重量是影響兵器裝備實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)快速反應(yīng)能力的主要因素之一，現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)兵器裝備的重量指標(biāo)提出了極為苛刻的要求。發(fā)達(dá)國(guó)家無一不投入巨資，研究輕質(zhì)材料以及與之配套的先進(jìn)制造技術(shù)，以期減輕兵器裝備重量，提高兵器裝備的機(jī)動(dòng)性，增加攜彈量和野戰(zhàn)輔助系統(tǒng)用量，提高兵器裝備及士兵戰(zhàn)場(chǎng)生存和作戰(zhàn)能力。
鈦合金作為一種重要的實(shí)用結(jié)構(gòu)材料，具有比強(qiáng)度高、抗腐蝕性能優(yōu)良和低溫抗沖擊韌度好等特點(diǎn)，利用其取代傳統(tǒng)的鋼和鋁合金，可以在保證武器裝備性能的同時(shí)，大大減輕武器裝備的重量。但鈦的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐磨性的差，存在高溫氧化、吸氫、接觸腐蝕、微震磨蝕破壞、高硬度等問題，這給鈦合金的應(yīng)用帶來一定難度。此外，鈦合金的高成本也限制了鈦合金在兵器裝備上的大量使用。因此，如何降低鈦合金構(gòu)件的制造成本、提高鈦合金構(gòu)件制造效率成為各國(guó)軍方和武器裝備供應(yīng)商重點(diǎn)關(guān)注和研究的問題。國(guó)外制定了多個(gè)鈦合金低成本發(fā)展計(jì)劃，并進(jìn)行相應(yīng)技術(shù)研發(fā)工作，已經(jīng)開發(fā)出適用于鈦合金構(gòu)件的若干低成本制造工藝，如熔模鑄造、旋壓成形、快速成形、先進(jìn)焊接等，促使鈦合金在兵器裝備中得到越來越多的應(yīng)用，對(duì)于減輕裝備重量、提高裝備性能發(fā)揮了重要作用。
1鈦合金精密成形技術(shù)
為降低鈦合金構(gòu)件制造成本，能夠?qū)崿F(xiàn)凈成形或近凈成形的精密成形技術(shù)成為各國(guó)研究熱點(diǎn)，其中熔模鑄造、沖壓石墨型鑄造、精密鍛造、快速成形等技術(shù)研究應(yīng)用較多。
1.1精密鑄造技術(shù)
（1）熔模鑄造
熔模鑄造是目前國(guó)外軍工領(lǐng)域應(yīng)用較多的一種精密成形技術(shù)。熔模鑄造，又稱失蠟鑄造，是在可熔性蠟?zāi)５谋砻嬷貜?fù)涂掛上多層耐火涂料，并經(jīng)過撒砂、干燥和硬化后，再采用有機(jī)溶劑、熱水、蒸汽等加熱手段將其中的蠟料去除而獲得整體空腔的型殼，然后進(jìn)行高溫焙燒、澆注而獲得零件的一種鑄造方法。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是加工精度高、表面粗糙度值低、加工余量小（甚至可實(shí)現(xiàn)無余量鑄造）、可獲得形狀復(fù)雜的薄壁鑄件。
美國(guó)M777155mm輕型牽引榴彈炮是首個(gè)正式引入鈦合金熔模鑄造的陸基武器系統(tǒng)，也是成功應(yīng)用鈦合金熔模鑄造技術(shù)的典型例證。采用熔模鑄造技術(shù)后，M777鈦合金結(jié)構(gòu)件的細(xì)小零件數(shù)目從原來的973個(gè)減少到419個(gè)；需要焊接的部位從2458處減少到483處，焊縫長(zhǎng)度縮短了77%，大大減輕了結(jié)構(gòu)變形，比傳統(tǒng)制造時(shí)間縮短了25%～50%。M777采用熔模鑄造獲得顯著效益的典型部件有駐鋤、鞍形支架、牽引架等。