發(fā)布日期：2024-9-29 11:23:21
引 言
鈦及鈦合金具有質輕、比強度高、耐腐蝕性好，以及卓越的高溫和低溫性能等特性，是優(yōu)質的結構材料，在航空、航天、海洋、電力、化工、冶金、輕工、能源、環(huán)保等領域具有廣泛的應用 [1] 。我國鈦合金工業(yè)起步于20世紀60年代，經過幾十年的發(fā)展，其研究、制造水平有了很大的提高，并初步形成了自己的船用鈦合金體系，且已能生產板、管、棒、餅、環(huán)、絲和鑄件等多種形式產品，能滿足不同強度級別和不同部位的要求 [2] 。然而，隨著工業(yè)技術的變革和生產力水平的提升，鈦合金的需求和應用范圍得到進一步提升，尤其是對高性能低成本鈦合金的迫切需求逐漸成為我國現(xiàn)代化工業(yè)不得不面臨的嚴峻問題。
本文結合國內外鈦合金的生產研究現(xiàn)狀，分別綜述了高性能鈦合金和低成本鈦合金的發(fā)展現(xiàn)狀，并探索了未來高性能低成本鈦合金的發(fā)展趨勢，為實現(xiàn)低成本制備高性能鈦合金指明了方向。
1 、高性能鈦合金生產應用現(xiàn)狀
鈦是一種重要的戰(zhàn)略金屬材料，因其卓越的物理和化學性質，在眾多領域內展現(xiàn)出無可替代的優(yōu)勢，被譽為“第三金屬”、 “空中金屬”、 “海洋金屬”以及“智能金屬”[2] 。鈦的地位日益顯赫，其應用范圍也不斷擴大，特別是在航空航天等高端技術領域，鈦及鈦合金材料的需求呈現(xiàn)出快速增長的趨勢，對材料性能的要求也隨之提高。在航空航天領域，鈦及鈦合金材料不僅需要具備良好的強度與塑性匹配，還必須具備高的斷裂韌性、低的裂紋擴展速率、優(yōu)異的疲勞性能、持久的蠕變性能、高溫性能以及高的探傷性能，以滿足結構件在損傷容限設計方面的嚴格要求，從而確保航空航天器的安全性和可靠性 [2] 。另一方面，隨著技術的不斷進步，對大型薄壁構件用鈦板材的需求也在增加。這類寬幅薄板不僅要求具有更高的力學性能，還要求晶粒度更細、表面光潔度更高，以滿足后續(xù)成型件的精密要求。
這些特性的提升，進一步拓寬了鈦材料在航空航天領域的應用范圍，同時也推動了鈦及鈦合金材料加工技術的創(chuàng)新和發(fā)展。追求更高的綜合性能已經成為航空航天用鈦板材發(fā)展的主要方向之一。通過不斷的技術創(chuàng)新和工藝改進，鈦及鈦合金材料的應用領域將更加廣泛，其在國家戰(zhàn)略中的地位也將更加穩(wěn)固。
1.1 國外高性能鈦合金的生產應用現(xiàn)狀
在國外，美國 Timet （Titanium Metals Corpora-tion）、RTI（RTI International Metals, Inc.）以及俄羅斯VSMPO（VSMPO-AVISMA）等少數(shù)頂尖公司，憑借其在技術和設備上的顯著優(yōu)勢，已成功突破了大型鈦合金鑄錠的高純凈制備技術、寬厚板材和寬幅薄板制備技術的重大挑戰(zhàn)。這些技術突破不僅提升了產品的綜合性能，還確保了批次的穩(wěn)定性、可靠性和一致性，為航空工業(yè)提供了高質量的材料保障。
Timet公司，作為全球領先的鈦及鈦合金產品制造商之一，在航空航天領域具有顯著的影響力。
