鈦合金低成本成形技術研（yán）究進展與發展趨勢

鈦合金具有密度低、比強（qiáng）度高、耐腐蝕、耐高低溫等特性，其成形技（jì）術***開始是為適應航空航天工業的需要而發展起來的，早期為滿足研（yán）製急（jí）需，多為政府采購（gòu），因此具有重質量、輕（qīng）成本的特點。近年來，我國高新技術領（lǐng）域得到迅猛發展，為了滿足結構部件輕量化的需求，載人航天工程探月工程大飛機高（gāo）分衛星（xīng）等航空航天重大工（gōng）程以及新型武器裝備對優質鈦合金構件的（de）需求量逐（zhú）年增加（jiā），同時，船舶（bó）、化工、醫療、核電（diàn）、消防等民用領域也逐（zhú）漸開始廣泛應用鈦合金。

然而，目前優質鈦合金部件的生產成本仍居高不下，主要由兩（liǎng）個方麵導致（zhì）：一是熔煉過程要求苛刻，鈦在（zài）高溫狀態下極為活潑，易與（yǔ）氧、氮、矽、碳等元素發生化學反應，熔煉和熱處理過程（chéng）需（xū）要在（zài）真（zhēn）空或惰性氣體保護下進行，成分純淨性和均勻性控製較為困難;二是成形困難，鈦合金（jīn）本身（shēn）變（biàn）形能力差，屈/彈比高，熱導率低，采用常規（guī）冷/熱（rè）加工（gōng）成形較為（wéi）困難。據估算，鈦合金構件的整個生產流程過（guò）程（chéng）中，海綿鈦原材製備成本約占14%左右，鈦合（hé）金坯錠、板（bǎn）材加工成本約占36%，而鈦合金***終產品成形成（chéng）本占到約50%(圖1)，可（kě）見，鈦合金產品的成本構成主要來源於鑄（zhù）坯、板材的製備和鍛造、鑄造（zào）、機加（jiā）等成形環節（jiē）。

以（yǐ）鑄件為例，高端軍品鈦精鑄件的生產（chǎn）成本（běn）達到1500~2 500 元/kg，普通民品鈦（tài）精鑄件的生成成本也在（zài）500~800 元/kg，而不鏽（xiù）鋼精鑄件的生產成本約在50~200 元/kg，鈦精鑄件的生產成本是不鏽（xiù）鋼精鑄件的10倍以上（shàng），高成本已成為製約鈦合金製品推（tuī）廣應用的瓶頸。因（yīn）此，降低鈦合金製品的生產成（chéng）本已成（chéng）為眾（zhòng）多科研機構和生產單位不斷攻（gōng）關解決的重要課題之一，迫切需要發展低成（chéng）本鈦合金材料及其低成本製備成形技（jì）術（shù）。

圖1 鈦合金製品整個（gè）生產流程成本構成（chéng）及所占比例

公司發展（zhǎn）至今已擁有一（yī）批******的（de）進口設備 : 進口高精密CNC加工銑床，CNC高精密加（jiā）工車床（chuáng），北京精密零件加工，進口模型批量真空製作機， 高亮度uv機，噴漆（qī）房，烤漆櫃，圖標文字（zì）絲印機，鐳雕激光（guāng）機（jī），噴砂（shā）機，打孔（kǒng）攻絲機、火花機、線切割（gē）設備等等。

目前（qián），實現鈦合金材料及其成形技（jì）術的（de）低成本化主要（yào）有三種途徑，一是采用廉價元素的合金成分設計，設（shè）計鈦合金材料（liào）時采用Fe、Si、Al、Sn等廉價元素代替V、Mo、Zr、Nb、Ta等昂貴元素（sù），在保持鈦（tài）合金力學性能的前提下降低（dī）合（hé）金化成本;二是進（jìn）行鈦料的回收利用，殘鈦(殘餘鈦料)的價格隻有海綿鈦價格的20%~30%，在（zài）鈦合金熔（róng）煉製備過程中添加回爐料，可以（yǐ）極大（dà）降低鑄坯（pī）板材的製備成本（běn），但回爐（lú）料中往往存在合金元素偏析、雜質元素含量高等問題;三是開展低成本加工成（chéng）形技術研究，鈦合金構件（jiàn）成形的（de）高成本是其價格（gé）居高不下的主要原因，開（kāi）展成（chéng）形工藝的（de）優化與創新是實現低成本（běn）化的重要途徑，針對鈦合金鑄錠（dìng），可開展（zhǎn）熔化、精煉一體化控製，減少（shǎo）鈦合金鑄錠的熔煉次數，針對鈦合金變形（xíng）加工，可通過連鑄連軋等短流程（chéng）技術實現凝固、變形一體化控製，針對鈦合金鑄（zhù）造（zào）成形，可采用廉價耐火材料替代釔稀土氧化物材（cái）料製備鑄型。