其中，駐鋤最先由120個(gè)零件焊接而成，通過熔模鑄造實(shí)現(xiàn)了整體鑄造成形；鞍型支架由最初的116個(gè)零件焊接而成，通過熔模鑄造實(shí)現(xiàn)了整體鑄造成形，如圖1所示。在M777項(xiàng)目中的一系列測(cè)試表明，熔模鑄造鈦合金部件的機(jī)械性能已經(jīng)接近或達(dá)到鍛件的水平，耐久性測(cè)試和炮射試驗(yàn)都表明鈦合金熔模鑄造結(jié)構(gòu)件在嚴(yán)酷戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下具有良好的可靠性。美國(guó)陸軍武器研發(fā)與工程中心與CTC公司、通用動(dòng)力地面系統(tǒng)分部等開展合作，重新設(shè)計(jì)了斯特賴克機(jī)動(dòng)火炮系統(tǒng)的炮艙（gunpod），將原先由40個(gè)鋼制零件焊接而成的炮艙，變?yōu)?個(gè)鈦合金熔模鑄造件焊接而成的焊接件，長(zhǎng)度為60in（1.524m），如圖2所示。改進(jìn)設(shè)計(jì)及采用熔模鑄造工藝使得炮艙零件數(shù)量顯著減少，重量從486lb（220kg）降低到350lb（159kg），重量減輕了28%。
（2）沖壓石墨型鑄造
鈦合金沖壓石墨型鑄造
（rammedgraphitecastings）也已經(jīng)成為替代軍用鈦合金板材和零部件傳統(tǒng)制造方法的可行工藝。采用鈦合金沖壓石墨型鑄造近凈成形軍用零部件，能夠消除不必要的廢料，無需多余尺寸的機(jī)加工，且具有優(yōu)良的抗腐蝕性能力，良好的結(jié)構(gòu)完整性和強(qiáng)度，與鍛造鈦合金相似。與熔模鑄造需要的工具相比，沖壓石墨型鑄造的鑄模成本較低，尤其適合于大型鑄件。鈦合金沖壓石墨型鑄造可以采用木頭或金屬制得的標(biāo)準(zhǔn)單體鑄模或模板鑄模。一般來說，用于砂型鑄造的鑄模設(shè)備在進(jìn)行改造后（加澆口、冒口），就可以用于鈦合金沖壓石墨型鑄造。鈦合金沖壓石墨型鑄件已經(jīng)用于諸多軍用裝備，如魚雷彈射泵、大型海水泵，以及各種尺寸的球閥、閘閥和蝴蝶閥等軍用零部件都采用沖壓石墨型鑄造工藝，如圖3所示。
1.2鈦合金精密塑性成形技術(shù)
等溫鍛造是將模具和坯料都加熱到坯料的最佳鍛造溫度，使坯料以低應(yīng)變速率進(jìn)行變形的一種鍛造方法，可以顯著改善坯料
的塑性和流動(dòng)能力，降低變形抗力。由于模具處于高溫狀態(tài)，金屬流動(dòng)充填好，適合于鈦合金盤類、梁類、框類等薄壁高筋構(gòu)件成形。采用等溫鍛造工藝能夠生產(chǎn)出鍛后不需機(jī)加工的凈形鍛件，或僅需少量次加工的近凈形鍛件。鈦合金等溫鍛造技術(shù)在國(guó)外槍、炮武器中已有多項(xiàng)成功應(yīng)用。如美國(guó)采用等溫鍛造鈦合金火炮炮口制退器、機(jī)槍支架體等。
旋壓成形是一種無切屑的冷成形工藝，適用于無縫、薄壁、筒形件的近凈成形或凈成形，是火炮身管、藥筒、藥型罩、導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等筒形件成形的重要技術(shù)手段。采用旋壓工藝成形精確口徑的、同心軸壁厚的圓柱形零部件，能夠提高材料的強(qiáng)度，消除或大幅減少二次成形加工，節(jié)省材料，將制造成本降至最低，且尺寸精度比熱成形工藝好。美國(guó)國(guó)家先進(jìn)金屬加工技術(shù)中心采用旋壓工藝生產(chǎn)M777輕型榴彈炮的搖架鈦合金管件（直徑為14.2cm，長(zhǎng)度為183cm），降低了工藝成本，減少了材料浪費(fèi)。
