1、前言
鈦合金因具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫、耐低溫、無磁、可焊、生物相容性好等優(yōu)異的綜合性能，在航空、航天、核工業(yè)、兵器、海洋、石油、化工、醫(yī)療、日常生活等眾多領(lǐng)域都有著重要的用途，為越來越多的人所接受。鈦雖然在地殼中含量高，但是由于活性大，提煉困難，需要經(jīng)過多次氧化還原過程才能達(dá)到工業(yè)應(yīng)用的品位。通常采用氯還原法提純金屬鈦，熔煉采用多次真空電弧熔煉工藝，另外鈦合金變形抗力較大，屬于難變形材料，也就是說鈦合金材料制備工藝復(fù)雜、流程長等原因致使其成本高，限制了鈦合金在民用等領(lǐng)域的擴(kuò)大應(yīng)用。降低成本已成為目前鈦合金發(fā)展必須要解決的重要問題之一。近5年，國家及一些省市高度重視鈦合金材料的科技進(jìn)步，支持了不少科技項(xiàng)目，取得了良好的成果和效益。本文簡要評(píng)述近5年國內(nèi)鈦合金材料在熔煉技術(shù)、鍛造技術(shù)、軋制技術(shù)、新合金研發(fā)等方面的主要進(jìn)展(不包括鈦的金屬間化合物、復(fù)合材料、粉末冶金材料、醫(yī)用鈦合金等)，并指出存在的問題和未來發(fā)展方向。
2、取得的主要工程技術(shù)進(jìn)展
近5年，鈦科技領(lǐng)域盡管沒有院士和國家級(jí)科技成果獎(jiǎng)出現(xiàn)，但鈦合金材料研究、開發(fā)及生產(chǎn)相關(guān)的人員規(guī)模，裝備規(guī)模，鈦材的產(chǎn)能、產(chǎn)量都得到擴(kuò)大，如鈦材產(chǎn)量由2015年的4.86萬噸上升到2019年的7.53萬噸，增長了55%。經(jīng)過相關(guān)科技人員的努力，取得了眾多的工程技術(shù)成就。
(1)開發(fā)的多種鈦合金材料成功應(yīng)用于我國重要工程。例如由西北有色金屬研究院創(chuàng)新研制的高強(qiáng)高韌損傷容限鈦合金TC21［1－3］和具有我國特色的中強(qiáng)高韌損傷容限鈦合金TC4-DT［3］在西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司(以下簡稱“西部超導(dǎo)公司”)實(shí)現(xiàn)大規(guī)格棒材批量化生產(chǎn)，已成功應(yīng)用于我國新型戰(zhàn)機(jī)等［4］(圖1為某飛機(jī)用TC21合金的鍛件)，成為了我國航空領(lǐng)域的主干鈦合金牌號(hào);由西北有色金屬研究院研制的新型CT20［5］低溫鈦合金管(圖2)、板、絲材及管件等成功應(yīng)用于我國新一代航天器中。西北有色金屬研究院研制的特殊耐蝕鈦合金Ti35在核乏燃料后處理設(shè)備中已經(jīng)獲得應(yīng)用(圖3)，是我國200t后處理示范工程設(shè)備用核心材料之一。
(2)鈦合金的熔煉技術(shù)得到提升。工業(yè)化鈦合金鑄錠成分的均勻性、一致性能夠得到保證。寶雞鈦業(yè)股份有限責(zé)任公司(以下簡稱“寶雞鈦業(yè)公司”)、西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司(以下簡稱“西部鈦業(yè)公司”)、西部超導(dǎo)公司等實(shí)現(xiàn)了SP700、Ti-1023等易偏析鈦合金的3～5t級(jí)高均質(zhì)鑄錠的工業(yè)化制備，掌握了TC4(圖4和表1)、Ti80、TA15等常用鈦合金10t級(jí)超大規(guī)格高均質(zhì)鑄錠的制備技術(shù)。電子束冷床爐熔煉的多組元鈦合金扁錠的成分均勻性有明顯提升(圖5)。
(3)鈦合金的鍛造技術(shù)水平邁上了新臺(tái)階。國內(nèi)主要鈦合金公司掌握了TC4(圖6)、TC21(圖7)、TC18、TC4-DT、TA15等常用鈦合金高品質(zhì)大規(guī)格鍛坯及棒材的穩(wěn)定化制備技術(shù)，成材率、探傷水平、組織均勻性都獲得了顯著提升。
