鈦（tài）合金低（dī）成本成（chéng）形（xíng）技術研究進展（zhǎn）與發展趨勢

鈦合金具有密度低、比（bǐ）強度高、耐腐蝕、耐高低溫等特性，其成形（xíng）技術***開始是（shì）為適應航空航天工業的需要（yào）而發展起來的，早期為滿足（zú）研製急需（xū），多為政府采購，因（yīn）此具（jù）有重質（zhì）量（liàng）、輕成本的特點。近年來，我（wǒ）國高新（xīn）技（jì）術領域得到迅猛發展，為了滿足結構部件輕量化的需求，載人航（háng）天工程探月工程大飛機高分衛（wèi）星等航空航（háng）天重大工程以及新型武器裝（zhuāng）備對優質鈦合金構件的需求量（liàng）逐年增（zēng）加，同時，船舶、化工、醫療、核電（diàn）、消防等民用（yòng）領域也逐漸開始廣泛（fàn）應用鈦合金。

然而，目前優質鈦合金部件（jiàn）的生產成本仍居高不下，主要由兩個方麵導致：一是熔煉過程要求（qiú）苛刻，鈦在高溫狀態下極（jí）為活潑，易與氧、氮、矽、碳等元素發生化學反應，熔煉（liàn）和熱處理過程需要在真空或惰性氣體（tǐ）保護下進行，成（chéng）分純淨性和均勻性控（kòng）製（zhì）較為困難;二是成形困難，鈦合金本（běn）身變形能力差（chà），屈/彈（dàn）比高，熱導率低，采用常規冷/熱加工成（chéng）形較為（wéi）困難。據估算，鈦合金構件的整個（gè）生產流程過程中，海綿鈦原材製備成本約占（zhàn）14%左右，鈦合金坯錠、板材加工成本（běn）約占36%，而鈦合金***終產品成形成本占（zhàn）到（dào）約50%(圖（tú）1)，可見，鈦合金產品的成本構成主要來源於鑄坯、板材的製備（bèi）和鍛造、鑄造、機加等成形環節。

以鑄件為例，高端軍品鈦精鑄件的生產成本達到1500~2 500 元/kg，普通民品鈦精鑄件的生成成本也在500~800 元/kg，而不鏽鋼精鑄件的生產成本約在50~200 元/kg，鈦精鑄件的生產成本（běn）是不（bú）鏽鋼精鑄件的10倍以上，高成本已成為製約鈦合金製（zhì）品推廣應用（yòng）的瓶頸。因此，降低鈦合金製（zhì）品的生產成本已成為眾多科研（yán）機構和（hé）生產單位不斷攻關解決的重要課題之一，迫切需要（yào）發展低成本鈦合金材料及其低成本製備成形技術。

圖1 鈦合金製品整個生產流程（chéng）成本構成及所（suǒ）占（zhàn）比（bǐ）例

公司發展至今（jīn）已擁有一批******的進口設備 : 進口高精密CNC加工銑床，CNC高（gāo）精密加工車床，北京精密零件加工，進口模型批（pī）量（liàng）真空製作機， 高亮度uv機，噴漆房，烤漆櫃，圖標文字絲印機（jī），鐳雕激光機，噴砂機，打孔攻絲機（jī）、火花機、線切割設備等等。

目前（qián），實現鈦合金材料及（jí）其成形技術的（de）低成本化主要有三種途徑，一是采用廉價元素的（de）合金成分設計，設計（jì）鈦合金材料時采用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（lì）學性能的前提下降低（dī）合金化成本（běn）;二是（shì）進行鈦料（liào）的回收利用，殘鈦(殘（cán）餘鈦料)的價（jià）格隻有（yǒu）海綿（mián）鈦價格的20%~30%，在鈦（tài）合金熔煉製備過程中添（tiān）加回爐料（liào），可以極大降低鑄坯板材的製備（bèi）成本，但回（huí）爐料中往往存在合金元素偏析、雜（zá）質元素含量高（gāo）等問題;三是開展低成本加工成形技術研究，鈦合（hé）金構件成形的高成本是其價格居高不下的主要原因，開（kāi）展成形工藝的優（yōu）化（huà）與創新是實現低成本化的重（chóng）要途徑，針對鈦合金鑄錠，可開展熔（róng）化、精煉一體化控製（zhì），減少鈦合金（jīn）鑄錠的熔煉次數，針對鈦合金變形加工，可通過連鑄連（lián）軋等短流程技術實現凝固、變形一（yī）體化控製，針對鈦合金鑄造成形，可采用廉價耐火材料（liào）替代釔（yǐ）稀土氧化（huà）物材料（liào）製備鑄型。

