鈦合金低成本成形技術(shù)研究進(jìn)展與發(fā)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，其成形技術(shù)***開始是為適應(yīng)航空航天工業(yè)的需要而發(fā)展起來的，早期為滿足研制急需，多為政府采購，因此具有重質(zhì)量、輕成本的特點(diǎn)。近年來，我國高新技術(shù)領(lǐng)域得到迅猛發(fā)展，為了滿足結(jié)構(gòu)部件輕量化的需求，載人航天工程探月工程大飛機(jī)高分衛(wèi)星等航空航天重大工程以及新型武器裝備對優(yōu)質(zhì)鈦合金構(gòu)件的需求量逐年增加，同時(shí)，船舶、化工、醫(yī)療、核電、消防等民用領(lǐng)域也逐漸開始廣泛應(yīng)用鈦合金。

然而，目前優(yōu)質(zhì)鈦合金部件的生產(chǎn)成本仍居高不下，主要由兩個(gè)方面導(dǎo)致：一是熔煉過程要求苛刻，鈦在高溫狀態(tài)下極為活潑，易與氧、氮、硅、碳等元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，熔煉和熱處理過程需要在真空或惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行，成分純凈性和均勻性控制較為困難;二是成形困難，鈦合金本身變形能力差，屈/彈比高，熱導(dǎo)率低，采用常規(guī)冷/熱加工成形較為困難。據(jù)估算，鈦合金構(gòu)件的整個(gè)生產(chǎn)流程過程中，海綿鈦原材制備成本約占14%左右，鈦合金坯錠、板材加工成本約占36%，而鈦合金***終產(chǎn)品成形成本占到約50%(圖1)，可見，鈦合金產(chǎn)品的成本構(gòu)成主要來源于鑄坯、板材的制備和鍛造、鑄造、機(jī)加等成形環(huán)節(jié)。

以鑄件為例，高端軍品鈦精鑄件的生產(chǎn)成本達(dá)到1500~2 500 元/kg，普通民品鈦精鑄件的生成成本也在500~800 元/kg，而不銹鋼精鑄件的生產(chǎn)成本約在50~200 元/kg，鈦精鑄件的生產(chǎn)成本是不銹鋼精鑄件的10倍以上，高成本已成為制約鈦合金制品推廣應(yīng)用的瓶頸。因此，降低鈦合金制品的生產(chǎn)成本已成為眾多科研機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)單位不斷攻關(guān)解決的重要課題之一，迫切需要發(fā)展低成本鈦合金材料及其低成本制備成形技術(shù)。

圖1 鈦合金制品整個(gè)生產(chǎn)流程成本構(gòu)成及所占比例

公司發(fā)展至今已擁有一批******的進(jìn)口設(shè)備 : 進(jìn)口高精密CNC加工銑床，CNC高精密加工車床，北京精密零件加工，進(jìn)口模型批量真空制作機(jī)， 高亮度uv機(jī)，噴漆房，烤漆柜，圖標(biāo)文字絲印機(jī)，鐳雕激光機(jī)，噴砂機(jī)，打孔攻絲機(jī)、火花機(jī)、線切割設(shè)備等等。

目前，實(shí)現(xiàn)鈦合金材料及其成形技術(shù)的低成本化主要有三種途徑，一是采用廉價(jià)元素的合金成分設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)鈦合金材料時(shí)采用Fe、Si、Al、Sn等廉價(jià)元素代替V、Mo、Zr、Nb、Ta等昂貴元素，在保持鈦合金力學(xué)性能的前提下降低合金化成本;二是進(jìn)行鈦料的回收利用，殘鈦(殘余鈦料)的價(jià)格只有海綿鈦價(jià)格的20%~30%，在鈦合金熔煉制備過程中添加回爐料，可以極大降低鑄坯板材的制備成本，但回爐料中往往存在合金元素偏析、雜質(zhì)元素含量高等問題;三是開展低成本加工成形技術(shù)研究，鈦合金構(gòu)件成形的高成本是其價(jià)格居高不下的主要原因，開展成形工藝的優(yōu)化與創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)低成本化的重要途徑，針對鈦合金鑄錠，可開展熔化、精煉一體化控制，減少鈦合金鑄錠的熔煉次數(shù)，針對鈦合金變形加工，可通過連鑄連軋等短流程技術(shù)實(shí)現(xiàn)凝固、變形一體化控制，針對鈦合金鑄造成形，可采用廉價(jià)耐火材料替代釔稀土氧化物材料制備鑄型。