超塑成形/擴(kuò)散焊接（SPF/DB）技術(shù)在減輕鈦合金結(jié)構(gòu)件重量、降低成本方面也具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)克服了鈦合金冷加工工藝性差、成形困難等缺點(diǎn)，能夠成形出形狀復(fù)雜的鈦合金整體結(jié)構(gòu)件，大幅節(jié)約材料，減少組裝部件，降低批生產(chǎn)成本，并且提高構(gòu)件的使用壽命和整體性能。與鉚接和焊接比較，可使成本降低40%～60%，重量減輕30%～50%。美國(guó)休斯公司、BAE系統(tǒng)公司等在超塑成形技術(shù)研究和應(yīng)用方面居世界前列。目前鈦合金超塑成形工藝已廣泛用于導(dǎo)彈外殼、推進(jìn)劑儲(chǔ)箱、整流罩等，以及車輛車架、外殼、曲柄軸和連桿等的制造。
1.3鈦合金快速成形技術(shù)
金屬零部件快速成形技術(shù)能有效縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)約大量加工成本，近幾年發(fā)展迅速，由于其能良好的生產(chǎn)和維修高強(qiáng)度金屬制件，因而成為國(guó)防領(lǐng)域最具價(jià)值的技術(shù)之一。其中發(fā)展最快的是鈦合金快速成形，在導(dǎo)彈等武器裝備結(jié)構(gòu)件成形中均有成功應(yīng)用。
美國(guó)Texas大學(xué)針對(duì)單一金屬粉末激光燒結(jié)進(jìn)行研究，成功制造了用于AIM9導(dǎo)彈的Ti-6Al-4V金屬零件，生產(chǎn)效率比傳統(tǒng)的鈦合金加工工藝提高了80%。通用電氣公司在發(fā)動(dòng)機(jī)制造中采用激光快速成形技術(shù)加工1.22m長(zhǎng)鈦合金零件，使每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)省成本2.5萬美元。美國(guó)材料與電化學(xué)研究（MER）公司與軍方合作，研究采用等離子轉(zhuǎn)移弧成形技術(shù)實(shí)現(xiàn)鈦裝甲、火炮身管以及其他結(jié)構(gòu)件的制造，具體工藝流程如圖4所示。
工業(yè)界在鈦合金快速成形技術(shù)和設(shè)備的研發(fā)方面也進(jìn)行了諸多嘗試，一些研究成果獲得了軍方的認(rèn)可。ArcamAb公司研制了擁有專利權(quán)的電子束熔融（EBM）系統(tǒng)，并在EBM系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)了鈦合金電子束熔融工藝，將Ti-6Al-4V粉末加熱到2400°F（1315.6℃），使鈦合金粉末熔融后制成致密的零件，在NASA、波音幻影工作室等獲得成功應(yīng)用。Solidica與克萊姆森大學(xué)合作開發(fā)下一代快速原型和模具，擴(kuò)展3D金屬制造技術(shù)的應(yīng)用，與陸軍合作針對(duì)同時(shí)具備增材制造與材料去除能力的混合加工系統(tǒng)--超聲波固化系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)。
通過超聲波固化固態(tài)粘結(jié)系統(tǒng)，Solidica公司已經(jīng)制造出將具有無線射頻識(shí)別（RFID）功能的傳感器嵌入其中的鈦合金零件。
2鈦合金先進(jìn)焊接技術(shù)
