一、國(guó)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(chǔ)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(wèn)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(lái)，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(guó)于 1956年開(kāi)始鈦及其合金的研究，60 年代中期開(kāi)始鈦材的工業(yè)化生產(chǎn)。常見(jiàn)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(lái)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，見(jiàn)表 1。

    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。

    VAR 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(lái)的主要發(fā)展表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①全自動(dòng) VAR 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 VAR 工藝中，自動(dòng)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(guò)程出現(xiàn)的問(wèn)題，提高金屬成品率。②鑄錠尺寸大型化。大型VAR爐可熔煉質(zhì)量達(dá)30t的鈦鑄錠，國(guó)外熔鈦用真空自耗電弧爐噸位大多為8 ～ 15t，我國(guó)近年來(lái)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(chǎng)，防止產(chǎn)生偏析。④數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展。國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用數(shù)值模擬方法研究 VAR 工藝取得一定的進(jìn)展。國(guó)內(nèi)學(xué)者探索了鑄錠溫度場(chǎng)的分布規(guī)律并建立了預(yù)測(cè)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（PlasmaArc）或電子束（Electron Beam）為熱量來(lái)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(shì)：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（Ta）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(guò)生產(chǎn)多種截面的鑄錠提高金屬的收得率。近幾年來(lái)，電子束冷床爐熔煉技術(shù)發(fā)展主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)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(shí)，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(huì)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(guó)軍用飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用廣泛。我國(guó)也開(kāi)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(guó)Retech 公司生產(chǎn)的離子束冷床爐，該設(shè)備生產(chǎn)的 TC4 和 TIAL 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(kāi)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(guó)未來(lái)鈦合金電子束冷床爐熔煉技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)所在。

    2.鈦和鈦合金的其他技術(shù)

    除了熔煉技術(shù)外，對(duì)鈦和鈦合金的技術(shù)還涉及到冶煉、熔鑄、鍛造等，具體應(yīng)用技術(shù)見(jiàn)表 2。

    三、國(guó)內(nèi)外鈦合金主要應(yīng)用領(lǐng)域分析

    當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)鈦合金的應(yīng)用主要集中在以下幾個(gè)領(lǐng)域：

    1.航天航空領(lǐng)域

    飛機(jī)機(jī)身、發(fā)動(dòng)機(jī)及火箭部件中，鈦是不可或缺的“太空金屬”。美國(guó)應(yīng)用鈦合金材料研發(fā)高性能飛機(jī)，如X-31、X-30 等，效果非常顯著，飛機(jī)的 M 系數(shù)上升為原來(lái)的 3 倍左右，而飛機(jī)的整體質(zhì)量下降為原來(lái)的 80%。俄羅斯生產(chǎn)鈦合金板材、鍛件等應(yīng)用于飛機(jī)制造的鈦合金原材料。我國(guó)神州號(hào)飛船的研發(fā)過(guò)程中大量應(yīng)用到鈦合金。此外，國(guó)外也研制出高強(qiáng)鈦合金 Ti-5553〔Ti-5Al-5Mo-5V-3 鉻（Cr）〕，Ti-55531〔Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr 1鋯（Zr）〕等。高強(qiáng)近 β 鈦合金 Ti-5553 可替代 BT22和 Ti-1023 鈦合金應(yīng)用于飛機(jī)的起落架上。國(guó)外成功研制出阻燃鈦合金以保障飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性，其典型代表是美國(guó)的 AlloyC（Ti-35V-15Cr） 和英國(guó)的Ti-25V-15Cr-2Al–0.2C 合金，阻燃性能和力學(xué)性能良好，AlloyC 已在軍用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中得到實(shí)際應(yīng)用。

     中國(guó)科學(xué)院金屬所、西北有色金屬研究院、北京航空材料研究院也分別研制出耐高溫、蠕變性能優(yōu)異、具有良好力學(xué)性能的鈦合金。其中 TB 8（β21s）、TC18（BT22） 高強(qiáng)鈦合金是理想的航空結(jié)構(gòu)材料，在飛機(jī)燃油箱集體、液壓系統(tǒng)、箔材方面應(yīng)用廣泛。在阻燃鈦合金方面，西北有色院研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 Ti14 阻燃鈦合金，及成本比AlloyC（Ti-35V-15Cr） 阻燃鈦合金低的Ti40 阻燃鈦合金。

    2.船舶領(lǐng)域

    船艦等設(shè)備長(zhǎng)期浸泡在水中，在材料的使用上要求具有高耐腐蝕性、安全可靠、壽命長(zhǎng)等特性。鈦合金由于強(qiáng)度范圍很寬、物理性能獨(dú)特及優(yōu)異的機(jī)械性能、耐腐蝕性、抗沖擊性等特性，在船艦上得到廣泛的應(yīng)用。俄羅斯艦船鈦合金應(yīng)用在泵、過(guò)濾器、補(bǔ)給管、滅火系統(tǒng)、壓力容器等設(shè)備中。美國(guó)海軍與美國(guó) Timet 公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的 Timetal5111具有良好的斷裂韌性及抗應(yīng)力腐蝕性能，又具有良好的室溫蠕變性能并且易焊接。這些高性能鈦合金應(yīng)用于美國(guó)船艦的海水系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)、電器元件等設(shè)備。