低成本鈦合金材料的發(fā)展

為了降低鈦合金材料的生產(chǎn)成本，世界各國對新型鈦合金材料開展了研究，主要途徑是采用Fe、Si、Al、Sn等廉價(jià)的中間合金代替V、Mo、Zr、Nb、Ta等昂貴元素，基于上述思路，目前國內(nèi)外研發(fā)的主要低成本鈦合金如表1所示。

表1 國內(nèi)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(jì)開發(fā)的一種非航空航天用途的新型低成本鈦合金，屬于α+β型合金。該合金設(shè)計(jì)的初衷是用于替代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(xì)化組織，合金性能與Ti-6Al-4V相比并不遜色，成本降低了15%~20%，并且具備優(yōu)異的冷熱加工性。該合金主要應(yīng)用于高強(qiáng)度、抗損傷的民用領(lǐng)域鈦合金鈑金結(jié)構(gòu)件，已在氣門座圈的生產(chǎn)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公司開發(fā)，屬于高強(qiáng)度β合金，該合金設(shè)計(jì)的初衷是用于替代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(qiáng)度高，成形性好，可以像鋼一樣冷加工或溫加工，性能與Ti-10-2-3相當(dāng)，成本為Ti-6Al-4V的78%。該合金中Mo為β穩(wěn)定元素，可形成Fe和Mo的化合物，經(jīng)過時(shí)效硬化后具有較高的拉伸強(qiáng)度，已在日、美汽車零件和彈簧、懸簧中應(yīng)用。

3. ATI425 合金

ATI425合金(Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-0.25O)是美國ATI Wah Chang公司開發(fā)的β型低成本鈦合金，以Fe元素取代部分V元素，降低了成本，力學(xué)性能和耐蝕性良好，抗拉強(qiáng)度可達(dá)到827~965 MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到758~896 MPa，伸長率達(dá)到6%~16%，且抗彈能力與Ti6Al4V相當(dāng)，滿足了當(dāng)前軍用裝甲標(biāo)準(zhǔn)對材料性能的要求，已用于兵器領(lǐng)域裝甲板和軍用車輛部件。

4. Ti-Fe-O-N 系列合金

Ti-Fe-O-N系列合金是由日本鋼鐵公司和東邦鈦公司研制的β型合金，該類合金采用Fe、O、N元素代替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。該合金系室溫強(qiáng)度可達(dá)到700~1000 MPa，但其高溫性能較差。此合金系的代表為Ti-1%Fe-0.35%O-0.01%N，該合金拉伸強(qiáng)度約為800 MPa，主要用于航空以外用途設(shè)計(jì)的合金。

5.SP700 合金

SP700(Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe)是日本開發(fā)的一種超塑性鈦合金材料，在775 ℃可實(shí)現(xiàn)超塑成形和擴(kuò)散連接，超塑性成形溫度低于Ti-6Al-4V合金，拉伸強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度優(yōu)于Ti-6Al-4V合金，可用于制造薄板形航空航天結(jié)構(gòu)件。因?yàn)楸荛_了鈦?zhàn)冃慰沽Υ?、常溫可塑性差的缺陷，從而大幅度降低了鈦材的變形加工成本，日本將該合金?yīng)用于本田NSX摩托車連桿，美國RMI鈦公司把這種鈦合金制備成飛機(jī)結(jié)構(gòu)件及轉(zhuǎn)動(dòng)零件。

