鈦合金工藝應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢探究

王東 閆冬 李東遠(yuǎn)

摘要：國內(nèi)外鈦合金的應(yīng)用水平基本是一致的，甚至國內(nèi)在某些領(lǐng)域的研究和應(yīng)用超過國外。例如在新型鈦合金的研究應(yīng)用方面比國外活躍很多。但是，仍然存在一些差距：首先，由于國外在鈦合金的研究和應(yīng)用時間較長，因此與國外相比，我國在傳統(tǒng)合金的深入研究方面落后于國外水平。其次，基礎(chǔ)性研究薄弱，原創(chuàng)性和革命性的鈦材設(shè)計(jì)與工藝技術(shù)少。

關(guān)鍵詞：鈦合金工藝;發(fā)展概況;應(yīng)用前景

一、國內(nèi)外鈦合金發(fā)展概況

鈦合金是以鈦為基礎(chǔ)加入其他元素組成的合金。在近代工業(yè)中，鈦合金以其優(yōu)良的高強(qiáng)度、耐蝕性及耐熱性等特點(diǎn)已成為高性能結(jié)構(gòu)件的首選材料。此外，鈦具備生物相容性、超導(dǎo)、儲氫、形狀記憶等獨(dú)特功能，而被廣泛應(yīng)用在醫(yī)療器械、化工、航天航空、艦船等領(lǐng)域。

目前，已有上百種鈦合金問世，其中最著名的合金有20 ～30種.鈦合金可以分為α合金、（α+β）合金、β合金及金屬間化物鈦合金。近年來，新型鈦合金主要有4種類型：高溫鈦合金、高強(qiáng)高韌β型鈦合金、鈦鋁基合金及其復(fù)合材料與阻燃鈦合金。我國于1956年開始鈦及其合金的研究，60年代中期開始鈦材的工業(yè)化生產(chǎn)。常見的鈦合金為鑄造鈦合金及變形鈦合金。

二、鈦合金生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

鈦合金生產(chǎn)技術(shù)關(guān)系著鈦合金的質(zhì)量。鈦合金熔煉、鑄造、成型等技術(shù)在近年來得到了極大的發(fā)展。

1 鈦和鈦合金的熔煉技術(shù)

鈦及鈦合金的熔煉主要分為2類：真空自耗和真空非自耗熔煉。

在鈦和鈦合金的工業(yè)化生產(chǎn)中，最常用的技術(shù)是真空自耗電弧熔煉（Vacuum arc remelting，VAR）和冷床爐熔煉。

V A R技術(shù)在鈦合金熔煉中可以細(xì)化鑄錠組織，提高產(chǎn)品的純凈度。該技術(shù)在近年來的主要發(fā)展表現(xiàn)在以下幾個方面：①全自動V A R重溶工藝。先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展也應(yīng)用到V A R工藝中，自動電控盒數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)可以為特定的鑄錠和合金建立優(yōu)良的熔煉模式。除此之外，還可以分析熔煉過程出現(xiàn)的問題，提高金屬成品率。②鑄錠尺寸大型化。大型V A R爐可熔煉質(zhì)量達(dá)30t的鈦鑄錠，國外熔鈦用真空自耗電弧爐噸位大多為8～15t，我國近年來也實(shí)現(xiàn)了8 ～15t熔鈦噸位。③供電方式采用了同軸型供電方式，可以抵消磁場，防止產(chǎn)生偏析。④數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展。國內(nèi)外學(xué)者利用數(shù)值模擬方法研究V A R工藝取得一定的進(jìn)展。國內(nèi)學(xué)者探索了鑄錠溫度場的分布規(guī)律并建立了預(yù)測凝固組織形貌、鑄錠成分及缺陷分布的模型。

冷床爐熔煉是以等離子體（P l a a A r c）或電子束（E l e c t r o n B e a m）為熱量來源，分別形成等離子體冷床爐及電子束冷床爐熔煉的2種工藝。電子束冷床爐熔煉與真空自耗電弧熔煉相比有許多優(yōu)勢：①可以采用如殘料、散狀海綿鈦以及鈦屑等多種形式的原材料及經(jīng)濟(jì)的原材料;② 可以除去鉬（Mo）、鎢（W）及鉭（T a）等高密度雜質(zhì)、氰化物等低密度雜質(zhì)及易揮發(fā)性雜質(zhì)，是純凈鈦合金材料的重要技術(shù);③通過生產(chǎn)多種截面的鑄錠提高金屬的收得率。近幾年來，電子束冷床爐熔煉技術(shù)發(fā)展主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①海綿鈦垛直接熔煉鈦錠;②數(shù)值模擬技術(shù);③單次合金錠熔煉技術(shù);④鑄錠表面熔修技術(shù);④大型空心錠生產(chǎn)技術(shù)。