焊接技術(shù)是目前大部分大型鈦合金零部件和復(fù)雜形狀異形件的重要成形工藝之一。隨著鈦合金在兵器裝備中的應(yīng)用越來越廣泛，鈦合金零件的焊接技術(shù)也越來越重要。以鈦合金為代表的輕合金焊接技術(shù)受到美國(guó)陸軍高度重視，專門啟動(dòng)“先進(jìn)焊接技術(shù)部署計(jì)劃”，研究先進(jìn)焊接技術(shù)在鈦合金等輕質(zhì)材料中的應(yīng)用，并對(duì)現(xiàn)有焊接工藝進(jìn)行改進(jìn)，提高焊接效率和質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本，以滿足兵器裝備發(fā)展的需要。
考慮到M777輕型榴彈炮鈦合金結(jié)構(gòu)件焊接比較困難、焊縫疲勞性能要求高、并需符合全生命周期成本目標(biāo)等問題，美國(guó)海軍連接中心開展了M777炮座鈦合金結(jié)構(gòu)焊接工藝的研究，采用自動(dòng)化的等離子弧焊接工藝對(duì)M777炮架的鑄造和鍛造鈦合金組件進(jìn)和強(qiáng)度的要求等。還研究采用更高效的自動(dòng)化熔化極脈沖氣體保護(hù)電弧焊（GMAW-P）和激光焊代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鎢極氣體保護(hù)焊工藝來焊接M777Ti-6Al-4V穩(wěn)定裝置支臂（stabilizerarm）。檢測(cè)結(jié)果表明焊件能滿足所有的質(zhì)量要求和尺寸規(guī)格。
美國(guó)陸軍武器研發(fā)與工程中心在新型鈦合金戰(zhàn)斗車輛零件焊接過程中引入機(jī)器人工作單元（如圖5所示），開發(fā)出機(jī)器人GMAW-P工藝，完成的焊接部件不需要進(jìn)行機(jī)械加工和應(yīng)力消除，極大地提高了焊接效率和質(zhì)量，降低了成本。另外，還研究采用機(jī)器人GMAW-P系統(tǒng)焊接鈦合金機(jī)匣，并解決了一系列焊接上的問題，包括開發(fā)機(jī)器人焊接鈦合金的焊接參數(shù)、改善保護(hù)氣和輔氣防護(hù)、提高送絲速度等。
除了上述幾種典型焊接工藝，國(guó)外開始研究攪拌摩擦焊工藝在鈦合金武器零部件中的應(yīng)用。愛迪生焊接研究所對(duì)能夠作為攪拌摩擦焊焊接工具的候選材料進(jìn)行研究，并開發(fā)出一種新型攪拌頭--可變?nèi)凵顢嚢桀^（variablepenetrationtool，VPT），在很大程度上減小甚至消除了工具的磨損和變形，顯著提高了攪拌摩擦焊工藝的可靠性。美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室與美國(guó)克萊姆森大學(xué)聯(lián)合開展了典型鈦合金Ti-6Al-4V攪拌摩擦焊工藝數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的研究工作，利用以前的開發(fā)的攪拌摩擦焊熱力有限元分析，同時(shí)結(jié)合Ti-6Al-4V基本的物理冶金數(shù)據(jù)，來預(yù)測(cè)攪拌摩擦焊縫的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，研究表明模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有相當(dāng)?shù)囊恢滦裕策M(jìn)一步說明書你模擬方法可用于指導(dǎo)攪拌摩擦焊工藝參數(shù)選擇及優(yōu)化接頭的結(jié)構(gòu)性能。
3鈦合金數(shù)控加工技術(shù)
