發(fā)布日期：2024-9-29 11:23:21
引 言
鈦及鈦合金具有質(zhì)輕、比強(qiáng)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(zhì)的結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、海洋、電力、化工、冶金、輕工、能源、環(huán)保等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用 [1] 。我國鈦合金工業(yè)起步于20世紀(jì)60年代，經(jīng)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(chǎn)板、管、棒、餅、環(huán)、絲和鑄件等多種形式產(chǎn)品，能滿足不同強(qiáng)度級別和不同部位的要求 [2] 。然而，隨著工業(yè)技術(shù)的變革和生產(chǎn)力水平的提升，鈦合金的需求和應(yīng)用范圍得到進(jìn)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(yán)峻問題。
本文結(jié)合國內(nèi)外鈦合金的生產(chǎn)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(shí)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(chǎn)應(yīng)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(xué)性質(zhì)，在眾多領(lǐng)域內(nèi)展現(xiàn)出無可替代的優(yōu)勢，被譽(yù)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(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大，特別是在航空航天等高端技術(shù)領(lǐng)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(lǐng)域，鈦及鈦合金材料不僅需要具備良好的強(qiáng)度與塑性匹配，還必須具備高的斷裂韌性、低的裂紋擴(kuò)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(jié)構(gòu)件在損傷容限設(shè)計方面的嚴(yán)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(shù)的不斷進(jìn)步，對大型薄壁構(gòu)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(xué)性能，還要求晶粒度更細(xì)、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(jìn)一步拓寬了鈦材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，同時也推動了鈦及鈦合金材料加工技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展。追求更高的綜合性能已經(jīng)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(shù)創(chuàng)新和工藝改進(jìn)，鈦及鈦合金材料的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏訌V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(chǎn)應(yīng)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(shù)和設(shè)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(shù)、寬厚板材和寬幅薄板制備技術(shù)的重大挑戰(zhàn)。這些技術(shù)突破不僅提升了產(chǎn)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(zhì)量的材料保障。
Timet公司，作為全球領(lǐng)先的鈦及鈦合金產(chǎn)品制造商之一，在航空航天領(lǐng)域具有顯著的影響力。
公司在全球范圍內(nèi)設(shè)有多個生產(chǎn)基地與服務(wù)中心，包括在美國和歐洲的戰(zhàn)略熔煉和軋制設(shè)施，以滿足全球市場對高質(zhì)量鈦產(chǎn)品的需求。公司的主要產(chǎn)品涵蓋鈦及鈦合金鑄錠、板材、棒材及其他制品，廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)制造和醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。憑借完整的供應(yīng)鏈、精密的研究設(shè)備以及數(shù)十年的豐富經(jīng)驗(yàn)，Timet 在全球鈦生產(chǎn)商中占據(jù)重要地位。此外，公司積極與獨(dú)立研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)合作，致力于推動鈦材料技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展。
RTI公司是全球領(lǐng)先的先進(jìn)鈦合金及其他特種金屬產(chǎn)品生產(chǎn)和供應(yīng)商，服務(wù)于商業(yè)航空、國防、能源和醫(yī)療設(shè)備等多個市場，提供從原材料到成品的一整套供應(yīng)鏈解決方案。在鈦合金領(lǐng)域，RTI擁有顯著的技術(shù)優(yōu)勢和市場地位，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于高科技工業(yè)領(lǐng)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(shè)計、焊接、切割、鍛造、組裝等服務(wù)，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(lǐng)域的深厚技術(shù)積累和廣泛的市場應(yīng)用，RTI已成為全球范圍內(nèi)極具影響力的材料供應(yīng)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(chǎn)線，能夠生產(chǎn)從初級產(chǎn)品（海綿鈦）到通用材料產(chǎn)品（如棒、板、線、管、型材），以及鍛壓成型產(chǎn)品（如鍛件、環(huán)形件等）。