4)鈦合金板材制備技術(shù)得到提升。生產(chǎn)的TC4、TC4ELI、Ti70、TA5等鈦合金板材已在我國若干重要工程中獲得成功應(yīng)用。西部鈦業(yè)公司開發(fā)出了航空用高品質(zhì)TC4鈦合金厚板生產(chǎn)新工藝(圖8)，使產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性(合格率大于95%)、成材率(原有水平的1.5倍)、生產(chǎn)效率(提升2倍)大幅度提升，使國內(nèi)高品質(zhì)鈦合金厚板制備技術(shù)得到了跨越式提高，滿足了重大型號(hào)急需。開發(fā)出超大規(guī)格鈦合金厚板制備工藝，制備出國內(nèi)最大規(guī)格及單重的TC4鈦合金厚板(圖9)，為深海空間站、艦船等裝備對(duì)超大規(guī)格鈦合金構(gòu)件的需求
提供支撐。西北有色金屬研究院、西部鈦業(yè)公司、寶雞鈦業(yè)公司制備的細(xì)晶TC4和TA15等鈦合金超塑板材獲得批量應(yīng)用(圖10和表2)。
西部鈦業(yè)公司開發(fā)出裝甲用低成本高強(qiáng)度Ti-5322鈦合金板材制備技術(shù)(圖11)，形成可穩(wěn)定化生產(chǎn)的工藝技術(shù)文件。可制備系列規(guī)格的裝甲板材，其抗彈性能顯著優(yōu)于TC4鈦合金，達(dá)到國際先進(jìn)水平，成為陸軍四代裝備的選材之一;開發(fā)出裝甲用TC4鈦合金板材制備工藝，抗彈性能優(yōu)于同牌號(hào)航空用鈦合金板材及進(jìn)口材料，滿足了新型號(hào)的研制需求。并將其拓展用于高爾夫球頭，壽命相比TC4合金提升2倍以上。
(5)大口徑鈦及鈦合金無縫管材及彎管制備技術(shù)得以提升。制備出合格的大口徑無縫管材及彎管，如TA2的外徑大于200mm、長度3m以上的無縫管，Ti-75、Ti80和TC4的外徑大于260mm、長度3m以上的無縫管(圖12)。
(6)鈦合金型材及深加工制品制備技術(shù)得到明顯提升。寶雞鈦業(yè)公司等單位的厚壁鈦合金型材的擠壓制備技術(shù)逐步穩(wěn)定，西北有色金屬研究院等單位制備的鈦膈膜、鈦毛細(xì)管、環(huán)形氣瓶、球形儲(chǔ)箱、藥型罩、絲材、各種管件等制品的尺寸和性能的穩(wěn)定性得到提升(圖13)，并獲得實(shí)際應(yīng)用。寶雞鈦業(yè)公司和中船重工材料研究所成功制備出深潛器的載人球體，實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化。
西北有色金屬研究院和西部超導(dǎo)公司等開發(fā)出攻堅(jiān)戰(zhàn)斗部用鈦合金材料及其制備技術(shù)，產(chǎn)品已在多個(gè)型號(hào)導(dǎo)彈中批量化裝備，大幅度提升了戰(zhàn)斗部的毀傷威力，是國內(nèi)首個(gè)使攻堅(jiān)藥型罩性能得到跨越式提升的實(shí)用化輕合金材料，是聚能裝藥戰(zhàn)斗部材料的重大突破。
3、主要的新合金研制和應(yīng)用進(jìn)展
(1)結(jié)合國家海洋戰(zhàn)略，創(chuàng)新研制海洋環(huán)境應(yīng)用的鈦合金受到高度重視。在國家相關(guān)項(xiàng)目的支持下，西北有色金屬研究院、中船重工材料研究所等單位已成功研制出強(qiáng)度800，900，1100MPa級(jí)的鈦合金，以及放射性快速衰減的鈦合金，性能達(dá)到指標(biāo)要求，有的已達(dá)到中試規(guī)模，制備出合金棒材、板材、管材等，這些合金均已獲得發(fā)明專利授權(quán)［6－10］。
(2)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫鈦合金方面，由中國科學(xué)院金屬研究所研制的Ti-60合金已經(jīng)在我國新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)中進(jìn)行應(yīng)用考核，合金也進(jìn)入工程化階段。此外，在現(xiàn)有高溫鈦合金的基礎(chǔ)上，中國科學(xué)院金屬研究所和西北有色金屬研究院分別研制出耐650℃的多元固溶強(qiáng)化鈦合金Ti-65和Ti-650，其中Ti-65合金已在航天超高速飛行器中進(jìn)行了試用。