數(shù)控加工（如車削、銑削、切割等）是鈦合金零部件的重要制造工藝之一。然而，在鈦合金構(gòu)件數(shù)控加工過程中，由于鈦合金的化學(xué)活性高會(huì)導(dǎo)致刀具容易磨損，鈦合金的低熱導(dǎo)率使得必須在較低的速度下進(jìn)行鈦及鈦合金構(gòu)件加工，導(dǎo)致生產(chǎn)效率不高。目前，主要通過優(yōu)化切削參數(shù)、選用特殊刀具、計(jì)算機(jī)模擬等手段對(duì)加工工藝進(jìn)行優(yōu)化以及開發(fā)新型高精度加工設(shè)備進(jìn)行鈦合金構(gòu)件的加工。
美國(guó)國(guó)家國(guó)防制造與加工中心（NCDMM）對(duì)遠(yuǎn)征戰(zhàn)車鈦合金鍛造平衡肘（如圖6所示）大直徑孔加工工藝實(shí)施優(yōu)化，采用了帶有可調(diào)阻尼組件（消除在延伸深度的顫動(dòng)）的具有1in（2.54mm）長(zhǎng)切口的新型多齒螺紋銑刀（如圖7所示），并對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使得加工時(shí)間從3h縮短為32min，僅銑削螺紋一項(xiàng)就可節(jié)約成本510萬美元。另外，NCDMM針對(duì)120mm迫擊炮鈦合金迫擊炮底座的加工工藝實(shí)施工藝優(yōu)化，選擇帶有物理氣相沉積涂層的高性能碳化物刀具來車削外形，并采用加固的帶指示盤的鉆頭來進(jìn)行孔加工，車削速度提高10倍，鉆削深度提高40%，迫擊炮鈦合金底底座的加工周期從16h縮短到105min，僅加工周期這一項(xiàng)指標(biāo)的縮短就能使每個(gè)底座的成本節(jié)省855美元。
采用有限元分析來優(yōu)化鈦合金高速加工技術(shù)是國(guó)外的研究熱點(diǎn)之一。美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室采用通過第三次浪潮系統(tǒng)公司的AdvantEdge有限元加工模型，對(duì)不同的加工工藝進(jìn)行分析，如鉆削、銑削以及車削等過程，來提高加工速率和刀具性能。該軟件和高速加工技術(shù)的成功應(yīng)用，使鈦合金零部件加工周期縮短了30％。
新型加工設(shè)備的不斷推出也為鈦合金零部件的數(shù)控加工提供了新的可能。德國(guó)德瑪吉公司研制的ULTRASonIC20直線驅(qū)動(dòng)超聲波超凈加工機(jī)床，可實(shí)現(xiàn)鈦合金在內(nèi)的多種材料加工，具有極高的重復(fù)精度和卓越的表面加工質(zhì)量；美國(guó)美格公司開發(fā)出適用于鈦合金構(gòu)件加工的主軸中心冷卻和刀具中心冷卻系統(tǒng)，可顯著提高冷卻效率、切削速度，進(jìn)而提高金屬去除量；日本牧野公司
推出適應(yīng)于鈦合金部件的D500、D300五軸立式加工中心，實(shí)現(xiàn)工件的高速、柔性加工；日本三井Seiki集團(tuán)開展5軸加工中心加工能力和機(jī)床特性優(yōu)化研究，提升新一代鈦合金Ti5553等材料的切削效率，去除率超過400cm3/min。
4結(jié)束語
兵器裝備輕量化的發(fā)展需求，使鈦合金在兵器裝備中的應(yīng)用越來越受到重視。目前，降低鈦合金構(gòu)件制造成本的主要策略是采用精密熔模鑄造、精密鍛造、快速成形等可以實(shí)現(xiàn)凈成形或近凈成形的精密成形技術(shù)，提高零部件的完整性、可靠性，并減少由于傳統(tǒng)機(jī)械加工造成的原材料浪費(fèi)；鈦合金構(gòu)件的焊接技術(shù)也受到高度重視，主要是提高焊接過程的自動(dòng)化、智能化程度，以提高焊接生產(chǎn)效率、提高焊接質(zhì)量；此外，還通過大量采用計(jì)算機(jī)仿真方法、開發(fā)新型刀具和工藝裝備等其他手段來提高鈦合金構(gòu)件的加工效率...