這些產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于航空航天、能源化工、船舶汽車以及醫(yī)療器械等領(lǐng)域。公司每年向全球超過50個國家和地區(qū)供應(yīng)各類鈦材產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)商能夠批量生產(chǎn)多種品種和規(guī)格的鈦合金材料，以適應(yīng)不同航空器和發(fā)動機(jī)的需求。部分鈦合金板材可穩(wěn)定生產(chǎn)至最薄100 mm 、最寬1 500 mm，極大地擴(kuò)展了其在航空領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。無論是在飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件還是航空發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵組件中，這些材料的廣泛應(yīng)用充分展示了其高性能和高可靠性，從而贏得了國內(nèi)外的廣泛認(rèn)可和信任。通過技術(shù)創(chuàng)新和嚴(yán)格的質(zhì)量控制體系，國外廠商確保了產(chǎn)品的高標(biāo)準(zhǔn)和高質(zhì)量，使其成為全球航空制造商的首選材料。持續(xù)的技術(shù)發(fā)展和市場拓展進(jìn)一步鞏固了上述企業(yè)在全球航空鈦合金板材市場的領(lǐng)先地位。
1.2 我國高性能鈦合金的生產(chǎn)應(yīng)用現(xiàn)狀
在當(dāng)前階段，我國生產(chǎn)的相關(guān)產(chǎn)品由于受到現(xiàn)有設(shè)備能力及工藝技術(shù)水平的限制，與國際上發(fā)達(dá)國家的同類產(chǎn)品相比，存在較為顯著的性能差異。具體來說，根據(jù)國軍標(biāo)（GJB 2505A-2018）的規(guī)定，對于板材產(chǎn)品的常規(guī)力學(xué)性能和持久性能設(shè)定了明確的要求。然而，在探傷標(biāo)準(zhǔn)方面，該標(biāo)準(zhǔn)僅對厚度在670 mm范圍內(nèi)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(chǎn)品，以及這些產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用中直接相關(guān)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(biāo)準(zhǔn)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(guān)重要的角色 [3] 。這些材料不僅是當(dāng)前主力飛機(jī)、新研發(fā)機(jī)型、高效發(fā)動機(jī)以及先進(jìn)導(dǎo)彈等的關(guān)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐高溫性能，在大型飛機(jī)、新型戰(zhàn)斗機(jī)、先進(jìn)導(dǎo)彈和高性能發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用尤為關(guān)鍵。國內(nèi)新批產(chǎn)的某型號軍用飛機(jī)采用的TC4厚板，不僅需要滿足高探傷標(biāo)準(zhǔn)（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(jī)在極端條件下的可靠性和安全性；某新型戰(zhàn)斗機(jī)用TC4薄板，其板幅寬度達(dá)到了1 500 mm，要求良好的超塑/擴(kuò)散連接性能。這種薄板的使用不僅提高了戰(zhàn)機(jī)的整體性能，還要求對每一塊板材進(jìn)行嚴(yán)格的探傷檢測，以保證最終產(chǎn)品的質(zhì)量。當(dāng)前，我國迫切需要實(shí)現(xiàn)上述高性能鈦合金板材的穩(wěn)定批量化生產(chǎn)。
2 、低成本鈦合金生產(chǎn)應(yīng)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(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)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(chǎn)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(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。鈦合金的高強(qiáng)度、低密度、良好的耐腐蝕性和耐高溫性能使其成為上述領(lǐng)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(chǎn)業(yè)界亟待解決的問題。
根據(jù)對鈦合金產(chǎn)品成本構(gòu)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(chǎn)技術(shù)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(dāng)前降低鈦合金成本的主要技術(shù)途徑。
隨著EB爐熔煉技術(shù)的不斷進(jìn)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(shù)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(shù)相比，后者至少需要熔煉兩次才能達(dá)到相同的效果。減少熔煉次數(shù)不僅縮短了生產(chǎn)周期，還直接降低了熔煉成本，從而提高了生產(chǎn)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(jīng)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(jìn)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(shù)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(chǎn)成本，還提高了生產(chǎn)效率，對于推動鈦合金在各個領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。
