàn）產品（pǐn）均勻性等具有顯著的作用。日本（běn）金屬材（cái）料研究（jiū）所對Ti-15-3、Ti-6242、Ti-10-2-3和NiTi進行了連鑄連軋基礎工藝試驗研（yán）究，研究表明：鈦在1200K以上時具有良好的（de）熱塑性和較低的熱強度（dù），其（qí）高溫加工性優（yōu）於鋼，隻要保證在溫度Tβ以上不發生彎曲變形，傳統的連鑄連軋工（gōng）藝就可以製備出鈦合金板材。美國陸軍開發了基於電子束（shù）冷床熔煉的連鑄連軋技術，並（bìng）對Ti-6Al-4V合金進行應用驗證，研究發現，製備的板材成分中隻有C含量略高於常規熔煉工藝，其餘成分基（jī）本相近，試驗的三種厚度（dù）板（bǎn）材(24.6 mm、38.2 mm、63.6 mm)的力學性能（néng）均高於MIL-T-9046J軍（jun1）用標準要求，並具有優異的抗彈性能，完全滿足坦克裝甲的使用需求。國內南京工業大學的常輝等人開（kāi）展了鈦合（hé）金連鑄連軋的探（tàn）索性研究工作，連鑄出直徑30 mm的鑄坯，連軋出直徑10 mm的棒材，目前正在對該技術進行更深入的研究。

2. 粉（fěn）末近淨成形技術

粉末近淨成形技術是一種以粉末為原材料，通過注（zhù）射、擠壓、熱等（děng）靜壓、冷壓、激光增材（cái）製造等成形方（fāng）式，在（zài）少加工或無加工（gōng）的條件下即（jí）能實現製品***終成形（xíng）的技術，具有原材料利用（yòng）率高、工（gōng）藝流程簡單等優點。鈦（tài）合金粉末近淨成形技術解決了鈦合（hé）金的熔（róng）煉難題，避免了鑄錠製備及其鍛造過程，是近年來發展***為迅速的鈦合金短（duǎn）流程成形（xíng）技術。一般情況下，鍛件（jiàn）的材料利用率僅為10%~15%，鑄件的材料利用率為45%~60%，而粉末（mò）近淨成形技術的材料利用率（lǜ）幾乎可（kě）達到****，極大提高（gāo）了材料利用率。表2對（duì）比了目前常用的粉末近淨成形技術的優缺點（diǎn），針對這幾種技術，國內外（wài）的研究者都在不斷地進行技術改進與優化。

表2 鈦及鈦合金粉末成形技術的優缺點

目前，鈦（tài）合金（jīn）粉末（mò）近淨成形件除了在航空航天（tiān）等高端裝備領域獲得小規模應用外，仍未實現大規（guī）模替代鍛件、鑄件的產（chǎn）業化生產，究其原因，一方麵由於（yú）產品內部質量及力學性能仍未全麵獲得行業性認可，另一方（fāng）麵則由於成本較高，而影響其成本的主要因（yīn）素在於高性能鈦粉製（zhì）備技術及（jí）成（chéng）形技術的居高不（bú）下。目（mù）前，高品質鈦（tài）粉主要通過氣霧化和旋轉電（diàn）極等方式製備，呈球形或近球形，但球形粉末的燒結性較差，要通過加壓燒結（jié）或激光燒結才能獲得（dé）高致密的鈦合金構件，大（dà）大（dà）增加了粉末冶金的生（shēng）產成本。氫化脫氫(HDH)鈦粉製備工藝通過將海綿（mián）鈦進行氫（qīng）化-破碎-脫氫的（de）方法製得不規則形狀鈦粉（fěn），該工藝簡單、成本（běn）低、易形成規模（mó）化生（shēng）產，但因（yīn）其不規則形貌，流動性和泊鬆比相對較差。郭誌猛等開發了超細低氧HDH鈦粉製備技術，並通過冷等靜壓技術和真空燒結技術實現了粉末低成本壓製成形，所用超細低氧鈦粉大幅降低（dī）了燒結激活能，顯著提高了（le）燒結致密度，真空燒（shāo）結後製得（dé）相對密度≥99%的不同規（guī）格TC4製件。

展望

(1)國內外對低（dī）成本鈦合（hé）金材料的研究重點主要集中於采（cǎi）用廉價的Fe、O、N等元素代替合金中（zhōng）的昂貴金屬（shǔ），但材料的綜合性能也因此（cǐ）受到局限，很難滿（mǎn）足日益發展的航空航天高端鈦合金（jīn）裝備的使用需求，尤其在抗疲（pí）勞強度、高（gāo）損傷容限性能上（shàng）仍存在問題，因此，需（xū）要更深入（rù）地成分設計開展高端、高性能、低成本（běn）鈦合金材料的相（xiàng）關研究，擴大其在（zài）航空航天高端產品領域的應用範圍。

(2)鈦合金（jīn）廢料的回收率仍較（jiào）低，回收方法單一，表麵（miàn）汙（wū）染層嚴重，雜質含量（liàng）高，成分控製困難，成分均勻性較差，需要進一步開（kāi）展更為係統、深入地相關熔（róng）煉工藝研究，形（xíng）成（chéng）一整套具有可操作性的殘鈦回收再利用工藝方法，建立完善的鈦合金廢料回（huí）收處（chù）理生產線。

(3)開發大容（róng）量感應懸浮熔煉技術。目前（qián）國內（nèi）外鈦合（hé）金感應懸浮熔煉技術受（shòu）裝備技術能力所限，熔化量均較小，難以滿足工程化（huà）實際需求，因此需要開發新型大容量感應懸（xuán）浮熔煉技術，實現大容量鈦合（hé）金的高潔淨回收與精密成形。

(4)開發穩定的低成本熔模陶瓷（cí）型殼製備技術。目前Al2O3、CaZrO3等低成本陶瓷（cí）型殼材料仍處於實驗室研究階段，未在鈦合金熔模精密鑄造中獲得批量應用，需要對其物（wù）相結構、微觀形態等展開深入研究，配合中（zhōng）性粘結劑，真正實現複雜結構的高惰（duò）性、高致密、高穩定麵層型殼的製備，滿足實際生產需求（qiú）。

(5)開發高適應複合製（zhì）造成形（xíng）技術。單一類型的近淨（jìng）成形技術受限於自身的局限性，無（wú）法（fǎ）滿足所有高端裝備製造所需的高性能、低成本鈦合（hé）金構件，因此需要結合多（duō）種成形技術工藝特點，如精密鑄造+激光增材製造/粉末冶（yě）金，實現複雜結構部（bù）件的高（gāo）精度、高效（xiào）率、高性（xìng）能成形。

鈦之（zhī）家

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