鈦合金作為一種重要的實(shí)用結(jié)構(gòu)材料，具有比強(qiáng)度高、抗腐蝕性能優(yōu)良和低溫抗沖擊韌度好等特點(diǎn)，利用其取代傳統(tǒng)的鋼和鋁合金，可以在保證武器裝備性能的同時(shí)，大大減輕武器裝備的重量。但鈦的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐磨性的差，存在高溫氧化、吸氫、接觸腐蝕、微震磨蝕破壞、高硬度等問題，這給鈦合金的應(yīng)用帶來一定難度。此外，鈦合金的高成本也限制了鈦合金在兵器裝備上的大量使用。因此，如何降低鈦合金構(gòu)件的制造成本、提高鈦合金構(gòu)件制造效率成為各國(guó)軍方和武器裝備供應(yīng)商重點(diǎn)關(guān)注和研究的問題。國(guó)外制定了多個(gè)鈦合金低成本發(fā)展計(jì)劃，并進(jìn)行相應(yīng)技術(shù)研發(fā)工作，已經(jīng)開發(fā)出適用于鈦合金構(gòu)件的若干低成本制造工藝，如熔模鑄造、旋壓成形、快速成形、先進(jìn)焊接等，促使鈦合金在兵器裝備中得到越來越多的應(yīng)用，對(duì)于減輕裝備重量、提高裝備性能發(fā)揮了重要作用。
1鈦合金精密成形技術(shù)
為降低鈦合金構(gòu)件制造成本，能夠?qū)崿F(xiàn)凈成形或近凈成形的精密成形技術(shù)成為各國(guó)研究熱點(diǎn)，其中熔模鑄造、沖壓石墨型鑄造、精密鍛造、快速成形等技術(shù)研究應(yīng)用較多。
1.1精密鑄造技術(shù)
（1）熔模鑄造
熔模鑄造是目前國(guó)外軍工領(lǐng)域應(yīng)用較多的一種精密成形技術(shù)。熔模鑄造，又稱失蠟鑄造，是在可熔性蠟?zāi)５谋砻嬷貜?fù)涂掛上多層耐火涂料，并經(jīng)過撒砂、干燥和硬化后，再采用有機(jī)溶劑、熱水、蒸汽等加熱手段將其中的蠟料去除而獲得整體空腔的型殼，然后進(jìn)行高溫焙燒、澆注而獲得零件的一種鑄造方法。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是加工精度高、表面粗糙度值低、加工余量小（甚至可實(shí)現(xiàn)無余量鑄造）、可獲得形狀復(fù)雜的薄壁鑄件。
美國(guó)M777155mm輕型牽引榴彈炮是首個(gè)正式引入鈦合金熔模鑄造的陸基武器系統(tǒng)，也是成功應(yīng)用鈦合金熔模鑄造技術(shù)的典型例證。采用熔模鑄造技術(shù)后，M777鈦合金結(jié)構(gòu)件的細(xì)小零件數(shù)目從原來的973個(gè)減少到419個(gè)；需要焊接的部位從2458處減少到483處，焊縫長(zhǎng)度縮短了77%，大大減輕了結(jié)構(gòu)變形，比傳統(tǒng)制造時(shí)間縮短了25%～50%。M777采用熔模鑄造獲得顯著效益的典型部件有駐鋤、鞍形支架、牽引架等。其中，駐鋤最先由120個(gè)零件焊接而成，通過熔模鑄造實(shí)現(xiàn)了整體鑄造成形；鞍型支架由最初的116個(gè)零件焊接而成，通過熔模鑄造實(shí)現(xiàn)了整體鑄造成形，如圖1所示。在M777項(xiàng)目中的一系列測(cè)試表明，熔模鑄造鈦合金部件的機(jī)械性能已經(jīng)接近或達(dá)到鍛件的水平，耐久性測(cè)試和炮射試驗(yàn)都表明鈦合金熔模鑄造結(jié)構(gòu)件在嚴(yán)酷戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下具有良好的可靠性。美國(guó)陸軍武器研發(fā)與工程中心與CTC公司、通用動(dòng)力地面系統(tǒng)分部等開展合作，重新設(shè)計(jì)了斯特賴克機(jī)動(dòng)火炮系統(tǒng)的炮艙（gunpod），將原先由40個(gè)鋼制零件焊接而成的炮艙，變?yōu)?個(gè)鈦合金熔模鑄造件焊接而成的焊接件，長(zhǎng)度為60in（1.524m），如圖2所示。改進(jìn)設(shè)計(jì)及采用熔模鑄造工藝使得炮艙零件數(shù)量顯著減少，重量從486lb（220kg）降低到350lb（159kg），重量減輕了28%。