公司在全球范圍內設有多個生產基地與服務中心，包括在美國和歐洲的戰(zhàn)略熔煉和軋制設施，以滿足全球市場對高質量鈦產品的需求。公司的主要產品涵蓋鈦及鈦合金鑄錠、板材、棒材及其他制品，廣泛應用于航空航天、工業(yè)制造和醫(yī)療設備等領域。憑借完整的供應鏈、精密的研究設備以及數(shù)十年的豐富經驗，Timet 在全球鈦生產商中占據(jù)重要地位。此外，公司積極與獨立研究機構和大學合作，致力于推動鈦材料技術的創(chuàng)新與發(fā)展。
RTI公司是全球領先的先進鈦合金及其他特種金屬產品生產和供應商，服務于商業(yè)航空、國防、能源和醫(yī)療設備等多個市場，提供從原材料到成品的一整套供應鏈解決方案。在鈦合金領域，RTI擁有顯著的技術優(yōu)勢和市場地位，其產品廣泛應用于高科技工業(yè)領域，包括航空航天、能源、化工和醫(yī)療等。此外，RTI還提供工程設計、焊接、切割、鍛造、組裝等服務，以滿足不同客戶的多樣化需求。憑借在鈦合金及其他特種金屬領域的深厚技術積累和廣泛的市場應用，RTI已成為全球范圍內極具影響力的材料供應商之一。
VSMPO公司是全球最早、最大的鈦材制造商之一。該公司擁有完整的垂直一體化生產線，能夠生產從初級產品（海綿鈦）到通用材料產品（如棒、板、線、管、型材），以及鍛壓成型產品（如鍛件、環(huán)形件等）。這些產品廣泛應用于航空航天、能源化工、船舶汽車以及醫(yī)療器械等領域。公司每年向全球超過50個國家和地區(qū)供應各類鈦材產品，包括鈦板、鈦棒、無縫管、焊接管、鈦型材和鈦鍛件等。其主要客戶包括美國波音公司、歐洲空客公司等國際知名企業(yè)。盡管面臨國際制裁和政治壓力，VSMPO公司依然保持了較高的生產能力，并繼續(xù)在全球鈦材市場中占據(jù)重要地位。
綜上所述，國外生產商能夠批量生產多種品種和規(guī)格的鈦合金材料，以適應不同航空器和發(fā)動機的需求。部分鈦合金板材可穩(wěn)定生產至最薄100 mm 、最寬1 500 mm，極大地擴展了其在航空領域的應用范圍。無論是在飛機結構部件還是航空發(fā)動機的關鍵組件中，這些材料的廣泛應用充分展示了其高性能和高可靠性，從而贏得了國內外的廣泛認可和信任。通過技術創(chuàng)新和嚴格的質量控制體系，國外廠商確保了產品的高標準和高質量，使其成為全球航空制造商的首選材料。持續(xù)的技術發(fā)展和市場拓展進一步鞏固了上述企業(yè)在全球航空鈦合金板材市場的領先地位。
1.2 我國高性能鈦合金的生產應用現(xiàn)狀
在當前階段，我國生產的相關產品由于受到現(xiàn)有設備能力及工藝技術水平的限制，與國際上發(fā)達國家的同類產品相比，存在較為顯著的性能差異。具體來說，根據(jù)國軍標（GJB 2505A-2018）的規(guī)定，對于板材產品的常規(guī)力學性能和持久性能設定了明確的要求。然而，在探傷標準方面，該標準僅對厚度在670 mm范圍內的TA15板材制定了具體的規(guī)范，并且這些規(guī)范的要求相對較低，僅為A1級別（Φ1.29 dB）。而對于其他類型的板材產品，以及這些產品在實際應用中直接相關的探傷雜波水平、斷裂韌性和疲勞性能等方面，現(xiàn)行的國家軍用標準并沒有給出明確和具體的要求。