低（dī）成本鈦合金材（cái）料的發展

為了降低鈦合（hé）金材料的生產成本，世界各國對（duì）新（xīn）型鈦合金材料開展了研究，主要途徑是采（cǎi）用Fe、Si、Al、Sn等廉價的（de）中間合金代替V、Mo、Zr、Nb、Ta等昂貴元素，基於上述思路，目（mù）前國內外研發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（shì）美國Timetal公司設計開發的一種非航空航天用（yòng）途的（de）新型低成本（běn）鈦合金，屬於α+β型合金（jīn）。該合金設計的初衷是用於替代Ti-6Al-4V合金，以Fe元素代（dài）替Ti-6Al-4V合金中的V元素，適量Si的添加可細化組織，合金性能與Ti-6Al-4V相比並不遜色，成（chéng）本降低了15%~20%，並且具備優異的冷熱加工性。該合金（jīn）主要應用（yòng）於高強度、抗損傷的民用領域鈦合金鈑金結構件，已在氣門座圈的生產中替代了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，屬於高強度β合金（jīn），該合金設計的（de）初衷是用於（yú）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合金強度高，成形性好，可以像鋼一樣冷加工或溫加工，性能（néng）與Ti-10-2-3相當，成本為Ti-6Al-4V的78%。該合金中Mo為β穩定元素，可（kě）形成（chéng）Fe和Mo的化合物，經過時效硬化（huà）後具有較高的（de）拉伸強度，已在日、美汽車零件和彈簧、懸簧中應用。

3. ATI425 合金

ATI425合金(Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-0.25O)是美國ATI Wah Chang公司開發的β型低成本（běn）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（nài）蝕性良好（hǎo），抗拉強度可達（dá）到827~965 MPa，屈（qū）服強度達到758~896 MPa，伸長率達到6%~16%，且抗彈能力與Ti6Al4V相當，滿足了當前軍用裝甲標準對材料性能的要求，已用（yòng）於兵器領域裝甲板（bǎn）和軍用（yòng）車輛部件。

4. Ti-Fe-O-N 係列合金

Ti-Fe-O-N係列合金是由日本鋼鐵公司和東邦鈦公司研製的β型合金，該類合（hé）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（jīn）係室溫（wēn）強度可達到700~1000 MPa，但（dàn）其高溫性能較差。此（cǐ）合金係的代表為Ti-1%Fe-0.35%O-0.01%N，該合金拉伸強度約為800 MPa，主要用於航空以外用（yòng）途設計的合金。

5.SP700 合金

SP700(Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe)是日本開發（fā）的一（yī）種超塑性鈦（tài）合金材料，在775 ℃可（kě）實現超塑成形和擴散連接，超（chāo）塑性成形溫度低（dī）於Ti-6Al-4V合（hé）金，拉伸強度和疲勞強度優於Ti-6Al-4V合金，可用於製造薄板形（xíng）航空航天結構件。因為避開了鈦變形抗力大、常溫可（kě）塑性差的缺陷，從而大（dà）幅（fú）度（dù）降低了鈦材（cái）的變形加工成（chéng）本，日本將該（gāi）合金應用於本田NSX摩托車連杆，美國RMI鈦公司把這種鈦合金（jīn）製備成飛（fēi）機結構件及轉動零件。

6. Ti8LC 和Ti12LC合金（jīn）

西北有色金屬研究院通過合金設計、性能（néng）檢（jiǎn）測（cè），開發出了近α型Ti8LC、Ti12LC低成本鈦（tài）合金，為Ti-Al-Mo-Fe係合金，合金中均添加（jiā）廉價Fe-Mo中間合金代替Ti-6Al-4V合金中的V和Zr，同時在熔煉過程中添加純（chún）鈦的廢料(如鈦屑)，以降低海綿（mián）鈦的用（yòng）量（liàng），在保證性能的基礎上，原材料成本可（kě）降低10%以上，小規格棒材的製備成本可（kě）降低達30%左右。兩種合金（jīn）經過固溶（róng）時效熱處理後，具有良好的強度、塑性及疲勞強度，室溫抗拉強度均可達到1100 MPa以上，強度和塑性均高於GB/T2965中的Ti-6Al-4V合金性能（néng），Ti12LC合金（jīn）具有更高的強度和塑性匹配，強度達到1200 MPa，塑性達到（dào）20%，優於Timetal 62S和Timetal LCB合金。Ti8LC和Ti12LC可製備汽車進排氣閥、自行車扭力（lì）杆等，其中Ti12LC還可用於製（zhì）備航天固體火箭發動機的尾噴管。

