钛合金工艺应用现状与发展趋势探究

王东 闫冬 李东远

摘要：国内外钛合金的应用水平基本是一致的，甚至国内在某些领域的研究和应用超过国外。例如在新型钛合金的研究应用方面比国外活跃很多。但是，仍然存在一些差距：首先，由于国外在钛合金的研究和应用时间较长，因此与国外相比，我国在传统合金的深入研究方面落后于国外水平。其次，基础性研究薄弱，原创性和革命性的钛材设计与工艺技术少。

关键词：钛合金工艺;发展概况;应用前景

一、国内外钛合金发展概况

钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金。在近代工业中，钛合金以其优良的高强度、耐蚀性及耐热性等特点已成为高性能结构件的首选材料。此外，钛具备生物相容性、超导、储氢、形状记忆等独特功能，而被广泛应用在医疗器械、化工、航天航空、舰船等领域。

目前，已有上百种钛合金问世，其中最著名的合金有20 ～30种.钛合金可以分为α合金、（α+β）合金、β合金及金属间化物钛合金。近年来，新型钛合金主要有4种类型：高温钛合金、高强高韧β型钛合金、钛铝基合金及其复合材料与阻燃钛合金。我国于1956年开始钛及其合金的研究，60年代中期开始钛材的工业化生产。常见的钛合金为铸造钛合金及变形钛合金。

二、钛合金生产技术的发展现状

钛合金生产技术关系着钛合金的质量。钛合金熔炼、铸造、成型等技术在近年来得到了极大的发展。

1 鈦和钛合金的熔炼技术

钛及钛合金的熔炼主要分为2类：真空自耗和真空非自耗熔炼。

在钛和钛合金的工业化生产中，最常用的技术是真空自耗电弧熔炼（Vacuum arc remelting，VAR）和冷床炉熔炼。

V A R技术在钛合金熔炼中可以细化铸锭组织，提高产品的纯净度。该技术在近年来的主要发展表现在以下几个方面：①全自动V A R重溶工艺。先进的计算机技术的发展也应用到V A R工艺中，自动电控盒数据收集系统可以为特定的铸锭和合金建立优良的熔炼模式。除此之外，还可以分析熔炼过程出现的问题，提高金属成品率。②铸锭尺寸大型化。大型V A R炉可熔炼质量达30t的钛铸锭，国外熔钛用真空自耗电弧炉吨位大多为8～15t，我国近年来也实现了8 ～15t熔钛吨位。③供电方式采用了同轴型供电方式，可以抵消磁场，防止产生偏析。④数值模拟技术的发展。国内外学者利用数值模拟方法研究V A R工艺取得一定的进展。国内学者探索了铸锭温度场的分布规律并建立了预测凝固组织形貌、铸锭成分及缺陷分布的模型。

冷床炉熔炼是以等离子体（P l a a A r c）或电子束（E l e c t r o n B e a m）为热量来源，分别形成等离子体冷床炉及电子束冷床炉熔炼的2种工艺。电子束冷床炉熔炼与真空自耗电弧熔炼相比有许多优势：①可以采用如残料、散状海绵钛以及钛屑等多种形式的原材料及经济的原材料;② 可以除去钼（Mo）、钨（W）及钽（T a）等高密度杂质、氰化物等低密度杂质及易挥发性杂质，是纯净钛合金材料的重要技术;③通过生产多种截面的铸锭提高金属的收得率。近几年来，电子束冷床炉熔炼技术发展主要表现在以下几个方面：①海绵钛垛直接熔炼钛锭;②数值模拟技术;③单次合金锭熔炼技术;④铸锭表面熔修技术;④大型空心锭生产技术。

等离子束冷床熔炼技术利用集中、可控及稳定的等离子弧提供热源的熔炼方法。等离子束冷床熔炼在熔炼钛合金时，可以防止锰（Mn）、锡（Sn）等具有较高挥发性元素挥发，精准控制钛合金的元素含量;可以产生高速而旋转的离子束，从而使钛合金成分更加均匀。此外，等离子工作气氛是接近大气压，因而不会受到原材料的限制;等离子冷炉床熔池大且较深，从而实现溶液充分扩散。等离子冷熔炉技术生产的钛合金在美国军用飞机的发动机上应用广泛。我国也开展了等离子束冷床熔炼的相关研究，北京航空材料研究院安装了美国Retech公司生产的离子束冷床炉，该设备生产的T和T I A L铸锭在合金的杂质元素含量、夹杂物及合金化元素含量控制等方面均取得了较大的成功。开发一套高均质钛合金铸锭单次电子束冷床炉熔炼控制技术是我国未来钛合金电子束冷床炉熔炼技术发展的趋势所在。

三、国内外钛合金应用前景及研究建议

1 应用前景

全球钛铁矿、锐钛矿和金红石的资源总量超过20亿t，全球钛铁矿储量约为7亿t，占全球钛矿的92%，金红石储量约为4 800万t。全球钛资源集中分布地点在中国、澳大利亚、南非、加拿大等国。中国的钛铁矿储量居世界第1位，占到全球钛铁矿储量的28.6%。

综合钛资源的丰富储量及其广泛用途，我国钛合金的应用前景将呈现以下几点特征：①应用领域继续拓展。将由航天航空和国防军工领域进一步深入到民用领域。据悉，仅高尔夫所消耗的钛已超过1 000t 。②钛工业体系趋于成熟完整，钛合金广泛应用初具条件。中国已经具备完整的钛工业体系，具有一定的钛合金生产、加工技术。③中长期的发展势头良好。由于国内经济、大型海洋、航空及体育等因素的影响，钛合金的应用前景较好。

2 研究建议

我国钛合金领域应在以下6个方面深化研究。①钛的低成本化，低成本包括钛的制备、加工、设计的技术低成本化，这是扩大钛合金应用的前提;②高效、短流程钛合金加工技术;③大型优质钛合金坯料制备技术;④近净成形技术;⑤钛的推广应用研究，钛及钛合金的应用的推广仍然是研究的主要目的;⑥开发具有高性能、多功能及低成本的竞争力更强的钛合金。

钛合金是性能优异的主要材料，在经济建设和国家安全中具有战略意义。我国钛合金材料工艺取得一定程度的发展，但是还存在许多问题亟需解决。例如，钛合金生产技术还有待发展，应用范围有待拓展。在今后，要加强科研和应用推广，从而加快我国钛工业的发展。

参考文献

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作者简介：第一作者：王东（1992.08.24-），男，本科，研究方向：机械、材料;第二作者：闫冬（1992.08.03-），男，本科，研究方向：材料、机械;第三作者：李东远（1993.10.27-），男，本科，研究方向：机械、材料。