低成（chéng）本鈦合金材料的發展

為（wéi）了降低鈦合金材料的生產成本，世（shì）界各國對新型鈦合金材料開展了研究，主要（yào）途徑是采用Fe、Si、Al、Sn等廉價的中間合（hé）金代替V、Mo、Zr、Nb、Ta等昂（áng）貴元素，基於上述思路，目（mù）前國內外研發的主（zhǔ）要（yào）低成本鈦合金（jīn）如表1所（suǒ）示。

表1 國內外主要低成本鈦合金

1. Timetal 62S 合金

Timetal 62S(Ti-6Al-2Fe-0.1Si)合金是美國Timetal公司設（shè）計開發的一種非航空航天用（yòng）途的新型低成本鈦合金，屬於α+β型合金。該合金設計的初衷是用於替代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15%~20%，並且具備優異的冷熱加工性。該合金主要應用於高強度、抗損傷的民用領域鈦合金鈑金結構（gòu）件，已在氣門座圈的生產中替代了Ti-6Al-4V合金。

2. Timetal LCB 合金

Timetal LCB(Ti-4.5Fe-6.8Mo-1.5Al)由美國Timetal公司（sī）開發，屬於高強度β合金，該合金設計的初衷是（shì）用於替代Ti-10-2-3(Ti10V2Fe3Al)，以（yǐ）Fe-Mo中間合（hé）金形式添加Fe元（yuán）素以（yǐ）代替（tì）V元素。TimetalLCB合金強度高，成形性好，可以像鋼一樣（yàng）冷加工（gōng）或溫加工，性能與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（sù），可形成Fe和Mo的化合物，經過時效硬化後具有（yǒu）較高的拉伸強度，已在日、美汽車零件和彈簧、懸簧中應用。

3. ATI425 合金

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

4. Ti-Fe-O-N 係（xì）列合金

Ti-Fe-O-N係列合金（jīn）是由日本（běn）鋼鐵公司和東邦鈦公司研製的β型合金，該類合金采（cǎi）用Fe、O、N元素代替Ti-6Al-4V合（hé）金中的V元素，其中0.5%~1.5%Fe、0.2%~0.5%O、0.05%~0.1%N。該（gāi）合金係室溫（wēn）強度可達到700~1000 MPa，但其高溫性能較差。此合金係的代（dài）表為（wéi）Ti-1%Fe-0.35%O-0.01%N，該合金拉（lā）伸強度（dù）約為800 MPa，主要用於航空（kōng）以外用途設計的合金。

5.SP700 合金

SP700(Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe)是日本開發的一種超塑性鈦合金材料，在775 ℃可實現超（chāo）塑成形（xíng）和擴散連接，超塑性成形溫度低於Ti-6Al-4V合金（jīn），拉伸強度和（hé）疲勞強度（dù）優於Ti-6Al-4V合金，可用於製造薄板形航空航天結構件。因為避開了鈦變形抗力（lì）大、常溫可塑性差的缺陷，從而大（dà）幅度降低了鈦（tài）材的變形加工成本，日（rì）本將（jiāng）該合金（jīn）應用於本田NSX摩托車（chē）連杆，美國RMI鈦公司把這（zhè）種鈦合（hé）金（jīn）製備成飛機結構件及轉動零（líng）件。