7. Ti-5322 合金

Ti-5322合金是西北有色金屬研究（jiū）院針對非航空領域應用（yòng）研發（fā）的一種（zhǒng）Ti-Fe-V-Cr-Al係（xì）α+β兩相鈦合金。合（hé）金充分考慮廉價Fe元素以及回收鈦料的應用，添加了2%Fe代替昂貴合金元素V，成本低於Ti-6Al-4V合金，該（gāi）合金經過熱處理後（hòu）強韌性匹配良好，室溫強度達到1100~1 300 MPa，伸長率在7%~14%。目前該合金已應用於坦克裝（zhuāng）甲的（de）研（yán）製，抗彈性能優（yōu）於TC4合金。

8. Ti-35421 合金

Ti-35421合金是南京（jīng）工業大學（xué）針對海洋（yáng）工程對鈦合（hé）金高強、耐（nài）衝（chōng）擊、耐腐蝕和焊接（jiē）性的需求（qiú），開發（fā）的一（yī）種新型海洋工程用高（gāo）強鈦合金，抗拉強度（dù）為1 313 MPa，屈（qū）服強度為1240 MPa，伸長率8.62%，斷（duàn）麵收縮率為（wéi）17.58%，斷裂韌性KIC為75.8 MPa·m1/2，在3.5%NaCl溶液（yè）中的應力腐（fǔ）蝕敏感性小，具有較（jiào）好的耐腐蝕性（xìng）。該合金完善了國內1 000 MPa強度級別的船用（yòng）低成本（běn）鈦（tài）合金材料體係，對於裝備在（zài）設計和建造過程（chéng）中的選型具（jù）有重要的意義。

鈦合金低成本熔煉技（jì）術

鈦合金在熔煉過程中低成本化控製主要從兩個方麵進行考（kǎo）慮。一是增加殘鈦的應用，代替海綿鈦。殘鈦主要是指在熔煉、機（jī）加工過程中產生的冒口、廢（fèi）屑（xiè）、邊角料等，鑄件在熔煉、檢測、零件加工過程中產生（shēng）的報廢件也屬於殘鈦，殘（cán）鈦量很大，一次殘鈦(半成品生（shēng）產的殘鈦)可達（dá）到30%~50%，二次殘鈦(成品（pǐn）加工的（de）殘鈦（tài）)可達到（dào）20%~80%，充分利（lì）用殘鈦可使鈦製品成本大幅降低。二是提高熔（róng）煉效（xiào）率（lǜ）和熔煉質（zhì）量，實（shí）現熔化、精煉一體（tǐ）化控製。目前國內應用***為廣泛（fàn）的（de）鈦合金真空自耗電（diàn）弧熔煉技（jì）術在電極製（zhì）備過程中，由於采（cǎi）用氬（yà）弧焊工藝，易引入低密度氧化物夾雜和高密度TiW夾雜，同時由於熔煉過程中成分均勻性差，需要進行（háng）2~3次重熔，降低了（le）生產效率。目前，可實現熔化、精煉一體化控製和（hé）殘鈦回收的熔煉技術，主要包括（kuò）冷床爐熔煉技術(Cold Hearth Remelting，CHR)和冷坩堝感應熔煉技術(Cold Crucible Induction Melting，CCIM)。