    我國(guó)研制出不同強(qiáng)度級(jí)別的近 α型船用耐蝕鈦合金 Ti 75、Ti 31、Ti-B19、Ti91、Ti70 及 Ti80。西北有色金屬研究院研制的 Ti75 合金具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，與 Ti31 合金均具有良好的綜合性能，并都已獲得實(shí)際應(yīng)用。此外，以寶雞有色金屬加工廠為主研制的 Ti70 和西北有色金屬研究院研制的 Ti91 具有良好的中強(qiáng)高塑、冷加工性能、透聲性能和可焊性。這些鈦合金在船舶、潛艇、探潛器方面具有廣泛的應(yīng)用。

    3.生物醫(yī)用領(lǐng)域

    當(dāng)前鈦合金已經(jīng)廣泛應(yīng)用在外科植入手術(shù)過(guò)程中。代表性鈦合金 Ti-12Mo-6Zr-2Fe 是一種亞穩(wěn)態(tài)合金，因其高強(qiáng)度和斷裂韌性、耐磨性、耐蝕性及彈性模量而適合用于矯形器件。用合金元素 Zr、Pd、Nb、Sn、Ta 來(lái)改善鈦合金力學(xué)性能、耐蝕性及生物相容性，這是開(kāi)發(fā)生物鈦合金的主要途徑。

    近年來(lái)的各個(gè)國(guó)家分別研發(fā)出新型醫(yī)用鈦合金材料，例如美國(guó)生產(chǎn)的Ti13Nb13Zr、瑞士生產(chǎn)的 Ti6Al7Nb 及日本生產(chǎn)的 Ti15Zr4Nb4Ta2Pd 等。我國(guó)在 20世紀(jì) 70 年代，致力于開(kāi)放生物醫(yī)用鈦合金材料。西北有色金屬研究院研制出在生物相容性、力學(xué)性能、工藝性能均領(lǐng)先于世界水平的新型醫(yī)用鈦合金TAMZ。并在之后又研發(fā)出生物與力學(xué)相容性更優(yōu)的第 3 代醫(yī)用鈦合金 TLE 及 TLM。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研發(fā) Ti-2448（Ti-24Nb-4Zr-8Sn） 顯著提高了骨骼與植入物的力學(xué)相容性。2008 年 2 月以來(lái)，Ti2448合金醫(yī)療器件進(jìn)入批量應(yīng)用階段。

    4.汽車工業(yè)

    汽車輕量化是鈦材最具開(kāi)發(fā)潛力的市場(chǎng)之一。鈦合金主要應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零部件中，例如：連桿、彈簧、曲軸、緊固件等。

    四、國(guó)內(nèi)外鈦合金研究比較

    終上所述，國(guó)內(nèi)外鈦合金的應(yīng)用水平基本是一致的，甚至國(guó)內(nèi)在某些領(lǐng)域的研究和應(yīng)用超過(guò)國(guó)外。例如在新型鈦合金的研究應(yīng)用方面比國(guó)外活躍很多。但是，仍然存在一些差距：首先，由于國(guó)外在鈦合金的研究和應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)，因此與國(guó)外相比，我國(guó)在傳統(tǒng)合金的深入研究方面落后于國(guó)外水平。其次，新型鈦合金的應(yīng)用技術(shù)較為落后。軍用鈦比例與國(guó)外相比較小，民用鈦的領(lǐng)域較窄。美國(guó)戰(zhàn)機(jī)高達(dá) 40% 的用鈦量相比，我國(guó)戰(zhàn)機(jī) 3% ～ 10% 的用鈦量明顯偏低。最后，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。

    五、國(guó)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(guò) 20 億 t，全球鈦鐵礦儲(chǔ)量約為 7 億 t，占全球鈦礦的 92%，金紅石儲(chǔ)量約為 4 800 萬(wàn) t。全球鈦資源集中分布地點(diǎn)在中國(guó)、澳大利亞、南非、加拿大等國(guó)。中國(guó)的鈦鐵礦儲(chǔ)量居世界第1 位，占到全球鈦鐵礦儲(chǔ)量的 28.6%。

    綜合鈦資源的豐富儲(chǔ)量及其廣泛用途，我國(guó)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(guó)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(guò) 1000t。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(guó)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(zhǎng)期的發(fā)展勢(shì)頭良好。由于國(guó)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(guó)鈦合金領(lǐng)域應(yīng)在以下 6 個(gè)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(kāi)發(fā)具有高性能、多功能及低成本的競(jìng)爭(zhēng)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(guó)家安全中具有戰(zhàn)略意義。我國(guó)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(wèn)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(guó)鈦工業(yè)的發(fā)展。