6. Ti8LC 和Ti12LC合金

西北有色金屬研究院通過合金設(shè)計(jì)、性能檢測，開發(fā)出了近α型Ti8LC、Ti12LC低成本鈦合金，為Ti-Al-Mo-Fe系合金，合金中均添加廉價(jià)Fe-Mo中間合金代替Ti-6Al-4V合金中的V和Zr，同時(shí)在熔煉過程中添加純鈦的廢料(如鈦屑)，以降低海綿鈦的用量，在保證性能的基礎(chǔ)上，原材料成本可降低10%以上，小規(guī)格棒材的制備成本可降低達(dá)30%左右。兩種合金經(jīng)過固溶時(shí)效熱處理后，具有良好的強(qiáng)度、塑性及疲勞強(qiáng)度，室溫抗拉強(qiáng)度均可達(dá)到1100 MPa以上，強(qiáng)度和塑性均高于GB/T2965中的Ti-6Al-4V合金性能，Ti12LC合金具有更高的強(qiáng)度和塑性匹配，強(qiáng)度達(dá)到1200 MPa，塑性達(dá)到20%，優(yōu)于Timetal 62S和Timetal LCB合金。Ti8LC和Ti12LC可制備汽車進(jìn)排氣閥、自行車扭力桿等，其中Ti12LC還可用于制備航天固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(lǐng)域應(yīng)用研發(fā)的一種Ti-Fe-V-Cr-Al系α+β兩相鈦合金。合金充分考慮廉價(jià)Fe元素以及回收鈦料的應(yīng)用，添加了2%Fe代替昂貴合金元素V，成本低于Ti-6Al-4V合金，該合金經(jīng)過熱處理后強(qiáng)韌性匹配良好，室溫強(qiáng)度達(dá)到1100~1 300 MPa，伸長率在7%~14%。目前該合金已應(yīng)用于坦克裝甲的研制，抗彈性能優(yōu)于TC4合金。

8. Ti-35421 合金

Ti-35421合金是南京工業(yè)大學(xué)針對海洋工程對鈦合金高強(qiáng)、耐沖擊、耐腐蝕和焊接性的需求，開發(fā)的一種新型海洋工程用高強(qiáng)鈦合金，抗拉強(qiáng)度為1 313 MPa，屈服強(qiáng)度為1240 MPa，伸長率8.62%，斷面收縮率為17.58%，斷裂韌性KIC為75.8 MPa·m1/2，在3.5%NaCl溶液中的應(yīng)力腐蝕敏感性小，具有較好的耐腐蝕性。該合金完善了國內(nèi)1 000 MPa強(qiáng)度級別的船用低成本鈦合金材料體系，對于裝備在設(shè)計(jì)和建造過程中的選型具有重要的意義。

鈦合金低成本熔煉技術(shù)

鈦合金在熔煉過程中低成本化控制主要從兩個(gè)方面進(jìn)行考慮。一是增加殘鈦的應(yīng)用，代替海綿鈦。殘鈦主要是指在熔煉、機(jī)加工過程中產(chǎn)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(chǎn)生的報(bào)廢件也屬于殘鈦，殘鈦量很大，一次殘鈦(半成品生產(chǎn)的殘鈦)可達(dá)到30%~50%，二次殘鈦(成品加工的殘鈦)可達(dá)到20%~80%，充分利用殘鈦可使鈦制品成本大幅降低。二是提高熔煉效率和熔煉質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)熔化、精煉一體化控制。目前國內(nèi)應(yīng)用***為廣泛的鈦合金真空自耗電弧熔煉技術(shù)在電極制備過程中，由于采用氬弧焊工藝，易引入低密度氧化物夾雜和高密度TiW夾雜，同時(shí)由于熔煉過程中成分均勻性差，需要進(jìn)行2~3次重熔，降低了生產(chǎn)效率。目前，可實(shí)現(xiàn)熔化、精煉一體化控制和殘鈦回收的熔煉技術(shù)，主要包括冷床爐熔煉技術(shù)(Cold Hearth Remelting，CHR)和冷坩堝感應(yīng)熔煉技術(shù)(Cold Crucible Induction Melting，CCIM)。

1. 冷床爐熔煉技術(shù)