（2）沖壓石墨型鑄造
鈦合金沖壓石墨型鑄造
（rammedgraphitecastings）也已經(jīng)成為替代軍用鈦合金板材和零部件傳統(tǒng)制造方法的可行工藝。采用鈦合金沖壓石墨型鑄造近凈成形軍用零部件，能夠消除不必要的廢料，無需多余尺寸的機(jī)加工，且具有優(yōu)良的抗腐蝕性能力，良好的結(jié)構(gòu)完整性和強(qiáng)度，與鍛造鈦合金相似。與熔模鑄造需要的工具相比，沖壓石墨型鑄造的鑄模成本較低，尤其適合于大型鑄件。鈦合金沖壓石墨型鑄造可以采用木頭或金屬制得的標(biāo)準(zhǔn)單體鑄模或模板鑄模。一般來說，用于砂型鑄造的鑄模設(shè)備在進(jìn)行改造后（加澆口、冒口），就可以用于鈦合金沖壓石墨型鑄造。鈦合金沖壓石墨型鑄件已經(jīng)用于諸多軍用裝備，如魚雷彈射泵、大型海水泵，以及各種尺寸的球閥、閘閥和蝴蝶閥等軍用零部件都采用沖壓石墨型鑄造工藝，如圖3所示。
1.2鈦合金精密塑性成形技術(shù)
等溫鍛造是將模具和坯料都加熱到坯料的最佳鍛造溫度，使坯料以低應(yīng)變速率進(jìn)行變形的一種鍛造方法，可以顯著改善坯料
的塑性和流動(dòng)能力，降低變形抗力。由于模具處于高溫狀態(tài)，金屬流動(dòng)充填好，適合于鈦合金盤類、梁類、框類等薄壁高筋構(gòu)件成形。采用等溫鍛造工藝能夠生產(chǎn)出鍛后不需機(jī)加工的凈形鍛件，或僅需少量次加工的近凈形鍛件。鈦合金等溫鍛造技術(shù)在國(guó)外槍、炮武器中已有多項(xiàng)成功應(yīng)用。如美國(guó)采用等溫鍛造鈦合金火炮炮口制退器、機(jī)槍支架體等。
旋壓成形是一種無切屑的冷成形工藝，適用于無縫、薄壁、筒形件的近凈成形或凈成形，是火炮身管、藥筒、藥型罩、導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等筒形件成形的重要技術(shù)手段。采用旋壓工藝成形精確口徑的、同心軸壁厚的圓柱形零部件，能夠提高材料的強(qiáng)度，消除或大幅減少二次成形加工，節(jié)省材料，將制造成本降至最低，且尺寸精度比熱成形工藝好。美國(guó)國(guó)家先進(jìn)金屬加工技術(shù)中心采用旋壓工藝生產(chǎn)M777輕型榴彈炮的搖架鈦合金管件（直徑為14.2cm，長(zhǎng)度為183cm），降低了工藝成本，減少了材料浪費(fèi)。
超塑成形/擴(kuò)散焊接（SPF/DB）技術(shù)在減輕鈦合金結(jié)構(gòu)件重量、降低成本方面也具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)克服了鈦合金冷加工工藝性差、成形困難等缺點(diǎn)，能夠成形出形狀復(fù)雜的鈦合金整體結(jié)構(gòu)件，大幅節(jié)約材料，減少組裝部件，降低批生產(chǎn)成本，并且提高構(gòu)件的使用壽命和整體性能。與鉚接和焊接比較，可使成本降低40%～60%，重量減輕30%～50%。美國(guó)休斯公司、BAE系統(tǒng)公司等在超塑成形技術(shù)研究和應(yīng)用方面居世界前列。目前鈦合金超塑成形工藝已廣泛用于導(dǎo)彈外殼、推進(jìn)劑儲(chǔ)箱、整流罩等，以及車輛車架、外殼、曲柄軸和連桿等的制造。
1.3鈦合金快速成形技術(shù)
金屬零部件快速成形技術(shù)能有效縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)約大量加工成本，近幾年發(fā)展迅速，由于其能良好的生產(chǎn)和維修高強(qiáng)度金屬制件，因而成為國(guó)防領(lǐng)域最具價(jià)值的技術(shù)之一。其中發(fā)展最快的是鈦合金快速成形，在導(dǎo)彈等武器裝備結(jié)構(gòu)件成形中均有成功應(yīng)用。