以TC4等為代表的高性能鈦合金材料，在我國的航空工業(yè)中扮演著至關重要的角色 [3] 。這些材料不僅是當前主力飛機、新研發(fā)機型、高效發(fā)動機以及先進導彈等的關鍵組成部分，而且在制造過程中對材料的性能要求極高。特別是40~100 mm的鈦合金厚板以及0.52 mm的寬幅薄板，因其必要的結構強度和耐高溫性能，在大型飛機、新型戰(zhàn)斗機、先進導彈和高性能發(fā)動機中的應用尤為關鍵。國內新批產的某型號軍用飛機采用的TC4厚板，不僅需要滿足高探傷標準（Φ1.212 dB），還必須保持良好的斷裂韌性和優(yōu)異的高溫性能，以確保飛機在極端條件下的可靠性和安全性；某新型戰(zhàn)斗機用TC4薄板，其板幅寬度達到了1 500 mm，要求良好的超塑/擴散連接性能。這種薄板的使用不僅提高了戰(zhàn)機的整體性能，還要求對每一塊板材進行嚴格的探傷檢測，以保證最終產品的質量。當前，我國迫切需要實現(xiàn)上述高性能鈦合金板材的穩(wěn)定批量化生產。
2 、低成本鈦合金生產應用現(xiàn)狀
鈦合金，作為一種性能優(yōu)異的金屬材料，在眾多領域展現(xiàn)出獨特的價值。然而，與鋼鐵等傳統(tǒng)金屬材料相比，鈦合金的生產成本相對較高，這很大程度上限制了其在民用航空、兵器制造、建筑工程、汽車工業(yè)以及其他領域的廣泛應用。鈦合金的高強度、低密度、良好的耐腐蝕性和耐高溫性能使其成為上述領域中的理想材料，但高昂的價格阻礙了它的推廣和發(fā)展。因此，低成本鈦合金的研制工作成為科研工作者和產業(yè)界亟待解決的問題。
根據(jù)對鈦合金產品成本構成的分析，如圖所示，鈦合金的成本主要取決于原料成本以及熔煉和加工成本 [4] 。在海綿鈦生產技術未取得重大突破之前，僅采用價格低廉的合金化元素難以顯著降低鈦合金的成本。因此，縮短加工制造流程成為當前降低鈦合金成本的主要技術途徑。
隨著EB爐熔煉技術的不斷進步和成熟，鈦合金的低成本制備成為可能。首先，EB爐極大程度上提高了返回料的利用率。傳統(tǒng)真空自耗電弧熔煉（VAR）技術在添加返回料時存在諸多限制，最多只能添加30%的返回料，并且難以有效去除高低密度夾雜物。相比而言，EB爐能夠添加70%~80%的返回料，在一定程度上降低了原材料的成本，且提高了材料的綜合利用效率。其次，EB爐在熔煉過程中能夠一次性熔煉出鑄錠，與VAR技術相比，后者至少需要熔煉兩次才能達到相同的效果。減少熔煉次數(shù)不僅縮短了生產周期，還直接降低了熔煉成本，從而提高了生產效率。此外，EB爐具備熔煉扁錠的能力，加工流程相較VAR熔煉而言更為直接和高效。VAR熔煉出的圓錠需要經過開坯鍛造成板坯后才能軋制板材，增加了中間環(huán)節(jié)的成本和消耗；而EB爐顯著縮短了加工流程，降低了中間消耗，進而而顯著降低了加工成本。因此，EB爐熔煉為鈦合金的低成本化制備提供了重要的技術支持。通過提高返回料的利用率、減少熔煉次數(shù)以及優(yōu)化加工流程，不僅降低了生產成本，還提高了生產效率，對于推動鈦合金在各個領域的應用具有重要意義。
EB爐熔煉技術，作為一種先進的材料制備方法，在全球范圍內得到了廣泛的關注和快速的發(fā)展。特別是在美國，該技術不僅發(fā)展成熟，而且其生產能力在同行業(yè)中居于領先地位。據(jù)統(tǒng)計，美國的EB爐熔煉產能約占全國鈦熔煉總產能的45%，充分展示了其在鈦金屬生產領域中的重要性和應用廣泛性。在航空級鈦合金的生產中，美國采用EB+VAR雙聯(lián)工藝進行熔煉，有效解決了鑄錠中高、低密度夾雜物的問題，顯著提高了鈦合金的純度和質量。通過采用EB+VAR雙聯(lián)工藝，能夠有效預防冶金缺陷的產生，從而避免可能由材料缺陷引 起的災難性事故 [5] 。這對于航空轉動件、結構件等關鍵材料至關重要，其質量直接關系到航空器的安全和可靠。因此，EB爐熔煉技術被認為是實現(xiàn)鈦合金材料零缺陷純凈化技術的重要途徑。