冷床爐熔煉技術(shù)主要包括電子束冷床熔煉(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子槍發(fā)射的集中和可控穩(wěn)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(shù)轉(zhuǎn)化而來，是利用等離子槍發(fā)射經(jīng)過穩(wěn)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(jìn)行熔化和精煉。冷床爐在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上將熔煉過程分為原料熔煉區(qū)、精煉區(qū)和凝固區(qū)3個(gè)區(qū)域。熔煉區(qū)加熱源依次對傳送設(shè)備上的殘鈦廢料進(jìn)行加熱熔化，熔化后的鈦液流入精煉區(qū)精煉，***后進(jìn)入凝固坩堝，凝固成板坯。

冷床爐熔煉技術(shù)具有以下特點(diǎn)：①熔煉過程中可以較好地消除高密度和低密度夾雜，獲得細(xì)晶和組織均勻的鑄錠或鑄件。在精煉區(qū)內(nèi)鈦液中高密度夾雜因重力作用落入到低溫凝殼區(qū)，通過沉積去除，低密度夾雜上浮到熔池表層，經(jīng)過高溫加熱得以熔化消除，中間密度夾雜在冷床內(nèi)流動(dòng)過程中，在復(fù)雜流場環(huán)境下持續(xù)加熱逐漸熔化消除;②對原材料狀態(tài)要求低，不需要制備電極，可以****的利用回收殘鈦?zhàn)鳛樵牧希婵兆院碾娀∪蹮捈夹g(shù)一般只能利用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(shù)相比熔煉效率大幅提升，成分均勻性好，可節(jié)約加工成本20%~40%;④易于更換結(jié)晶器，通過調(diào)整結(jié)晶器結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)扁錠、空心錠、圓錠等多種鑄坯的制備，提高板材、管材生產(chǎn)的生產(chǎn)效率，降低產(chǎn)品成本。

國外******企業(yè)廣泛采用冷床爐進(jìn)行鈦合金熔煉，以解決鑄錠夾雜問題，冷床爐熔煉技術(shù)是實(shí)現(xiàn)鈦合金材料近零缺陷純凈化技術(shù)的重要途徑。美國現(xiàn)行宇航材料標(biāo)準(zhǔn)中要求鈦合金重要件必須使用冷床爐制備技術(shù)。美國GE公司于1988年開始采用冷床爐熔煉加真空自耗電弧熔煉技術(shù)生產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵轉(zhuǎn)子零件用鈦合金鑄錠。英國TIMET公司采用電子束冷床爐熔煉技術(shù)制備了Timetal 6-4合金錠，并制成鈦合金坦克裝甲，研究人員采用尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈對鈦合金裝甲進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，低成本Timetal 6-4合金完全可以替代傳統(tǒng)Ti-6Al-4V合金用于裝甲車輛。寶鈦集團(tuán)從德國ALD公司引進(jìn)2 400 kW電子束冷床熔煉爐，利用該******設(shè)備建成國內(nèi)******條年產(chǎn)量5 000 t的返回料回收處理生產(chǎn)線，***大可添加約80%的TC4鈦合金返回料，可熔煉出多種規(guī)格的TC4鈦合金鑄錠。

2.冷坩堝感應(yīng)熔煉技術(shù)