6. Ti8LC 和Ti12LC合金

西北有色金屬研究院通（tōng）過合金設計、性能檢測，開發出了近α型Ti8LC、Ti12LC低成本鈦（tài）合金，為Ti-Al-Mo-Fe係合金，合金（jīn）中均添加廉價Fe-Mo中間合金代替Ti-6Al-4V合金中的V和Zr，同時在熔煉過程中添加純鈦（tài）的廢料(如鈦屑)，以降低海綿鈦的用量，在保證（zhèng）性能的基礎上，原材料成本可降低10%以上，小規格棒材的製（zhì）備成本可降低達30%左右。兩種合（hé）金經過固溶時效熱處理後，具有良好的強度、塑性及疲勞強度，室溫抗拉強度均可達到1100 MPa以上，強度和塑性均高於GB/T2965中的Ti-6Al-4V合金性能，Ti12LC合金具有更高（gāo）的強度和塑性匹配，強度達到1200 MPa，塑性達到20%，優於Timetal 62S和Timetal LCB合金。Ti8LC和（hé）Ti12LC可（kě）製備汽車進排氣閥、自（zì）行車扭力杆等，其中Ti12LC還可用於製備航天固體（tǐ）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（yán）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）合金。合金（jīn）充（chōng）分考慮廉價Fe元素以及（jí）回收鈦料的應用，添（tiān）加（jiā）了2%Fe代（dài）替昂貴合金元素V，成本低於（yú）Ti-6Al-4V合金，該合金經過熱處理後強韌性匹配良好，室溫強（qiáng）度達到1100~1 300 MPa，伸長率在7%~14%。目前該合金已應用於坦克裝甲的研製（zhì），抗彈性能優於TC4合金。

8. Ti-35421 合金

Ti-35421合金是南京工業大學針對海洋工程對鈦合（hé）金高強、耐衝擊、耐腐蝕和焊接性的需求（qiú），開發的一（yī）種新（xīn）型海洋工程用高強鈦合金，抗拉強度為1 313 MPa，屈服強度為1240 MPa，伸（shēn）長率8.62%，斷麵收縮率為17.58%，斷裂韌（rèn）性KIC為（wéi）75.8 MPa·m1/2，在（zài）3.5%NaCl溶液中的應力腐蝕（shí）敏感性小，具有較好的耐腐蝕性。該合金完（wán）善了國內1 000 MPa強度級別的船用低成本鈦合金材料體係，對於裝備在設計和建（jiàn）造過程中的選型具有重要的（de）意義。

鈦合金低成本熔煉技（jì）術

鈦合金在熔（róng）煉過（guò）程（chéng）中低（dī）成本化（huà）控（kòng）製主要從兩個方麵（miàn）進行考慮。一（yī）是增加殘鈦的應用，代替海綿鈦。殘鈦主要是指在熔煉（liàn）、機加工過程中產生的（de）冒口、廢屑、邊角（jiǎo）料等，鑄件在熔煉、檢測、零件加工過程中產生的報廢件也屬於殘鈦，殘鈦量很大，一次殘鈦(半成品生（shēng）產的殘（cán）鈦)可達到30%~50%，二次（cì）殘鈦(成品加（jiā）工的殘鈦)可達到20%~80%，充分利用殘鈦可使（shǐ）鈦製品成本大幅降低。二是（shì）提高熔煉（liàn）效率和熔煉質量，實現熔化（huà）、精煉一體化控製（zhì）。目前國內（nèi）應用***為廣泛的（de）鈦合金真（zhēn）空自耗電弧熔煉技術在電極製備過程中，由於采用氬弧（hú）焊工藝，易引入低密（mì）度氧（yǎng）化物夾雜和高密度TiW夾雜，同時由於熔（róng）煉（liàn）過程中成分均勻性差，需（xū）要進行2~3次重熔，降低了生產效率。目前，可實現熔化（huà）、精煉一體（tǐ）化控製和殘鈦回收的熔煉技術，主要包括冷床爐熔煉技術(Cold Hearth Remelting，CHR)和冷坩堝感（gǎn）應熔煉技術(Cold Crucible Induction Melting，CCIM)。

1. 冷床爐熔（róng）煉技術

冷床爐（lú）熔煉技術主要包括電子束（shù）冷床熔煉(Electron Beam Cold Hearth Melting，EBCHR)和（hé）等離子冷床熔煉（liàn）(Plasma Cold Hearth Melting，PACHM)。電子束冷（lěng）床（chuáng）熔（róng）煉是利用電子槍發射（shè）的集中和可控穩定的電子束作為熱源來熔融、精煉和重熔金屬;等離子冷床熔煉是由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（zǐ）束，以此作為加熱源對金屬進行熔化和精煉。冷床爐在（zài）結構（gòu）設計上將熔煉過程分為原料熔煉區、精煉區和凝固區3個（gè）區域。熔煉區加熱源依次對傳送設備上的殘鈦廢料進行加熱熔化，熔化後的鈦（tài）液流入精煉區精（jīng）煉，***後進（jìn）入凝固坩堝，凝（níng）固成板坯。