2.1 國外低成本鈦合金的生產應用現(xiàn)狀
在航空領域，對于關鍵部件使用的大截面鈦合金材料而言，采用短流程化熱加工技術降低生產成本，已成為國際主流的航空結構件用高性能鈦合金低成本化制備的主流工藝路線。目前，鈦合金厚板的銷售價格大約控制在300元/kg左右。在歐美國家，鈦合金薄板的生產過程中廣泛采用返回料，并采用EB+VAR雙聯(lián)工藝，有效降低了原材料的生產成本。同時，通過有限的變形火次及變形量，制備出組織均勻、性能一致性好的鈦合金板材，其銷售價格一般不超過500元/kg。
在兵器用鈦合金板材領域，美國已經設計并研發(fā)了一種專用的ATI425（Gr.38）鈦合金 [6] 。這種鈦合金的獨特之處在于其能夠使用超過50%的TC4返回料，這不僅降低了生產成本，還提高了材料的再利用率。為了進一步提升鈦合金的性能和應用范圍，美國率先針對EB爐單次熔煉技術開展深入研究，研制的TC4鈦合金板材質量穩(wěn)定、可靠，且生產更加高效，被廣泛應用于M2戰(zhàn)車的關鍵部位，包括指揮艙、防護裝甲和頂部裝甲等。隨著上述材料的成功應用，美國由此形成了一套相關的標準體系。這些標準不僅為鈦合金板材的生產和應用提供了明確的指導，還確保了產品的性能和質量能夠滿足軍事領域的嚴格要求。通過這些標準化工作，美國在兵器用鈦合金板材的研發(fā)和應用方面取得了顯著的成就，為全球鈦合金技術的發(fā)展和應用樹立了新的標桿。
2.2 我國低成本鈦合金的生產應用現(xiàn)狀
目前，國內航空用鈦合金的熔煉主要采用VAR 熔煉技術。對于質量要求較高的鈦合金鑄錠，通常需要經過三次VAR熔煉過程，以確保獲得成分均勻、缺陷率低的高質量鑄錠。我國航空用鈦合金厚板和薄板，都采用“新料”進行VAR熔煉，且板坯鍛造火次及軋制成材率、軋制周期與歐美國家相比均存在一定的差距。目前，國內鈦合金厚板的銷售價格大約為500元/kg，而薄板產品的銷售價格約為800元/kg，顯著高于國外同類產品的價格水平。
在國內，西北有色金屬研究院與西部鈦業(yè)有限責任公司作為行業(yè)先鋒，致力于低成本鈦合金的研究與開發(fā)。通過采用低成本的Fe-Mo中間合金替代傳統(tǒng)TC4合金中的昂貴元素V，成功研制出多種新型鈦合金材料，包括近α型的 Ti8LC、近β型Ti12LC合金和α＋β型Ti5322、TC4G鈦合金 [3, 7] 。經過嚴格性能測試，這些合金在多方面均優(yōu)于美國同類產品Ti62S和Ti-LCB鈦合金。為驗證新材料實用性，研發(fā)團隊已制備出一系列應用零件，如汽車進排氣閥和鈦齒輪等。這些零件在民用領域和兵器領域展示出良好的應用前景，標志著我國在低成本高性能鈦合金領域取得顯著進展。
目前，國內利用EB熔煉技術生產純鈦扁錠已經基本成熟，但是還存在返回料利用低、成分偏差較大等問題。因此，亟需開展高性能鈦合金高效、穩(wěn)定的低成本化制備技術攻關，以滿足航空和兵器領域用鈦合金材料的低成本發(fā)展的迫切需求。此外，還需要進一步研究雙聯(lián)工藝條件，以實現(xiàn)鈦合金材料的高質量、低成本生產，跟上國際航空級鈦合金鑄錠熔煉技術的發(fā)展趨勢。