冷坩堝感應(yīng)熔煉技術(shù)(Cold Crucible Induction Melting，CCIM)是一種通過感應(yīng)加熱方式配合分瓣式水冷銅坩堝來進(jìn)行熔煉的特種熔煉方法，具體是將分瓣的水冷坩堝置于交變電磁場內(nèi)，利用電磁場產(chǎn)生的渦流熱熔融金屬，由于此種方法在熔煉時(shí)熔融的金屬一般會(huì)在坩堝底部形成一層凝殼，也將其稱為感應(yīng)凝殼熔煉(Induction Skull Melting，ISM)。這種方法***大的特點(diǎn)是水冷坩堝側(cè)壁被分割成20瓣以上，在交變磁場下，每兩塊相鄰坩堝瓣的間隙會(huì)產(chǎn)生磁場增強(qiáng)效應(yīng)，通過磁壓縮效應(yīng)引起強(qiáng)烈攪拌，合金組分和熔液溫度達(dá)到平衡，實(shí)現(xiàn)難熔金屬的均勻熔化。同時(shí)，坩堝側(cè)壁各瓣自身感生電流產(chǎn)生的磁場和物料表面的感應(yīng)電流產(chǎn)生電磁斥力，使得物料和坩堝側(cè)壁保持軟接觸或非接觸狀態(tài)。該技術(shù)熔煉鈦合金鑄錠時(shí)，原材料形式基本不受限制，可連續(xù)重熔回收鈦合金廢料，不需要耐火材料作為坩堝，也不用焊接電極，所以其理論的殘鈦利用率為****，可以無污染地獲得高品質(zhì)的鈦及鈦合金鑄錠。CCIM設(shè)備在美國、德國、俄羅斯、法國等******歷經(jīng)幾十年發(fā)展，目前設(shè)備熔化量已超過200 kg(以鈦計(jì))，坩堝直徑達(dá)到500 mm以上，熔化溫度達(dá)到3 000 ℃以上，國外主要設(shè)備廠家包括美國CONSARC公司、美國RETECH公司、德國ALD公司等，并已獲得商業(yè)化應(yīng)用，國內(nèi)目前研制該設(shè)備的容量大都在50 kg以下。近年來，冷坩堝感應(yīng)熔煉技術(shù)逐漸與其他材料制備技術(shù)相結(jié)合，發(fā)展了冷坩堝電磁連鑄技術(shù)、冷坩堝定向凝固技術(shù)以及用冷坩堝作為輔助裝置的噴霧沉積技術(shù)等。冷坩堝感應(yīng)凝殼熔煉技術(shù)存在的***大問題是形成的凝殼較厚，由于坩堝底部采用整體連通結(jié)構(gòu)，雖然保證了足夠的坩堝強(qiáng)度，但熔體在坩堝底部與坩堝接觸造成較大的熱量損失，形成的凝殼往往超過總?cè)莘e的1/3，極大地降低了熔煉效率和熔煉均勻性，特別是給多種元素合金化和高熔點(diǎn)材料的熔煉帶來了困難。

冷坩堝懸浮熔煉技術(shù)(Cold Crucible Levitation Melting，CCLM)增加了熔體底部的電磁斥力，取消了坩堝底部連通結(jié)構(gòu)，而采用上部與底部完全分瓣的錐形底坩堝結(jié)構(gòu)，每瓣獨(dú)立水冷，同時(shí)改變外加線圈結(jié)構(gòu)，提高電磁場頻率、切縫數(shù)量以及電源輸入功率，實(shí)現(xiàn)了熔體的半懸浮或全懸浮，其原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。與冷坩堝感應(yīng)凝殼熔煉相比，熔煉過程中具備更好的整體攪拌效果和成分均勻性，更適合于高活性金屬、多組元合金及難熔金屬的制備，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制備成本。CCLM技術(shù)要求更高，國內(nèi)外從事相關(guān)開發(fā)的相對較少，國外以美國CONSARC、德國ALD等的技術(shù)***為******，目前國內(nèi)已從兩國引進(jìn)多臺無殼懸浮熔煉爐，已報(bào)道的***大容量為20 kg(以鈦計(jì))。國內(nèi)目前從事相關(guān)研究開發(fā)的主要有深圳市賽邁特懸浮冶金科技有限公司、北京鋼鐵研究總院、沈陽鑄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(yīng)懸浮熔煉爐***大坩堝容量為25 kg(以鈦計(jì))，***高熔煉溫度2 600 ℃，沈陽鑄造研究所有限公司成功研制出了坩堝容量達(dá)到30 kg(以鈦計(jì))的感應(yīng)懸浮熔煉爐，目前正進(jìn)行更大容量的設(shè)計(jì)開發(fā)，國內(nèi)其他單位研制的鈦合金感應(yīng)懸浮熔煉爐容量通常小于30 kg(以鈦計(jì))。