1. 冷床爐熔煉技術

冷床爐熔煉技術主要（yào）包括（kuò）電子束冷床（chuáng）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（lěng）床熔煉是利用電子槍發射的集中（zhōng）和可控穩定的電子束作為（wéi）熱源來熔融、精煉和重熔金屬;等離（lí）子冷床熔煉是由電子（zǐ）束冷床爐熔煉技（jì）術轉（zhuǎn）化而來，是利用（yòng）等離子槍發射經過（guò）穩（wěn）定化的等離子弧（hú）代替真空電子束，以此作為加熱源對金屬進行熔化和（hé）精（jīng）煉。冷床爐在結構設（shè）計上將熔煉（liàn）過程分為原料熔煉區、精煉區和凝固區3個區域。熔煉區加熱源（yuán）依次（cì）對傳送設備上的殘鈦廢料進行加熱熔化，熔化後的鈦液流入精煉（liàn）區精煉，***後進入凝（níng）固坩堝，凝固成板坯。

冷床爐熔煉技術具有以下特點：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（jīng）和組織均勻的鑄錠或鑄件。在精煉區內鈦（tài）液中（zhōng）高密度夾雜因重力作用落入到低溫凝殼區，通過沉積（jī）去除，低密度夾（jiá）雜上浮到熔池表層，經過高（gāo）溫加熱得以熔化消除，中間密度夾雜（zá）在冷床內流動過程中，在複雜（zá）流場環境（jìng）下持續加熱逐漸（jiàn）熔化消除;②對原（yuán）材料（liào）狀態要求低，不需要製備電極，可以****的利（lì）用（yòng）回收殘鈦作為原材料，而真空自耗電弧熔煉技術一般隻能利用30%以下的殘鈦（tài）;③可一次（cì）熔煉成合金錠，與真空（kōng）自耗熔煉技術相比（bǐ）熔煉效率大幅提升，成分均勻性好，可（kě）節約加工成本20%~40%;④易於更換結晶器，通過調整結晶器結構，可實現扁錠、空心（xīn）錠、圓錠等多種鑄坯的製備，提高（gāo）板（bǎn）材、管材生產的生產效率（lǜ），降低產品成本。

國外******企業廣泛采（cǎi）用冷床（chuáng）爐（lú）進行鈦合金熔煉，以解決鑄（zhù）錠夾（jiá）雜（zá）問題，冷床爐熔煉技術是實現鈦合金材料近零缺陷純淨化技術的重要途徑。美國現行宇航材（cái）料標準中要求（qiú）鈦合金重要件必須（xū）使用冷床爐製備技術（shù）。美國GE公司於（yú）1988年開始采用冷床爐熔煉加真空自耗電弧（hú）熔煉（liàn）技術生產航空發動機關鍵轉子零件用鈦合金鑄錠。英（yīng）國TIMET公司采用電子束冷床爐熔煉技術製備了Timetal 6-4合金錠，並製成鈦合金坦克（kè）裝甲，研究人員采用尾翼穩定脫殼穿甲彈對鈦合金裝甲進行試驗，結果表明，低成本Timetal 6-4合金完全可以替代傳統Ti-6Al-4V合金用於裝甲車輛。寶鈦（tài）集團從（cóng）德（dé）國ALD公司引進2 400 kW電子束冷床熔煉爐，利用該******設備建成國（guó）內******條年產量5 000 t的（de）返回料（liào）回收處理生產線，***大可（kě）添加（jiā）約80%的TC4鈦合金返回料，可熔煉出多種規格的TC4鈦（tài）合金鑄錠（dìng）。