冷（lěng）床爐熔煉技術具（jù）有以下特點：①熔煉（liàn）過程中可以較好地消除高密度和低密度夾雜，獲得細晶和組織均勻的鑄錠或鑄件。在精煉區內（nèi）鈦（tài）液中高密度夾雜因重力（lì）作用落入到低溫凝殼區，通過沉積去除，低密（mì）度夾雜上浮到熔池（chí）表層，經過高溫加（jiā）熱得以熔化消除，中（zhōng）間（jiān）密度夾雜在冷床內流（liú）動過（guò）程中，在複雜流場（chǎng）環境下持（chí）續加（jiā）熱逐漸熔化消除;②對（duì）原材料狀態要求低，不需要製備電極（jí），可以****的利用回收殘鈦作為原材料，而真空自耗電弧（hú）熔煉技術一般隻能利用30%以下的殘鈦;③可一次熔煉成合金錠（dìng），與真空自耗熔煉（liàn）技術相比熔煉效（xiào）率大幅提升，成分均勻性好，可節約加工成（chéng）本20%~40%;④易於更換結晶器，通過調整結晶器結構，可實現扁錠、空心錠（dìng）、圓錠等多（duō）種鑄坯的製備，提高板材、管材生產的生產效率，降（jiàng）低產（chǎn）品成本。

國（guó）外******企業廣泛采用冷床爐進行鈦（tài）合金熔煉，以解決鑄（zhù）錠夾雜問（wèn）題，冷床爐（lú）熔煉技術是實（shí）現鈦（tài）合金材料近零缺陷純淨（jìng）化（huà）技（jì）術（shù）的重要途徑（jìng）。美國現行宇航材料標（biāo）準中要求鈦合金重要件必須使用冷床爐製備（bèi）技術。美國GE公司於（yú）1988年開始采用（yòng）冷床爐熔煉加真空自耗電弧熔煉技術生產（chǎn）航空發（fā）動機關鍵轉子零（líng）件用鈦合金鑄錠。英國TIMET公司采用電子束冷床爐熔煉技（jì）術製備（bèi）了Timetal 6-4合金錠，並製成（chéng）鈦合（hé）金坦克裝甲，研究人員采（cǎi）用尾翼穩定脫殼穿甲彈對鈦（tài）合金裝（zhuāng）甲（jiǎ）進行試驗，結果表（biǎo）明（míng），低成本Timetal 6-4合（hé）金完全可以替代傳統Ti-6Al-4V合金用（yòng）於裝甲車輛。寶鈦集團從（cóng）德國（guó）ALD公司（sī）引進2 400 kW電子束冷床熔煉爐，利用該******設備建成國內******條年產量5 000 t的返回料回收處理生產線，***大可添加約80%的TC4鈦合金返回料，可熔煉出多種規格的TC4鈦合金鑄錠。

