新型金属钛合金的研究现状

新型金属钛合金的研究现状

摘要钛合金是一种“新”的金属，它广泛应用于航空航天、电力、化工等领域。钛合金制品不仅尺寸精度高，而且具有优良的特性和高的稳定性。钛合金属于难锻材，易产生裂纹，因此在钛合金锻件生产中最重要的就是对锻造温度和塑性变形进行适当的控制，模锻成为制备钛合金结构件的一种重要手段。

关键词钛合金；性能；现状；趋势

钛合金由于具有比强度高、使用范围广、抗腐蚀性好和良好的加工性能等，被广泛应用于航空航天及其发动机结构中。世界钛产业发展迅速，其中50%的市场份额属于航空工业。从工业价值和资源寿命的发展前景来看，它仅次于铁、铝而被誉为正在崛起的“第三金属”。由于钛合金冷变形困难，模锻成为制备钛合金结构件的一种重要手段。由于在飞机上使用的钛合金锻件都比较大，因此特大型钛合金锻件的生产技术是必须解决的重大关键技术。

1 国内外研究概况及发展趋势

1.1 国内外钛合金研究概况及发展趋势

钛是二战后登上世界工业大舞台的优质轻型高强度耐腐蚀结构材料、新型功能材料和重要的生物工程材料。美国的钛材主要用于航空航天领域，日本的钛材主要应用于一般民用工业及民品领域，中国的钛材主要应用于化工、电力等民用领域。其中美、日两国的产量约占世界钛材料总量的70%。

钛在美国宇航用途最大的方面主要分为军用机及民用机的机体以及发动机上的使用。钛合金用于发动机的压气机、风扇叶片、外壳、发动机舱、隔板、起落架等。美国F14、F15、F117、B2、F22军机的用钛比例分别为：24%，27%，25%，26%，42%，其中1架F15军机用钛达

30吨。在民用飞机中，1架波音747飞机用钛达到42.7吨，SR71侦察机的机身几乎全由钛合金组成。钛制元件在汽车行业也开始出现了，美国Timet公司在德国大众汽车公司的新型Lupo FSI汽车上使用了钛悬簧比标准FSI总重减轻81.6kg。近些年美国正在加快钛合金在汽车领域方面的研究发展。

日本钛应用的特点仍是在民用、化工、电力上。日本在20世纪80年代末就开始研制钛合金精铸高尔夫球头并获得良好的效果。在建筑业中，日本在1973年就建造了世界首例钛屋顶，其中在真光明教堂屋顶上用钛达90吨以上。现在在上百个建筑物都使用了钛，使许多重污染地区、滨海地区的腐蚀问题得到很好的解决。近几年，日本致力于在运输工具中的钛应用开发，而且在汽车用钛方面发展最快，如2002年钛在世界汽车工业中的应用达800吨，日本就占600吨。新开发的船舶、轮椅、家用热水器用钛也正在进行实用化实验阶段。

我国钛工业是在党和政府的关怀和指导下发展起来的。1954年开始制取海绵钛的工艺研究，我国先后建立了以遵义钛厂为代表的生产单位，以宝鸡有色金属加工厂为代表的钛材加工单位，以北京有色金属研究总院为代表的科研力量。近年来我国的钛材产量增长飞速，1996年钛产量1500吨，到2006年达到13879吨。中国的钛材产量占世界钛工业的比例上升到了10%。中国钛材的消费以非航空应用为主，化工、冶金、电力及体育休闲领域占钛材市场的70%以上。在钛合金研究方面，西北有色金属研究院自主研发的Ti-31，Ti-75，CT20等合金在舰船、航空航天领域以获得重要工程应用。我国在船用钛合金方面以实现合金系列化，可以生产低强、中强、高强的13种钛合金。

目前，钛合金材料主要的应用领域是航空航天、舰船等军事部门，在汽车、火车、高楼外墙装饰等民用领域的应用前景十分广阔。要使钛合金能够广泛应用，必须降低原材料成本，开发低成本生产工艺，开发新的海绵钛生产工艺，开发可冷变形的钛合金；采用先进的熔炼加工技术和设备，以提高生产效率。