圖2 感應(yīng)懸浮熔煉原理示意圖

鈦合金低成本鑄造技術(shù)

鈦合金鑄造技術(shù)本身就是一種提高鈦合金材料利用率、控制生產(chǎn)成本的生產(chǎn)工藝技術(shù)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算，鈦合金精密鑄造過程的生產(chǎn)成本構(gòu)成如圖3所示其造型成本達(dá)到20%以上。近年來，為了滿足大型復(fù)雜薄壁鈦合金精密鑄件的研制需求，石墨型、金屬型、陶瓷型等精密鑄造工藝得到了不斷改進(jìn)與發(fā)展，這也為低成本高效鈦合金鑄造工藝的進(jìn)步提供了發(fā)展基礎(chǔ)和空間。

圖3 鈦合金精密鑄件生產(chǎn)成本構(gòu)成及所占比例

1. 石墨鑄型工藝

鈦及鈦合金鑄造用的造型材料必須有良好的高溫穩(wěn)定性，石墨材料是應(yīng)用***早、性能***為穩(wěn)定的造型材料之一。目前應(yīng)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單、鑄件內(nèi)部質(zhì)量較高的優(yōu)點(diǎn)。但2017年以來，石墨電極價(jià)格飛漲，鈦合金鑄件的生產(chǎn)成本急劇上升。搗實(shí)或壓制石墨砂型鑄造有效克服了上述問題，該工藝是采用石墨粉通過類似砂型鑄造的方法制備出石墨鑄型。朱廣采用機(jī)械加工石墨型造型殘留的石墨粉作為耐火材料，采用酚醛樹脂、無水乙醇混合制成粘結(jié)劑，通過搗實(shí)方式制備出石墨鑄型，并澆注出了鈦合金截止閥和離心泵鑄件，鑄件表面無粘砂、冷隔、裂紋等缺陷，表面污染層厚度約為0.1 mm，鑄件力學(xué)性能和化學(xué)成分滿足相關(guān)國標(biāo)要求。國外采用該工藝制備了軍用魚雷彈射泵、大型海水泵、球閥、蝴蝶閥等產(chǎn)品。與機(jī)加石墨型相比，搗實(shí)石墨型具有良好的透氣性和退讓性，可節(jié)約30%~40%的石墨材料，且石墨碎塊經(jīng)過粉碎后可再次利用，大幅度降低了生產(chǎn)成本。

2. 陶瓷鑄型工藝

目前鈦合金熔模陶瓷鑄型工藝中應(yīng)用***為廣泛的是以氧化釔為代表的惰性氧化物工藝，國外如美國PCC公司、美國HOWMET公司、德國TITAL公司等，國內(nèi)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氧化釔作為面層型殼材料，惰性氧化物面層工藝成本相對鎢面層工藝盡管已有顯著降低，但相對于其他普通耐火材料，氧化釔的價(jià)格仍高出30倍以上，而對于采用惰性氧化物面層材料生產(chǎn)的鈦合金精鑄件，造型材料的成本占到鑄件成本的30%以上，昂貴的造型材料成本成為制約鈦精鑄技術(shù)迅速發(fā)展的重要因素，采用廉價(jià)氧化物耐火材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領(lǐng)域已得到了廣泛的應(yīng)用，普通的Al2O3需要經(jīng)過高溫煅燒或電熔轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的剛玉粉。但采用剛玉粉和常規(guī)粘結(jié)劑混合制備的面層材料澆注鈦合金時(shí)，澆注的鈦鑄件質(zhì)量較差。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的肖樹龍通過自主研發(fā)一種不含Na2O等雜質(zhì)的粘結(jié)劑，混合剛玉粉制成了具有較好涂掛性的涂料，成功澆注出了輪廓尺寸為376 mm×205 mm×142 mm鈦合金鑄件，鑄件表面粗糙度達(dá)到1.6~3.2 μm，尺寸精度達(dá)到CT6-CT7級。CaO材料對于熔融鈦的化學(xué)穩(wěn)定性較好，且價(jià)格低廉。LaSall等采用碳酸鈣和硅溶膠等水基堿性粘結(jié)劑混合制成涂料制備面層型殼，經(jīng)1 000 ℃焙燒后面層中的碳酸鈣轉(zhuǎn)化為氧化鈣，型殼在800 ℃左右保溫澆注，***終鑄出了質(zhì)量良好的鈦合金鑄件，但該種型殼由于氧化鈣易發(fā)生吸水受潮，因此不易于長期存放，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。CaZrO3一般由CaO和ZrO2混合高溫?zé)Y(jié)而成，此種型殼具有較大的應(yīng)用價(jià)值，而CaO價(jià)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(fā)展?jié)摿Αim等采用CaZrO3制備出陶瓷型殼，此種型殼具有良好的抗水性，不會(huì)在水中潮解，并且熱穩(wěn)定性良好，此種型殼澆注的鈦合金試樣，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的反應(yīng)層。Klotz等采用CaZrO3型殼與二氧化硅型殼進(jìn)行了比較澆注試驗(yàn)，結(jié)果表明CaZrO3型殼澆注的鈦合金試樣表面氧含量較小，未形成α層。