2.冷坩堝感應熔煉技術

冷坩堝感應熔煉技術(Cold Crucible Induction Melting，CCIM)是（shì）一（yī）種通過感應加熱方式配合分瓣式水冷銅坩堝來進行熔煉的特種熔煉（liàn）方法，具體是（shì）將分瓣的水冷坩堝置（zhì）於交變電磁場內，利用電磁場產生的渦流熱熔融（róng）金屬，由於此種方法在（zài）熔煉時熔融的金屬一般會在坩堝底部（bù）形成一層凝殼，也（yě）將其稱為感（gǎn）應凝殼熔煉(Induction Skull Melting，ISM)。這（zhè）種方法***大的特點是（shì）水冷坩堝側壁（bì）被分（fèn）割成20瓣以上，在交（jiāo）變磁場（chǎng）下，每兩塊相鄰坩堝（guō）瓣的間隙會產生磁場增強（qiáng）效應，通過磁壓縮（suō）效應引起強烈攪拌，合金（jīn）組分和熔液溫度達到平衡，實現難熔金屬的均勻熔化。同時（shí），坩堝側壁各瓣自身感生電流產生的磁場和物（wù）料表麵的感應電流產生電磁斥力，使得物料和坩堝側壁保持軟接觸或（huò）非接觸狀態。該（gāi）技術熔煉鈦合金鑄錠時，原材（cái）料形式基本不受限製，可連續重熔回收鈦合金廢料，不需要耐（nài）火材（cái）料作為坩堝，也（yě）不用焊接電極，所（suǒ）以其理論的殘鈦利用率為（wéi）****，可（kě）以無汙染地獲得高品質的鈦及（jí）鈦合金鑄錠。CCIM設備在美國、德國、俄羅斯、法國（guó）等（děng）******曆經幾十年發（fā）展，目前設備熔化量已超過200 kg(以鈦計)，坩堝（guō）直徑達到500 mm以上，熔化溫度達到3 000 ℃以上，國外（wài）主要設備廠家包括美國CONSARC公司、美國RETECH公司、德國ALD公（gōng）司等，並已獲得商（shāng）業化應用，國（guó）內目前（qián）研製（zhì）該設備（bèi）的容量大都（dōu）在50 kg以下。近年來，冷坩堝感應熔煉技術（shù）逐漸與其他材（cái）料製備技術相結合，發展了冷坩堝（guō）電磁連鑄技術（shù）、冷坩堝定向凝固技術以及用冷坩堝作為輔助（zhù）裝置的噴霧沉積技術等。冷坩堝感應凝殼熔煉技術存在的***大問題是形（xíng）成的（de）凝殼較厚，由於坩堝底部采用整體連通（tōng）結構，雖然保證了足夠的坩堝強度，但熔體在坩堝底部與坩堝接觸造成較大的熱量損失，形成（chéng）的（de）凝殼往往（wǎng）超過（guò）總容積的1/3，極大地（dì）降低了熔煉效率和熔（róng）煉（liàn）均勻性，特別是給多種元素（sù）合金化（huà）和（hé）高熔點材（cái）料（liào）的熔煉帶來了困難。

冷坩（gān）堝懸浮熔（róng）煉技（jì）術(Cold Crucible Levitation Melting，CCLM)增（zēng）加了熔體底部的電磁斥力，取消了坩堝底部連通結構，而采用上部與底部完全分瓣的錐（zhuī）形底坩堝結構（gòu），每瓣獨立（lì）水（shuǐ）冷，同時改變外加線圈結構，提高電磁場頻率、切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（yuán）理結構如圖（tú）2所示。與冷坩堝感應凝殼（ké）熔煉相比，熔煉過（guò）程（chéng）中具備更好的（de）整體攪拌效果和成分均勻性，更適合於（yú）高活性金屬、多組元合金及難（nán）熔金屬的製備，材料（liào）利用率高，邊角料仍保持高純度，可（kě）更大限度地降低材料的製備成本。CCLM技（jì）術要求更高，國（guó）內外從事相關開發的相對較少，國外以美國CONSARC、德國ALD等的技術***為******，目前（qián）國內已從兩國引進多台無殼懸浮熔煉爐，已報道的***大容量為20 kg(以（yǐ）鈦（tài）計)。國內目前從事相關研究開（kāi）發的主要有（yǒu）深圳市賽邁特懸浮冶金科技有限公（gōng）司、北京鋼（gāng）鐵研究總院、沈陽鑄造研究所有（yǒu）限公司（sī）等單位，深圳賽邁特公司目（mù）前（qián）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（shěn）陽鑄造研究（jiū）所有限公司成功研製出了坩堝容量達到30 kg(以鈦計)的感應懸浮熔煉（liàn）爐，目前正進行更大容量的設計開發，國內其他單位研製的鈦合金感（gǎn）應懸浮熔煉爐容（róng）量通常小（xiǎo）於30 kg(以鈦計)。

圖2 感應懸浮熔煉原理示意（yì）圖

鈦合金低成（chéng）本鑄（zhù）造技術

鈦合金鑄造技術本身就（jiù）是一種（zhǒng）提高鈦合金材料利用率、控（kòng）製（zhì）生產成本的生產工藝（yì）技術。根據經驗估算，鈦合金精（jīng）密（mì）鑄造過程（chéng）的生（shēng）產成本構成如圖3所示其造型成（chéng）本達到20%以上。近年來，為了滿足大型複雜薄壁鈦合金精密（mì）鑄件的研製需求，石墨型、金屬型、陶瓷型等精密鑄（zhù）造工藝得到了不斷改進與發展，這也為低成本高效鈦合（hé）金鑄造工藝的進（jìn）步提供了發展（zhǎn）基礎和空間。