EB爐熔煉技術(shù)，作為一種先進(jìn)的材料制備方法，在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的關(guān)注和快速的發(fā)展。特別是在美國，該技術(shù)不僅發(fā)展成熟，而且其生產(chǎn)能力在同行業(yè)中居于領(lǐng)先地位。據(jù)統(tǒng)計，美國的EB爐熔煉產(chǎn)能約占全國鈦熔煉總產(chǎn)能的45%，充分展示了其在鈦金屬生產(chǎn)領(lǐng)域中的重要性和應(yīng)用廣泛性。在航空級鈦合金的生產(chǎn)中，美國采用EB+VAR雙聯(lián)工藝進(jìn)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(zhì)量。通過采用EB+VAR雙聯(lián)工藝，能夠有效預(yù)防冶金缺陷的產(chǎn)生，從而避免可能由材料缺陷引 起的災(zāi)難性事故 [5] 。這對于航空轉(zhuǎn)動件、結(jié)構(gòu)件等關(guān)鍵材料至關(guān)重要，其質(zhì)量直接關(guān)系到航空器的安全和可靠。因此，EB爐熔煉技術(shù)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)鈦合金材料零缺陷純凈化技術(shù)的重要途徑。
2.1 國外低成本鈦合金的生產(chǎn)應(yīng)用現(xiàn)狀
在航空領(lǐng)域，對于關(guān)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(shù)降低生產(chǎn)成本，已成為國際主流的航空結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(chǎn)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(lǐng)域，美國已經(jīng)設(shè)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(dú)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(chǎn)成本，還提高了材料的再利用率。為了進(jìn)一步提升鈦合金的性能和應(yīng)用范圍，美國率先針對EB爐單次熔煉技術(shù)開展深入研究，研制的TC4鈦合金板材質(zhì)量穩(wěn)定、可靠，且生產(chǎn)更加高效，被廣泛應(yīng)用于M2戰(zhàn)車的關(guān)鍵部位，包括指揮艙、防護(hù)裝甲和頂部裝甲等。隨著上述材料的成功應(yīng)用，美國由此形成了一套相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)體系。這些標(biāo)準(zhǔn)不僅為鈦合金板材的生產(chǎn)和應(yīng)用提供了明確的指導(dǎo)，還確保了產(chǎn)品的性能和質(zhì)量能夠滿足軍事領(lǐng)域的嚴(yán)格要求。通過這些標(biāo)準(zhǔn)化工作，美國在兵器用鈦合金板材的研發(fā)和應(yīng)用方面取得了顯著的成就，為全球鈦合金技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用樹立了新的標(biāo)桿。
2.2 我國低成本鈦合金的生產(chǎn)應(yīng)用現(xiàn)狀
目前，國內(nèi)航空用鈦合金的熔煉主要采用VAR 熔煉技術(shù)。對于質(zhì)量要求較高的鈦合金鑄錠，通常需要經(jīng)過三次VAR熔煉過程，以確保獲得成分均勻、缺陷率低的高質(zhì)量鑄錠。我國航空用鈦合金厚板和薄板，都采用“新料”進(jìn)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(nèi)鈦合金厚板的銷售價格大約為500元/kg，而薄板產(chǎn)品的銷售價格約為800元/kg，顯著高于國外同類產(chǎn)品的價格水平。
在國內(nèi)，西北有色金屬研究院與西部鈦業(yè)有限責(zé)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(jīng)過嚴(yán)格性能測試，這些合金在多方面均優(yōu)于美國同類產(chǎn)品Ti62S和Ti-LCB鈦合金。為驗(yàn)證新材料實(shí)用性，研發(fā)團(tuán)隊(duì)已制備出一系列應(yīng)用零件，如汽車進(jìn)排氣閥和鈦齒輪等。這些零件在民用領(lǐng)域和兵器領(lǐng)域展示出良好的應(yīng)用前景，標(biāo)志著我國在低成本高性能鈦合金領(lǐng)域取得顯著進(jìn)展。
目前，國內(nèi)利用EB熔煉技術(shù)生產(chǎn)純鈦扁錠已經(jīng)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(shù)攻關(guān)，以滿足航空和兵器領(lǐng)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(jìn)一步研究雙聯(lián)工藝條件，以實(shí)現(xiàn)鈦合金材料的高質(zhì)量、低成本生產(chǎn)，跟上國際航空級鈦合金鑄錠熔煉技術(shù)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(lǐng)域需求的增加，其應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)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(shè)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(chǎn)，將對現(xiàn)有市場規(guī)模造成沖擊 [8] 。
（2）新型制備技術(shù)取得重大突破，進(jìn)一步降低高性能鈦合金的制備成本。例如，北京科技大學(xué)采用氫化脫氫（HDH）制粉—冷等靜壓成形—真空燒結(jié)致密化的技術(shù)路線成功制備了間隙原子含量低、具有均勻細(xì)小近等軸α組織且室溫拉伸性能良好的TC4合金燒結(jié)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(shù)趨于成熟，原材料成本降低 [10] 。殘料利用技術(shù)不僅降低了原材料成本，還提高了生產(chǎn)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(jìn)一步優(yōu)化加工工藝。
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