2.冷坩（gān）堝感應熔煉技術

冷坩堝感應熔煉技術(Cold Crucible Induction Melting，CCIM)是一種通過感應加熱方式配合分瓣式水冷銅坩堝來進行熔煉的特種熔煉方（fāng）法（fǎ），具體（tǐ）是將分瓣的水冷坩堝置於交變電磁場內（nèi），利用電磁場產生的渦流熱熔融金屬，由於此種方法在熔煉時熔融的金屬一般會在坩堝底（dǐ）部形成一層凝殼，也將其稱為感應凝（níng）殼熔煉(Induction Skull Melting，ISM)。這（zhè）種方法***大的特點是水冷坩堝側壁被分割成（chéng）20瓣以上，在交變磁場下，每兩塊（kuài）相鄰坩（gān）堝瓣的（de）間隙會產生磁場（chǎng）增強效應，通過磁壓縮效應引起強烈攪拌，合金組分和熔液溫度達到平衡，實現難熔金屬的均勻熔化。同時，坩堝側壁各瓣自身感生電流產生的磁（cí）場和物料表麵的感應電流（liú）產生電磁（cí）斥力，使（shǐ）得物料和坩堝側壁保持軟接觸或非接觸狀態（tài）。該（gāi）技術熔（róng）煉鈦合金鑄錠時，原材料形式基本（běn）不受限製，可連（lián）續重熔回收鈦合（hé）金廢（fèi）料，不需要耐火材料作為坩堝，也不（bú）用焊接電極，所以其理論的殘鈦利用率為****，可以無汙染地獲得高品質的鈦及鈦合（hé）金鑄錠。CCIM設備在美國、德國、俄羅斯、法國等******曆經幾十年發（fā）展，目前設備熔化量已超過200 kg(以鈦計)，坩堝（guō）直徑達到500 mm以上（shàng），熔化（huà）溫度達到3 000 ℃以上（shàng），國外主要設備廠家包括美國CONSARC公司、美國（guó）RETECH公司、德國ALD公司等，並已獲得商業化應用，國（guó）內目前（qián）研製該設備的容量大都在50 kg以下。近年來，冷坩堝感（gǎn）應（yīng）熔煉（liàn）技（jì）術逐漸與其（qí）他材料製（zhì）備技術相結合，發展了冷坩堝電磁連鑄技（jì）術、冷坩（gān）堝定向凝固技（jì）術以及用冷坩堝作為輔助裝置的噴（pēn）霧沉積技術等。冷坩堝感應（yīng）凝（níng）殼熔煉技術存在的***大問題是形成的凝殼較厚，由於坩堝底部采用整體連通結構，雖然保（bǎo）證（zhèng）了（le）足夠（gòu）的坩（gān）堝強度，但熔體在坩堝（guō）底部（bù）與坩堝接觸造成較大的熱量（liàng）損失，形成的（de）凝殼往往超過總容積的1/3，極大（dà）地降低了熔煉（liàn）效率和熔煉（liàn）均勻性，特別是給多種元素合金化和高熔點材料的熔煉帶來了困難（nán）。

冷坩（gān）堝懸浮熔煉技術(Cold Crucible Levitation Melting，CCLM)增（zēng）加了熔體底部的電磁斥力，取消了坩（gān）堝底部（bù）連（lián）通結構，而采用上部與底部完（wán）全分瓣的錐形底坩堝結構，每瓣獨立水冷，同時改變外加（jiā）線圈結構，提高電磁場頻率、切縫（féng）數量以及電源輸入功率，實現了熔體（tǐ）的半懸浮（fú）或全懸浮，其原理結構如圖2所示。與冷坩堝（guō）感應（yīng）凝殼熔（róng）煉相比，熔（róng）煉過程中具備更（gèng）好的整（zhěng）體攪拌效果和成分均勻性，更適合於高活性金屬、多組元合金及難熔金屬的製備，材料利用率高，邊角料仍保（bǎo）持高純度，可更大限度地降低材料的製備成本（běn）。CCLM技術要求更高，國內（nèi）外從事相關開（kāi）發的相（xiàng）對較少，國外以美國CONSARC、德國ALD等的技術***為******，目前國（guó）內已從兩國引（yǐn）進（jìn）多（duō）台（tái）無殼懸浮熔煉爐，已報道的***大（dà）容量為20 kg(以鈦計)。國（guó）內目（mù）前從事相關研究開發的主要有深圳市（shì）賽邁特懸浮冶金科（kē）技有限公司、北京鋼鐵研究總院、沈（shěn）陽鑄造（zào）研究所有限公（gōng）司等（děng）單位，深圳（zhèn）賽邁特公司目前擁有（yǒu）的感應懸（xuán）浮熔煉爐***大坩堝（guō）容量為25 kg(以鈦計)，***高熔（róng）煉（liàn）溫度2 600 ℃，沈陽（yáng）鑄（zhù）造研究所有限公司成功研製出了坩堝容量達到30 kg(以鈦計)的感應懸浮熔煉爐，目前正進行（háng）更大容量的設計開發（fā），國內（nèi）其他單位研製的鈦合金感應懸浮熔煉爐容量通（tōng）常小於30 kg(以鈦計)。