圖3 鈦合（hé）金精密（mì）鑄件生產成本構成及所占比例

1. 石墨鑄（zhù）型工藝

鈦及鈦合金鑄造用的造型材料必須有良（liáng）好的高溫穩（wěn）定（dìng）性，石墨材（cái）料是應用***早、性能***為（wéi）穩定的造型材料之一。目前應用***為廣泛的石墨型造型方法是機（jī）加石墨型工藝，該工藝方法具有操作簡（jiǎn）單、鑄件內部質量較高的優點。但2017年以來，石（shí）墨電（diàn）極價格飛漲（zhǎng），鈦合金鑄件的生產成本急劇（jù）上升。搗實或壓製石墨砂型鑄造有效克服了上述問題（tí），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（xíng）。朱廣采用機械加工石墨型造型殘留的石（shí）墨（mò）粉（fěn）作為耐（nài）火材料，采用酚醛樹脂、無水乙醇混合（hé）製成粘結（jié）劑，通過（guò）搗實方式製備出石墨鑄型，並（bìng）澆（jiāo）注出了（le）鈦合金截止閥和離心泵鑄件，鑄件表麵無粘砂、冷隔（gé）、裂紋（wén）等缺陷，表（biǎo）麵汙染層厚度約為0.1 mm，鑄件力學性能和化學（xué）成分滿足相關國標要求。國外（wài）采用該工（gōng）藝製（zhì）備了軍用魚雷彈射泵、大型（xíng）海水泵、球閥、蝴（hú）蝶閥等產品。與機加石墨型（xíng）相（xiàng）比（bǐ），搗（dǎo）實石墨型具有良好的透氣性和退讓性，可節約（yuē）30%~40%的石墨材料，且石墨碎塊經過粉碎後（hòu）可再次利用（yòng），大幅度降低了生產成本。

2. 陶瓷鑄型工藝

目前鈦合金熔模陶瓷鑄型工藝中應用***為廣泛的是以氧化釔為（wéi）代表的惰性氧（yǎng）化物工藝，國外如美國PCC公（gōng）司、美國（guó）HOWMET公司、德國TITAL公司等，國內如沈陽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大量采用（yòng）氧化釔（yǐ）作（zuò）為麵層型殼材料，惰性氧化物麵層（céng）工藝成本相對鎢麵層工藝盡（jìn）管已有顯著降低，但（dàn）相對於其他普通耐火材料，氧化釔的價格仍高出30倍以上，而對於采用惰性氧（yǎng）化物（wù）麵層材料生產的鈦合金精鑄件，造型材料的成本占到鑄件成本的30%以上，昂貴的造型（xíng）材料成本成為製約鈦精鑄（zhù）技術迅速發展的重（chóng）要因素，采用廉價氧化物耐火（huǒ）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（zài）熔模鑄造領域已得到了廣（guǎng）泛的應用（yòng），普通的Al2O3需要經過高溫煆燒或（huò）電（diàn）熔轉化為（wéi）穩定的剛玉粉。但采用剛玉粉（fěn）和常規（guī）粘（zhān）結劑混合製備的麵層材料澆（jiāo）注鈦合金時，澆注的鈦鑄件質（zhì）量較（jiào）差。哈爾（ěr）濱（bīn）工業大學的肖樹（shù）龍通（tōng）過自主研發一種不含Na2O等雜質的粘結劑，混合剛玉粉製成了具有較好塗掛性的塗料，成（chéng）功澆注出了輪廓尺寸為376 mm×205 mm×142 mm鈦合金鑄（zhù）件，鑄件表麵粗糙（cāo）度達到1.6~3.2 μm，尺寸精度達到（dào）CT6-CT7級（jí）。CaO材料對於熔融鈦的化學穩定性較好，且價格低廉。LaSall等采用碳酸鈣和矽溶膠等水基堿性粘結劑混合製成塗料製（zhì）備麵層型（xíng）殼，經1 000 ℃焙（bèi）燒後麵（miàn）層中（zhōng）的碳（tàn）酸鈣轉化為氧化鈣，型殼在800 ℃左右保溫澆注，***終鑄出了質量良好的鈦合金鑄件（jiàn），但該種型殼由於氧化鈣易發生吸水受潮，因此不易於長期存放，限製了其大規模應用（yòng）。CaZrO3一般由CaO和ZrO2混合高溫燒結而成，此種型殼具有較大（dà）的（de）應用價值，而CaO價格極為低（dī）廉，來源廣泛，作為活潑金屬的鑄型材料有巨（jù）大的（de）發展潛力。Kim等采用（yòng）CaZrO3製備出陶瓷型（xíng）殼，此種型殼具有良好（hǎo）的抗水性，不會在水中（zhōng）潮解，並且熱穩定性良好（hǎo），此種型殼澆注的鈦合（hé）金試（shì）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型殼澆（jiāo）注的（de）鈦合金試樣表麵（miàn）氧含量較小，未形成α層。