鈦合金短流程制備成形技術(shù)

傳統(tǒng)鑄錠冶金工藝制備鈦合金的技術(shù)路線為：海綿鈦-多次真空熔煉-鑄坯-多次改性鍛造-鍛坯-成形-深加工-鈦成品，制備過程中復(fù)雜繁瑣的工序大幅增加了生產(chǎn)成本，因此，開發(fā)鈦合金短流程制備技術(shù)可以有效降低成本并提高效率。

1. 連鑄連軋技術(shù)

連鑄連軋技術(shù)(CC+HDR)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋼、鋁板材的生產(chǎn)，它將熔煉、凝固、變形連接起來，并實(shí)現(xiàn)組織-性能-形狀一體化控制，對降低生產(chǎn)能耗、提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品成材率、改善產(chǎn)品均勻性等具有顯著的作用。日本金屬材料研究所對Ti-15-3、Ti-6242、Ti-10-2-3和NiTi進(jìn)行了連鑄連軋基礎(chǔ)工藝試驗(yàn)研究，研究表明：鈦在1200K以上時(shí)具有良好的熱塑性和較低的熱強(qiáng)度，其高溫加工性優(yōu)于鋼，只要保證在溫度Tβ以上不發(fā)生彎曲變形，傳統(tǒng)的連鑄連軋工藝就可以制備出鈦合金板材。美國陸軍開發(fā)了基于電子束冷床熔煉的連鑄連軋技術(shù)，并對Ti-6Al-4V合金進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，研究發(fā)現(xiàn)，制備的板材成分中只有C含量略高于常規(guī)熔煉工藝，其余成分基本相近，試驗(yàn)的三種厚度板材(24.6 mm、38.2 mm、63.6 mm)的力學(xué)性能均高于MIL-T-9046J軍用標(biāo)準(zhǔn)要求，并具有優(yōu)異的抗彈性能，完全滿足坦克裝甲的使用需求。國內(nèi)南京工業(yè)大學(xué)的常輝等人開展了鈦合金連鑄連軋的探索性研究工作，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(shù)進(jìn)行更深入的研究。

2. 粉末近凈成形技術(shù)

粉末近凈成形技術(shù)是一種以粉末為原材料，通過注射、擠壓、熱等靜壓、冷壓、激光增材制造等成形方式，在少加工或無加工的條件下即能實(shí)現(xiàn)制品***終成形的技術(shù)，具有原材料利用率高、工藝流程簡單等優(yōu)點(diǎn)。鈦合金粉末近凈成形技術(shù)解決了鈦合金的熔煉難題，避免了鑄錠制備及其鍛造過程，是近年來發(fā)展***為迅速的鈦合金短流程成形技術(shù)。一般情況下，鍛件的材料利用率僅為10%~15%，鑄件的材料利用率為45%~60%，而粉末近凈成形技術(shù)的材料利用率幾乎可達(dá)到****，極大提高了材料利用率。表2對比了目前常用的粉末近凈成形技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，針對這幾種技術(shù)，國內(nèi)外的研究者都在不斷地進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)與優(yōu)化。