圖2 感應懸浮熔煉原理示意圖

鈦合金（jīn）低成本鑄造技術（shù）

鈦合金鑄造（zào）技術本（běn）身就是一種提高鈦合金材料利用率、控製生（shēng）產成本的生產工藝技術。根據經驗估算，鈦合（hé）金精密鑄造（zào）過程的生產成（chéng）本構成如圖3所（suǒ）示其造型成本達到20%以上（shàng）。近年來，為了滿足大（dà）型複雜薄壁鈦合金（jīn）精密鑄件的研製（zhì）需求，石墨型、金屬型（xíng）、陶瓷型等精密鑄（zhù）造工藝得到了不斷改進（jìn）與發展，這也為低成本高效鈦合（hé）金鑄造工藝的進步提供了發展基礎和空間。

圖3 鈦合金（jīn）精密鑄件生（shēng）產成本構成及所占比例

1. 石墨（mò）鑄型工藝（yì）

鈦及鈦（tài）合金（jīn）鑄造用的造型材料必須有（yǒu）良好的高溫穩定性，石墨材料是應用***早、性能***為穩定（dìng）的造型材料之一。目前應（yīng）用***為廣泛的（de）石墨型造型方（fāng）法是機加石墨型工藝，該工藝方法具有操作簡單、鑄件內部質量較高（gāo）的優（yōu）點。但2017年（nián）以來，石墨電極價（jià）格（gé）飛漲，鈦合（hé）金鑄件的生（shēng）產（chǎn）成本急劇上升。搗實或壓（yā）製石墨砂型鑄造有效克服了上述問題（tí），該工藝是采用石墨（mò）粉通（tōng）過類似砂型鑄造的方法製備出石墨鑄型。朱廣采用機械加工石墨型造型殘留的石墨粉（fěn）作為耐火（huǒ）材料，采用酚醛樹脂、無水乙醇混合製成粘結劑，通過搗實方式製備出石墨鑄型，並澆（jiāo）注出了（le）鈦合金截（jié）止閥和離心（xīn）泵鑄件，鑄件表麵無粘砂、冷隔（gé）、裂紋等缺陷，表麵汙染層厚度約為0.1 mm，鑄件（jiàn）力學性能和化學成分滿足相（xiàng）關國標要（yào）求。國外采（cǎi）用該工藝製備了軍用（yòng）魚雷彈射（shè）泵、大型海水泵、球閥、蝴蝶閥等產品。與機加石墨型相比，搗實石墨型具有（yǒu）良好的透氣性和退讓性，可節約30%~40%的石墨（mò）材料，且石墨碎塊經過粉碎後可再次利用，大幅度降低了生產成本。

2. 陶瓷鑄型工藝

目（mù）前鈦合金熔模陶瓷鑄型（xíng）工藝中應用***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（gōng）司、德國（guó）TITAL公司等，國內如沈陽鑄造研（yán）究所有限公司、北京航空（kōng）材（cái）料（liào）研究院（yuàn）、貴州安吉鑄（zhù）造廠等都大量采用氧（yǎng）化釔作為麵層型殼材料，惰性氧化（huà）物麵層工藝成（chéng）本相對鎢麵層工藝盡管已有顯著降低，但相對於其他普通耐火材料（liào），氧（yǎng）化釔的（de）價格仍高出30倍以上，而對於采用惰性氧化物（wù）麵層材料生產（chǎn）的鈦合金精鑄件，造型（xíng）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製約鈦精鑄技術（shù）迅速發展的重要因素，采用廉價氧化物耐火材料替代氧化（huà）釔已成為目前重要的研究方（fāng）向。