1.2 国外锻造的现状与发展

1.2.1 国外锻造现状

锻压是制造业中金属成形及加工的一种重要手段，不但可赋予产品一定的结构形状，而且能直接起到改善和提高产品组织性能的作用。锻造技术在西方国家和日本发展的比较早，并且现在已经广泛应用到军用、民用等领域。尤其是在模锻水平、大锻件生产、热模锻工艺等多个方面发展非常迅速。在20世纪90年代时，在模锻件比例方面：美国80%、法国90%、日本88%。在模锻装备水平方面：以精密剪切为主，热模锻压力机占成形设备总数的50%以上，综合自动线上生产的锻件占锻件总量40%以上。废品率方面：重要的大锻件是100%合格，模锻件的废品率都在0.5%以下。锻造工艺自动化水平方面：美国有5085条锻压自动线，日本有900条以上。

现在我国锻件年产量已居世界首位，是锻件生产大国，但不是生产强国。我国模锻件为270万件，模锻件占锻件总产量的70%。近10年我国独立锻造企业在增多，民营、合营中小企业如雨后春笋般出现，许多锻造专业生产线已经形成，锻造企业逐步重视市场运作，已有锻件成批出口。尽管如此，我国锻造业与发达国家相比存在以下一些问题：

1）企业数量多，规模较小，管理落后。

2）锻造工艺水平落后。

3）为轿车工业配套的小型精密锻件、有色金属锻件能力不足。

4）装备技术、能源技术落后，员工作业环境差，企业不符合环保要求。

5）CAD/CAM/CAE技术应用不够广泛。

6）锻造产品专业化程度低。

1.2.2 钛合金锻造研究

钛合金制品的应用不仅要求锻件尺寸精度高，而且要求材料具有优良的特性和高的稳定性。钛合金属于难锻材，易产生裂纹，因此在钛合金锻件生产中最重要的就是对锻造温度和塑性变形进行适当的控制。由于钛合金冷变形困难，模锻成为制备钛合金结构件的一种重要手段。钛合金传统模锻工艺包括常规锻造，β锻造，亚β锻造。而传统的锻造过程中，因钛合金的变形抗力对锻造温度非常敏感，为减少模具对工件的冷却，锻造速度要求很高，速度越高，变形抗力越大，锻造载荷就越大，同时高速锻锤使锻件内金属流动速度太快，毛坯内会产生强烈的内摩擦，发生局部温度升高，钛合金导热性能较差，热量较难迅速散开，造成局部过热，出现粗大晶粒的过热组织。

近些年来，准β锻造、近β锻造、等温锻造、热模锻造这些钛合金模锻工艺的新发展解决了传统工艺的缺陷。准β锻造工艺的主要特点是：通过控制钛合金低倍晶粒度，从根本上解决网篮组织塑性偏低的难题，因此可以使大量正在应用的α和α+β型钛合金的应用水平和使用寿命得到提高，同时大大降低生产成本和能耗。尤其是等温锻造的出现，解决了一系列以往难以解决的问题。等温锻造是指模具自始自终与工件保持相同的温度，以低应变速率进行变形的一种锻造方法。与常规锻造相比，等温锻造有下列优点：

1）等温锻造可密切控制锻件尺寸，能够锻出形状复杂、精度高的锻件，比常规锻造更符合实际需要，节省了原料，大大减少了机加工，降低了成本。

2）锻造载荷较小，设备吨位大大减少，使锻造高温合金成为

可能。

3）1步等温锻造工序可代替3-4步常规锻造工序，减少了锻造作业量，提高了效率。

4）容易控制加工参数，可利用材料的超塑变形特征，产品具有均

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匀一致的微观组织。

目前发达国家等温锻造硬件已经相当成熟，我国经过几十年的发展，等温锻造逐渐在我国的航空航天工业得到应用。宝钢、西北工业大学、南昌航空大学、原机械部机电所等单位利用等温锻造工艺已经生产了多种TC4、TC11合金的航