(3)航空、航天用高強(qiáng)韌鈦合金方面，主要研制了3類:超高強(qiáng)韌鈦合金、超高強(qiáng)中韌鈦合金和高強(qiáng)損傷容限鈦合金。超高強(qiáng)韌鈦合金的核心指標(biāo)為:抗拉強(qiáng)度≥1300MPa、延伸率≥6%、斷裂韌性≥55MPa·m1/2，典型合金有西北有色金屬研究院研制的Ti-1300［11］、寶雞鈦業(yè)公司的TB15［12］、北京航空材料研究院的TB17［12］、西部超導(dǎo)公司的TB18［12］、西北工業(yè)大學(xué)的Ti-7333［13］等，這些合金大都進(jìn)行過中試驗(yàn)證和相應(yīng)的應(yīng)用研究;超高強(qiáng)中韌鈦合金的核心指標(biāo)為:抗拉強(qiáng)度≥1500MPa、延伸率≥5%、斷裂韌性≥45MPa·m1/2，西北有色金屬研究院和北京航空材料研究院分別進(jìn)行了研發(fā)，上述性能指標(biāo)基本達(dá)到;高強(qiáng)損傷容限鈦合金方面，西北有色金屬研究院聯(lián)合北京航空航天大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)在TC21合金的基礎(chǔ)上，研制出Ti-5321合金［14］，其在1200MPa級(jí)強(qiáng)度水平下斷裂韌性可以達(dá)到70MPa·m1/2以上，基本代表了目前損傷容限鈦合金的最高水平，經(jīng)合金成分設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)室研究、500kg鑄錠中試擴(kuò)大研究，制備的合金棒材性能為:抗拉強(qiáng)度≥1200MPa、延伸率≥8%、斷裂韌性≥80MPa·m1/2。
(4)在兵器領(lǐng)域，圍繞高性能和低成本問題，在Ti-12LC、Ti-8LC和Ti-0.8Al-1.2Fe等低成本鈦合金的基礎(chǔ)上，西部超導(dǎo)公司依托“裝發(fā)預(yù)研”項(xiàng)目，開發(fā)出M36合金，已經(jīng)用于多功能戰(zhàn)斗部的制備。西北有色金屬研究院圍繞返回料的回收利用問題，開發(fā)出Ti-6432、ＲT154等低成本鈦合金，目前正在進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用性能考核。
(5)設(shè)計(jì)開發(fā)出可冷軋中高強(qiáng)鈦合金，基于該合金西部鈦業(yè)公司開發(fā)出直徑200～300mm的大規(guī)格薄壁管及達(dá)到歐盟標(biāo)準(zhǔn)要求的高疲勞壽命自行車車架，其中大規(guī)格管材已用于某導(dǎo)彈殼體。
(6)創(chuàng)新性研制的鈦合金已完成性能優(yōu)化、工程化和批量化生產(chǎn)。主要合金有高溫鈦合金Ti-60、Ti-65、Ti-650，高強(qiáng)高韌損傷容限鈦合金TC21，具有我國特色的中強(qiáng)高韌損傷容限鈦合金TC4-DT，阻燃鈦合金Ti-40，低溫鈦合金CT20，超高強(qiáng)韌鈦合金Ti-1300，高強(qiáng)鈦合金Ti-26，低成本鈦合金Ti-12LC，乏燃料后處理工程用特種耐蝕鈦合金Ti-35，船用鈦合金Ti-70等等，其中TC21、TC4-DT已工業(yè)化大批量生產(chǎn)，Ti-70、CT20已工業(yè)化生產(chǎn)。
(7)深化了鈦合金的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，涵蓋鈦合金的設(shè)計(jì)方法、集成計(jì)算、強(qiáng)韌化機(jī)理、相變行為、工藝-組織-性能間關(guān)系、損傷容限機(jī)理、疲勞行為、腐蝕行為等，取得較好的進(jìn)展，發(fā)表了大量的學(xué)術(shù)論文，為合金性能優(yōu)化、工藝改進(jìn)提供了基礎(chǔ)。
4、存在的主要問題
盡管近5年，鈦合金材料研制取得了一些成績，為我國相關(guān)工程提供了大量合格材料，夯實(shí)了基礎(chǔ)研究，但仍然存在一些問題。
(1)目前國內(nèi)從事鈦合金材料研制、產(chǎn)業(yè)化的單位多、科技人員多，但國家層面項(xiàng)目少、經(jīng)費(fèi)少，鈦產(chǎn)業(yè)存在無序發(fā)展。
(2)鈦合金材料成本居高不下，限制了鈦合金的擴(kuò)大應(yīng)用，尤其是在民用、海洋工程、兵器工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用。
(3)存在設(shè)計(jì)-材料研制-應(yīng)用研究-應(yīng)用考核方面環(huán)節(jié)脫節(jié)，存在行業(yè)限制;“產(chǎn)-學(xué)-研-用”結(jié)合不緊密，科技成果轉(zhuǎn)化慢。
(4)缺少全國性的科技成果轉(zhuǎn)化平臺(tái)，成果轉(zhuǎn)化的中試工程化能力不足。
(5)鈦合金材料的成分、組織及性能的均勻性、一致性、批次穩(wěn)定性等有待進(jìn)一步提高。