Al2O3作為耐火材料在熔模鑄造領域已得到了廣泛的應用，普（pǔ）通的Al2O3需要經過高（gāo）溫煆燒或（huò）電熔轉化（huà）為（wéi）穩定（dìng）的（de）剛玉粉。但采用剛玉粉和常規粘結劑混合製備的麵層材（cái）料澆注鈦合金時，澆注的鈦鑄件（jiàn）質量（liàng）較差。哈爾濱工業大（dà）學的肖樹龍通過自主（zhǔ）研發一種不含Na2O等雜質的粘結劑，混（hún）合剛玉（yù）粉製成了具有較好塗掛性的塗料（liào），成功澆注出了輪廓尺寸為376 mm×205 mm×142 mm鈦合金鑄（zhù）件，鑄件表麵粗糙度達到1.6~3.2 μm，尺寸精度達到CT6-CT7級。CaO材料對於熔融鈦的化學穩定性較好，且價格低廉。LaSall等采用（yòng）碳酸鈣和矽溶膠等水基堿性粘結劑混合製成塗料製備麵層型殼，經1 000 ℃焙燒（shāo）後麵（miàn）層中的碳酸鈣轉（zhuǎn）化為氧化鈣，型殼在800 ℃左右保溫澆注，***終鑄出了質量（liàng）良好的鈦合金鑄件，但該種型殼由於氧化鈣易發生吸水受潮，因此不易於長期（qī）存放，限製了其大規（guī）模應用。CaZrO3一般由CaO和ZrO2混合高（gāo）溫燒結而成，此種型殼具有較大的應用價值，而（ér）CaO價格極為低（dī）廉，來源廣泛，作為活潑金屬的鑄型材料有巨大的發展潛力。Kim等采用CaZrO3製備出陶瓷型殼，此種型殼具有（yǒu）良好的抗（kàng）水性，不會在水中潮解，並且熱穩定性良好（hǎo），此種型殼（ké）澆注的鈦合（hé）金試樣，沒有發現明顯的反應層。Klotz等采（cǎi）用CaZrO3型殼與二氧化矽型殼進行了比較澆注試驗，結果表明CaZrO3型殼澆注的鈦合（hé）金試樣表麵氧含量較小，未形成α層。

鈦合金（jīn）短流（liú）程製備成形技術

傳統鑄（zhù）錠（dìng）冶金工藝（yì）製備鈦合金的技術路線為：海綿鈦-多次真空熔煉-鑄坯-多次改性鍛造-鍛坯-成（chéng）形-深加工-鈦成（chéng）品，製備過程中複雜繁瑣的（de）工序大幅增加了生產成本，因此，開發（fā）鈦合金短流程製備技術可以有效降低成本並提高效率。

1. 連鑄連軋技術

連鑄連軋技術(CC+HDR)已經廣泛應用於鋼、鋁板材的（de）生產，它將熔煉、凝固、變形連接起來，並實現組（zǔ）織-性能-形狀一體化控製，對降低生產能（néng）耗、提高生產效（xiào）率和產品成（chéng）材率、改善產品（pǐn）均勻性等（děng）具（jù）有顯著的作用。日本金屬（shǔ）材料研究所對Ti-15-3、Ti-6242、Ti-10-2-3和NiTi進行了連鑄連軋基礎工藝試驗研究，研究表明：鈦在1200K以上時具（jù）有良好的熱（rè）塑性和較低的熱強度，其高溫加工性優於鋼，隻要保證在溫度Tβ以上不發生彎曲變形，傳統的連鑄連（lián）軋工藝就可以製備出鈦合金板材。美國（guó）陸軍（jun1）開（kāi）發了基於電子束冷床（chuáng）熔煉的連鑄連（lián）軋技術，並對Ti-6Al-4V合金進行應用驗證，研究發現，製備的（de）板材成分中隻有C含量略（luè）高於常（cháng）規熔煉（liàn）工藝，其餘成分（fèn）基本相近，試驗的三種厚度板材(24.6 mm、38.2 mm、63.6 mm)的力（lì）學（xué）性能（néng）均高（gāo）於MIL-T-9046J軍用標準要求，並（bìng）具（jù）有優異的抗彈性（xìng）能，完全滿足坦克裝甲的使（shǐ）用（yòng）需求。國內南京工業大學的常輝（huī）等人開展了鈦合金（jīn）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，目前正在對該技術進行更深入的研究。

2. 粉末（mò）近淨成形技術（shù）

粉末近（jìn）淨成形技術（shù）是一種以粉末為原材（cái）料，通過注射、擠壓、熱等靜（jìng）壓、冷壓、激光增材製造等成形（xíng）方式，在少加工或無（wú）加工的條件下即能實現製品***終成形的技（jì）術，具有原材料利用率高、工藝流程簡單等優點。鈦合金粉末（mò）近淨成形技術解決了（le）鈦合金的熔煉難題，避免（miǎn）了鑄錠製備及其（qí）鍛（duàn）造過程，是（shì）近年來發展***為迅速的鈦合金短流程成形技術。一般情況下，鍛件的（de）材料（liào）利用率僅為10%~15%，鑄（zhù）件的材料利用率為45%~60%，而粉末近淨成形技術的材料利用率幾乎可達到****，極大提高了材（cái）料利用率。表2對比了目前常用的粉末近淨成形（xíng）技術的優缺點，針對這（zhè）幾種技術，國（guó）內外的研究者都在不斷地進（jìn）行技術改進與優化。