表2 鈦及鈦合金粉末成形技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

目前，鈦合金粉末近凈成形件除了在航空航天等高端裝備領(lǐng)域獲得小規(guī)模應(yīng)用外，仍未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模替代鍛件、鑄件的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，究其原因，一方面由于產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量及力學(xué)性能仍未全面獲得行業(yè)性認(rèn)可，另一方面則由于成本較高，而影響其成本的主要因素在于高性能鈦粉制備技術(shù)及成形技術(shù)的居高不下。目前，高品質(zhì)鈦粉主要通過氣霧化和旋轉(zhuǎn)電極等方式制備，呈球形或近球形，但球形粉末的燒結(jié)性較差，要通過加壓燒結(jié)或激光燒結(jié)才能獲得高致密的鈦合金構(gòu)件，大大增加了粉末冶金的生產(chǎn)成本。氫化脫氫(HDH)鈦粉制備工藝通過將海綿鈦進(jìn)行氫化-破碎-脫氫的方法制得不規(guī)則形狀鈦粉，該工藝簡單、成本低、易形成規(guī)模化生產(chǎn)，但因其不規(guī)則形貌，流動(dòng)性和泊松比相對較差。郭志猛等開發(fā)了超細(xì)低氧HDH鈦粉制備技術(shù)，并通過冷等靜壓技術(shù)和真空燒結(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了粉末低成本壓制成形，所用超細(xì)低氧鈦粉大幅降低了燒結(jié)激活能，顯著提高了燒結(jié)致密度，真空燒結(jié)后制得相對密度≥99%的不同規(guī)格TC4制件。

展望

(1)國內(nèi)外對低成本鈦合金材料的研究重點(diǎn)主要集中于采用廉價(jià)的Fe、O、N等元素代替合金中的昂貴金屬，但材料的綜合性能也因此受到局限，很難滿足日益發(fā)展的航空航天高端鈦合金裝備的使用需求，尤其在抗疲勞強(qiáng)度、高損傷容限性能上仍存在問題，因此，需要更深入地成分設(shè)計(jì)開展高端、高性能、低成本鈦合金材料的相關(guān)研究，擴(kuò)大其在航空航天高端產(chǎn)品領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

(2)鈦合金廢料的回收率仍較低，回收方法單一，表面污染層嚴(yán)重，雜質(zhì)含量高，成分控制困難，成分均勻性較差，需要進(jìn)一步開展更為系統(tǒng)、深入地相關(guān)熔煉工藝研究，形成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收處理生產(chǎn)線。

(3)開發(fā)大容量感應(yīng)懸浮熔煉技術(shù)。目前國內(nèi)外鈦合金感應(yīng)懸浮熔煉技術(shù)受裝備技術(shù)能力所限，熔化量均較小，難以滿足工程化實(shí)際需求，因此需要開發(fā)新型大容量感應(yīng)懸浮熔煉技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大容量鈦合金的高潔凈回收與精密成形。

(4)開發(fā)穩(wěn)定的低成本熔模陶瓷型殼制備技術(shù)。目前Al2O3、CaZrO3等低成本陶瓷型殼材料仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，未在鈦合金熔模精密鑄造中獲得批量應(yīng)用，需要對其物相結(jié)構(gòu)、微觀形態(tài)等展開深入研究，配合中性粘結(jié)劑，真正實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高惰性、高致密、高穩(wěn)定面層型殼的制備，滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

(5)開發(fā)高適應(yīng)復(fù)合制造成形技術(shù)。單一類型的近凈成形技術(shù)受限于自身的局限性，無法滿足所有高端裝備制造所需的高性能、低成本鈦合金構(gòu)件，因此需要結(jié)合多種成形技術(shù)工藝特點(diǎn)，如精密鑄造+激光增材制造/粉末冶金，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的高精度、高效率、高性能成形。

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