(6)工業(yè)化設(shè)備先進(jìn)，但沒有充分利用。
(7)鈦合金材料品種不全，中試工程化程度不足，設(shè)計(jì)部門需要的性能數(shù)據(jù)缺項(xiàng)。
(8)重視新合金研制，老合金性能挖潛不足、應(yīng)用少。
(9)原創(chuàng)性基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究較弱，高端人才隊(duì)伍不足。
(10)“高、精、尖”高端產(chǎn)品的制備技術(shù)儲(chǔ)備不足，存在“卡脖子”技術(shù)，關(guān)鍵核心技術(shù)沒有完全自主可控。
(11)探傷、性能評(píng)價(jià)技術(shù)需要進(jìn)一步提升。
5、鈦合金材料的發(fā)展方向
(1)鈦合金材料的低成本化技術(shù)是現(xiàn)在和未來的重要課題。需要通過工藝流程再造、工藝技術(shù)變革、高效短流程工藝、殘廢料大量回收使用、低成本的新工藝和新技術(shù)的應(yīng)用、全流程設(shè)計(jì)、低成本鈦合金研發(fā)等等多個(gè)環(huán)節(jié)，降低鈦合金材料的成本，擴(kuò)大鈦合金材料應(yīng)用范圍和領(lǐng)域。開發(fā)出能夠滿足兵器工業(yè)、海洋工程和民用領(lǐng)域需求的鈦合金材料，建立相應(yīng)的工藝規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)。
(2)面向國家重大需求和國際前沿技術(shù)及滿足國防新要求，開展新合金、新技術(shù)、新材料、新產(chǎn)品研發(fā)，強(qiáng)化原創(chuàng)性理論研究及應(yīng)用基礎(chǔ)研究。
(3)對(duì)現(xiàn)有鈦合金通過新工藝、新技術(shù)開發(fā)，挖潛合金性能，改善、優(yōu)化合金性能，降低成本，擴(kuò)大應(yīng)用。
(4)高度重視中試/工程化的作用，穩(wěn)定鈦合金的批量化生產(chǎn)，攻克科研-中試-產(chǎn)業(yè)各環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)，推動(dòng)科技成果轉(zhuǎn)化，形成國家級(jí)鈦合金成果轉(zhuǎn)化平臺(tái)。
(5)大力發(fā)展“高、精、尖”產(chǎn)品和深加工制品的制備技術(shù)，攻克高端產(chǎn)品，滿足應(yīng)用需求。主要產(chǎn)品應(yīng)該有:高強(qiáng)度管材、薄壁型材、箔材、高質(zhì)量超長管、超大規(guī)格棒材、寬幅厚板/薄板、高質(zhì)量絲材、膈膜、各類型管件、球形儲(chǔ)箱、環(huán)形氣瓶、藥型罩、緊固件等等。解決“卡脖子”材料和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)完全自主可控。
(6)智能鈦合金材料的研發(fā)，如形狀記憶合金管接頭、儲(chǔ)氫鈦合金等。
(7)嚴(yán)格控制鈦合金材料的質(zhì)量以及質(zhì)量的批次一致性、穩(wěn)定性，確保以航空領(lǐng)域?yàn)榇淼膰婪€(wěn)定應(yīng)用。
(8)增加、提升鈦的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，擴(kuò)大鈦在各行各業(yè)的應(yīng)用，使之成為真正的“第三金屬”。
(9)鈦合金材料制造過程的智能化是鈦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向;鈦合金材料的綠色制造，實(shí)現(xiàn)鈦產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。
(10)強(qiáng)化鈦合金近凈成形技術(shù)研究及應(yīng)用。
(11)強(qiáng)化鈦合金材料科研、中試、產(chǎn)業(yè)的協(xié)同創(chuàng)新及共享。
(12)精簡鈦合金牌號(hào)，發(fā)展主干鈦合金，避免重復(fù)研究。
(13)建立鈦合金材料數(shù)據(jù)庫及合金設(shè)計(jì)的專家系統(tǒng)，通過集成計(jì)算，指導(dǎo)新合金設(shè)計(jì)。
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