表2 鈦及鈦合金粉（fěn）末成形技術的優缺點

目前，鈦合金粉末近淨成形件除了在航空航天等高端裝備領域獲得小（xiǎo）規（guī）模應用外（wài），仍未實現大規模（mó）替代鍛件、鑄件的（de）產業（yè）化生產，究其原因，一方麵由於產品內部質量及力學性能仍未全麵獲得行業（yè）性認可，另一方麵則由於成本較高，而影響其成本的（de）主要因素在於高性能鈦粉製備技術及（jí）成形技術（shù）的居高不下。目前，高品質鈦粉主要通過氣霧化（huà）和旋轉電極等方式製備（bèi），呈球形或近球形，但（dàn）球形粉末的燒結性較差，要通過加壓燒結或激（jī）光燒結才能獲得高致密的鈦合金構件，大（dà）大增加了粉末冶金的生（shēng）產（chǎn）成本。氫化脫氫(HDH)鈦粉製備工藝通過將海綿鈦進行氫化-破碎（suì）-脫氫（qīng）的方（fāng）法製得不規則形狀鈦粉，該工藝簡單、成本低、易形成（chéng）規模化生產，但（dàn）因其不規（guī）則形貌，流動性和泊鬆比相對較差。郭誌猛（měng）等開發了超細（xì）低氧HDH鈦粉製備（bèi）技術，並通過冷等靜壓（yā）技術和真空燒結技術實（shí）現了粉（fěn）末低成本壓製成形，所用（yòng）超細低氧（yǎng）鈦粉大幅（fú）降低了燒結激活能（néng），顯著（zhe）提（tí）高了燒結致密度（dù），真空燒結後製得相對密度≥99%的不同規格TC4製（zhì）件。

展望

(1)國內外對低（dī）成本鈦合金材料的研究重點主要集中於（yú）采用廉價（jià）的Fe、O、N等元（yuán）素（sù）代替合金中的昂貴金屬，但（dàn）材料（liào）的綜合性（xìng）能也因此受到局限，很難滿足日益（yì）發展的航空航天高端鈦合金裝（zhuāng）備的使用需求，尤其在抗疲勞強度、高損傷容限（xiàn）性能上仍存在問題，因此（cǐ），需要更深入地成分設計開（kāi）展高端、高（gāo）性能、低成本（běn）鈦合金材料的（de）相關研究，擴大其在航空航天高端產品領域的應用範圍。

(2)鈦合（hé）金廢料（liào）的回收率仍較低，回（huí）收方法單一（yī），表麵（miàn）汙染層嚴重（chóng），雜質含量（liàng）高，成分控製困難，成分均勻性較（jiào）差，需要進一步開展更為係統、深入地相關熔煉工藝研究（jiū），形成一整套具有（yǒu）可（kě）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線。

(3)開發大容量感應（yīng）懸浮熔煉技術。目前國內外鈦合金感應懸浮（fú）熔煉技術（shù）受裝備技術能力所限（xiàn），熔化量均較小，難以滿足工（gōng）程化實際需求，因此需要開發新型大（dà）容量感應懸浮熔煉技術，實現大容量鈦合金的高潔淨回收與精密成形。

(4)開發穩定的低成本熔（róng）模陶瓷型殼製備技術。目前Al2O3、CaZrO3等低成本陶瓷型（xíng）殼材料仍處於實（shí）驗室研究階段，未在鈦合金熔模精密鑄造中獲（huò）得批量應用，需要對其物相結構、微觀形態等展開（kāi）深入研究，配合中性粘（zhān）結劑，真正實現複雜結構的高惰性、高致密、高穩定麵層型殼（ké）的製備，滿足實際生產需求。

(5)開發高適應複合製造成形技術。單一類型的近淨成形技術受限於自身的局限性（xìng），無法滿足（zú）所有高端（duān）裝備（bèi）製造所需的高性能、低成本鈦合金構件，因此需要結合多種成形（xíng）技術工藝特點，如精密鑄（zhù）造+激光增材（cái）製造/粉末冶金，實現複雜結構（gòu）部件的高精度、高效率、高性能（néng）成形。

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