鈦（tài）合金（jīn）短流程（chéng）製（zhì）備（bèi）成形技術

傳統（tǒng）鑄錠冶（yě）金工藝（yì）製備鈦合（hé）金的技術路線（xiàn）為（wéi）：海綿鈦-多次真空（kōng）熔煉-鑄坯-多次改（gǎi）性鍛造-鍛（duàn）坯（pī）-成形（xíng）-深（shēn）加工-鈦成品，製（zhì）備過程中複雜繁瑣的工序大幅增加了生產成（chéng）本，因此，開發（fā）鈦合金短流程製備技術可以有效降低成（chéng）本並提高（gāo）效率。

1. 連鑄連軋技術

連鑄連軋技術(CC+HDR)已經廣泛應（yīng）用於鋼、鋁（lǚ）板材的生產，它將熔煉、凝（níng）固（gù）、變形連接起來，並實現組織-性能-形狀一體化控製（zhì），對降低生產能耗、提高生產（chǎn）效率和（hé）產品成材率、改善產品（pǐn）均勻性等具有顯著的作用。日本金屬材料研究所（suǒ）對Ti-15-3、Ti-6242、Ti-10-2-3和NiTi進行了連鑄（zhù）連（lián）軋基（jī）礎（chǔ）工（gōng）藝試驗研究，研究表明（míng）：鈦在（zài）1200K以上（shàng）時具有良好的熱塑性和（hé）較低的熱強度（dù），其高溫加工性優於鋼，隻要保（bǎo）證在溫度Tβ以上不發生彎曲變（biàn）形，傳（chuán）統的連鑄連軋工藝就可以製備出鈦合金板材。美國陸軍開發了基於電子束冷（lěng）床熔煉的（de）連（lián）鑄連軋技術，並對Ti-6Al-4V合金進行應用（yòng）驗證，研究發現，製備的板材成分中隻（zhī）有C含量略高於常規熔煉工藝，其餘成分基本相（xiàng）近，試（shì）驗的三種厚度板材(24.6 mm、38.2 mm、63.6 mm)的力學性（xìng）能均高於MIL-T-9046J軍用標準要求，並具有優異的抗彈性能，完全滿足坦克裝甲（jiǎ）的使用需（xū）求。國內南京工業大學的常輝等人開展了鈦合金連（lián）鑄（zhù）連軋的探索性（xìng）研究工作，連鑄出直徑30 mm的鑄（zhù）坯，連軋出直徑10 mm的棒材，目前（qián）正在對該技術進行（háng）更深入（rù）的研究。

2. 粉末近（jìn）淨成形技（jì）術

粉末近淨成形技術是一種以（yǐ）粉末為原材料，通過注射（shè）、擠壓、熱等靜壓、冷壓、激光增材製造（zào）等成形方式，在少（shǎo）加工或無（wú）加工的條件下即能實現（xiàn）製品***終成形的（de）技術，具有原（yuán）材料利用率高、工藝流程簡單等優（yōu）點。鈦合（hé）金粉末近淨成形技術解決了鈦合金的熔煉難題，避免了鑄錠製備及其（qí）鍛造過（guò）程，是近年來發展***為迅速的鈦合金短流程成形技術。一般情況（kuàng）下，鍛件的材料利（lì）用率僅為10%~15%，鑄件的材料利用率為45%~60%，而粉末近淨成形技術的材料（liào）利用率幾乎可達到（dào）****，極（jí）大提高了（le）材料利用率。表2對比了目前常用的粉末近淨成形技術的優缺點，針對這幾種技術，國內外的研究者都在不斷地進行技術改進與（yǔ）優（yōu）化。