等離子束冷床熔煉技術(shù)利用集中、可控及穩(wěn)定的等離子弧提供熱源的熔煉方法。等離子束冷床熔煉在熔煉鈦合金時，可以防止錳（Mn）、錫（Sn）等具有較高揮發(fā)性元素?fù)]發(fā)，精準(zhǔn)控制鈦合金的元素含量;可以產(chǎn)生高速而旋轉(zhuǎn)的離子束，從而使鈦合金成分更加均勻。此外，等離子工作氣氛是接近大氣壓，因而不會受到原材料的限制;等離子冷爐床熔池大且較深，從而實(shí)現(xiàn)溶液充分?jǐn)U散。等離子冷熔爐技術(shù)生產(chǎn)的鈦合金在美國軍用飛機(jī)的發(fā)動機(jī)上應(yīng)用廣泛。我國也開展了等離子束冷床熔煉的相關(guān)研究，北京航空材料研究院安裝了美國Retech公司生產(chǎn)的離子束冷床爐，該設(shè)備生產(chǎn)的T和T I A L鑄錠在合金的雜質(zhì)元素含量、夾雜物及合金化元素含量控制等方面均取得了較大的成功。開發(fā)一套高均質(zhì)鈦合金鑄錠單次電子束冷床爐熔煉控制技術(shù)是我國未來鈦合金電子束冷床爐熔煉技術(shù)發(fā)展的趨勢所在。

三、國內(nèi)外鈦合金應(yīng)用前景及研究建議

1 應(yīng)用前景

全球鈦鐵礦、銳鈦礦和金紅石的資源總量超過20億t，全球鈦鐵礦儲量約為7億t，占全球鈦礦的92%，金紅石儲量約為4 800萬t。全球鈦資源集中分布地點(diǎn)在中國、澳大利亞、南非、加拿大等國。中國的鈦鐵礦儲量居世界第1位，占到全球鈦鐵礦儲量的28.6%。

綜合鈦資源的豐富儲量及其廣泛用途，我國鈦合金的應(yīng)用前景將呈現(xiàn)以下幾點(diǎn)特征：①應(yīng)用領(lǐng)域繼續(xù)拓展。將由航天航空和國防軍工領(lǐng)域進(jìn)一步深入到民用領(lǐng)域。據(jù)悉，僅高爾夫所消耗的鈦已超過1 000t 。②鈦工業(yè)體系趨于成熟完整，鈦合金廣泛應(yīng)用初具條件。中國已經(jīng)具備完整的鈦工業(yè)體系，具有一定的鈦合金生產(chǎn)、加工技術(shù)。③中長期的發(fā)展勢頭良好。由于國內(nèi)經(jīng)濟(jì)、大型海洋、航空及體育等因素的影響，鈦合金的應(yīng)用前景較好。

2 研究建議

我國鈦合金領(lǐng)域應(yīng)在以下6個方面深化研究。①鈦的低成本化，低成本包括鈦的制備、加工、設(shè)計(jì)的技術(shù)低成本化，這是擴(kuò)大鈦合金應(yīng)用的前提;②高效、短流程鈦合金加工技術(shù);③大型優(yōu)質(zhì)鈦合金坯料制備技術(shù);④近凈成形技術(shù);⑤鈦的推廣應(yīng)用研究，鈦及鈦合金的應(yīng)用的推廣仍然是研究的主要目的;⑥開發(fā)具有高性能、多功能及低成本的競爭力更強(qiáng)的鈦合金。

鈦合金是性能優(yōu)異的主要材料，在經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國家安全中具有戰(zhàn)略意義。我國鈦合金材料工藝取得一定程度的發(fā)展，但是還存在許多問題亟需解決。例如，鈦合金生產(chǎn)技術(shù)還有待發(fā)展，應(yīng)用范圍有待拓展。在今后，要加強(qiáng)科研和應(yīng)用推廣，從而加快我國鈦工業(yè)的發(fā)展。

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作者簡介：第一作者：王東（1992.08.24-），男，本科，研究方向：機(jī)械、材料;第二作者：閆冬（1992.08.03-），男，本科，研究方向：材料、機(jī)械;第三作者：李東遠(yuǎn)（1993.10.27-），男，本科，研究方向：機(jī)械、材料。