3、 未來高性能低成本鈦合金的發(fā)展趨勢
隨著鈦及鈦合金材料在航空、航天、醫(yī)療等高端領域需求的增加，其應用范圍將進一步擴大。未來，高性能低成本鈦合金將會在以下幾個方面取得突破：
（1）新成分、新牌號鈦合金不斷發(fā)展。例如，北京有色金屬研究總院采用廉價的Cr-Fe中間合金設計并熔煉制備新型TiAlCrFe系低成本鈦合金，其原材料成本僅為TC4合金的75%~80%。該合金的批量化生產，將對現(xiàn)有市場規(guī)模造成沖擊 [8] 。
（2）新型制備技術取得重大突破，進一步降低高性能鈦合金的制備成本。例如，北京科技大學采用氫化脫氫（HDH）制粉—冷等靜壓成形—真空燒結致密化的技術路線成功制備了間隙原子含量低、具有均勻細小近等軸α組織且室溫拉伸性能良好的TC4合金燒結坯，減少了后續(xù)熱加工變形量及加工道次，降低了鈦合金型材的制備成本 [9] 。
（3） 殘料回收技術趨于成熟，原材料成本降低 [10] 。殘料利用技術不僅降低了原材料成本，還提高了生產效率。但是，半固態(tài)加工后的合金性能有所下降，尤其是沖擊韌性降低明顯，因此需要進一步優(yōu)化加工工藝。
參考文獻
[1] 朱知壽，商國強，王新南，等. 低成本高性能鈦合金研究進展[J]. 鈦工業(yè)進展，2012，29(06): 1-5.
[2] 曹春曉. 我國航空用鈦合金面臨的21世紀的挑戰(zhàn)[J]. 鈦工業(yè)進展，1999(05): 1-5.
[3] 楊建朝，王興，謝英杰，等. 大規(guī)格TC4鈦合金厚板研制[J]. 鈦工業(yè)進展，2014, 31(03): 22-25.
[4] 辛社偉，劉向宏，張思遠，等. 鈦合金低成本化技術的研究與發(fā)展[J]. 稀有金屬材料與工程，2023, 52(11):3971-3980.
[5] 寧皓妍，王立平. 電子束(EB)爐安全生產淺析[J]. 鈦工業(yè)進展，2011, 28(06): 47-48.
[6] Mahdavi R, Abbasi S M, Emadoddin E. Flow behavior and microstructure evolution of ATI425 titanium alloy with initial martensitic microstructure in α/β and βregion[J]. Journal of Materials Research，2022, 37(17):2871-2882.
[7] 鄭超，朱秀榮，辛海鷹，等. 高強度低成本Ti5322合金的抗彈性能及其抗彈機理研究[J]. 鈦工業(yè)進展，2020, 37(02): 14-20.
[8] 王振國. 新型TiAlCrFe系低成本鈦合金的組織與性能研究[D]. 北京有色金屬研究總院, 2013.
[9] 郭志猛，張策，王海英，等. 基于氫化脫氫鈦粉制備低成本高性能鈦合金[J]. 鈦工業(yè)進展，2019, 36(05): 41-46.
[10] 趙秦陽，陳永楠，徐義庫，等. 鈦合金材料低成本化制備技術進展與展望[J]. 中國有色金屬學報，2021, 31(11): 3127-3140.