表2 鈦（tài）及鈦合金粉（fěn）末成形技（jì）術的優缺點

目前，鈦合金粉末近淨成形件除了在航空航天（tiān）等高端裝備領域獲（huò）得小規模應用外，仍未實（shí）現大規模替代鍛件、鑄件的產業化生產（chǎn），究（jiū）其原因，一方麵由於產品內部質量（liàng）及力學性（xìng）能仍未（wèi）全麵（miàn）獲得行業性認可，另一方麵則由於（yú）成本較高，而影響其成本的主（zhǔ）要因素在於高性能鈦粉製備技術（shù）及成形（xíng）技術的居高不下。目前，高品質鈦粉主要通（tōng）過氣霧化和旋轉電極等方式製備，呈球形或近（jìn）球形，但球形粉末的燒結性較差，要通過加壓（yā）燒結或激光燒（shāo）結才能獲得高致密的鈦合金構件（jiàn），大大增加了粉末冶金的生產成本。氫化脫氫(HDH)鈦粉製（zhì）備工藝通過將海綿鈦進行氫化（huà）-破碎-脫氫的方法製（zhì）得不規（guī）則形狀鈦粉，該工藝簡單、成本低、易形（xíng）成規模化生產，但因其不（bú）規（guī）則形貌，流（liú）動性和（hé）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（děng）靜壓技術和真空（kōng）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了燒結激活能，顯著提（tí）高了燒結致密（mì）度，真空燒結後製得相對密度≥99%的不同規格TC4製件（jiàn）。

展望

(1)國內外對低成（chéng）本鈦合（hé）金材料的研究重點主要集中於采用廉價的Fe、O、N等元素代（dài）替合金中的昂貴金屬，但（dàn）材料的綜合性能也因（yīn）此受到局（jú）限，很難滿足日益發展的航空航天高端鈦合金裝（zhuāng）備的使用需求（qiú），尤其在抗（kàng）疲勞強度、高損傷（shāng）容限性能上仍存在問題，因（yīn）此，需要更深入地成分設計開展高（gāo）端、高性能、低成本鈦合金材料的相關（guān）研究，擴大其在（zài）航空（kōng）航天高端產品領域的應用（yòng）範圍。

(2)鈦合金廢料的回收率仍較低，回收方法單一，表麵汙（wū）染層嚴重，雜質含量高，成分控製困難，成分均勻性較差，需（xū）要進一步開展更為係統、深入地（dì）相關熔煉工藝（yì）研究（jiū），形成一整套具有（yǒu）可操作性的殘（cán）鈦回收再利用（yòng）工藝方法，建立（lì）完善的鈦合金廢料回收處理生產線。

(3)開發大容量感應懸浮熔煉技術。目前國內外鈦（tài）合金感應懸浮熔煉技術受裝備技（jì）術能（néng）力所限，熔化量均較小，難以滿足工程化實際需求，因此需要開發新（xīn）型大容量感應懸浮（fú）熔煉技術（shù），實現大容（róng）量鈦合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型殼製備技（jì）術。目前Al2O3、CaZrO3等低（dī）成本陶（táo）瓷型殼材料仍處於實驗（yàn）室研究階段，未在鈦合金熔模精密鑄造中獲（huò）得批量應用，需要對其物相結構、微觀形態等展開深入研究，配合中（zhōng）性（xìng）粘結劑，真正實現複（fù）雜結構的高惰性、高致密、高穩定麵層（céng）型殼的製備，滿足實（shí）際生產需求。

(5)開發高適應複合製造成形技術。單一類型的近淨成形技術受限於自身（shēn）的局限性，無法滿足（zú）所（suǒ）有高端裝備製造所（suǒ）需（xū）的高性能、低成本鈦合金構件（jiàn），因此需要結合多種成形技術工藝特點，如（rú）精密鑄造+激光增材製造/粉末冶金，實現複雜結構部件的高（gāo）精度、高效（xiào）率、高（gāo）性能成形。

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