美國(guó)Texas大學(xué)針對(duì)單一金屬粉末激光燒結(jié)進(jìn)行研究，成功制造了用于AIM9導(dǎo)彈的Ti-6Al-4V金屬零件，生產(chǎn)效率比傳統(tǒng)的鈦合金加工工藝提高了80%。通用電氣公司在發(fā)動(dòng)機(jī)制造中采用激光快速成形技術(shù)加工1.22m長(zhǎng)鈦合金零件，使每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)省成本2.5萬美元。美國(guó)材料與電化學(xué)研究（MER）公司與軍方合作，研究采用等離子轉(zhuǎn)移弧成形技術(shù)實(shí)現(xiàn)鈦裝甲、火炮身管以及其他結(jié)構(gòu)件的制造，具體工藝流程如圖4所示。
工業(yè)界在鈦合金快速成形技術(shù)和設(shè)備的研發(fā)方面也進(jìn)行了諸多嘗試，一些研究成果獲得了軍方的認(rèn)可。ArcamAb公司研制了擁有專利權(quán)的電子束熔融（EBM）系統(tǒng)，并在EBM系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)了鈦合金電子束熔融工藝，將Ti-6Al-4V粉末加熱到2400°F（1315.6℃），使鈦合金粉末熔融后制成致密的零件，在NASA、波音幻影工作室等獲得成功應(yīng)用。Solidica與克萊姆森大學(xué)合作開發(fā)下一代快速原型和模具，擴(kuò)展3D金屬制造技術(shù)的應(yīng)用，與陸軍合作針對(duì)同時(shí)具備增材制造與材料去除能力的混合加工系統(tǒng)--超聲波固化系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)。
通過超聲波固化固態(tài)粘結(jié)系統(tǒng)，Solidica公司已經(jīng)制造出將具有無線射頻識(shí)別（RFID）功能的傳感器嵌入其中的鈦合金零件。
2鈦合金先進(jìn)焊接技術(shù)
焊接技術(shù)是目前大部分大型鈦合金零部件和復(fù)雜形狀異形件的重要成形工藝之一。隨著鈦合金在兵器裝備中的應(yīng)用越來越廣泛，鈦合金零件的焊接技術(shù)也越來越重要。以鈦合金為代表的輕合金焊接技術(shù)受到美國(guó)陸軍高度重視，專門啟動(dòng)“先進(jìn)焊接技術(shù)部署計(jì)劃”，研究先進(jìn)焊接技術(shù)在鈦合金等輕質(zhì)材料中的應(yīng)用，并對(duì)現(xiàn)有焊接工藝進(jìn)行改進(jìn)，提高焊接效率和質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本，以滿足兵器裝備發(fā)展的需要。
考慮到M777輕型榴彈炮鈦合金結(jié)構(gòu)件焊接比較困難、焊縫疲勞性能要求高、并需符合全生命周期成本目標(biāo)等問題，美國(guó)海軍連接中心開展了M777炮座鈦合金結(jié)構(gòu)焊接工藝的研究，采用自動(dòng)化的等離子弧焊接工藝對(duì)M777炮架的鑄造和鍛造鈦合金組件進(jìn)和強(qiáng)度的要求等。還研究采用更高效的自動(dòng)化熔化極脈沖氣體保護(hù)電弧焊（GMAW-P）和激光焊代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鎢極氣體保護(hù)焊工藝來焊接M777Ti-6Al-4V穩(wěn)定裝置支臂（stabilizerarm）。檢測(cè)結(jié)果表明焊件能滿足所有的質(zhì)量要求和尺寸規(guī)格。
美國(guó)陸軍武器研發(fā)與工程中心在新型鈦合金戰(zhàn)斗車輛零件焊接過程中引入機(jī)器人工作單元（如圖5所示），開發(fā)出機(jī)器人GMAW-P工藝，完成的焊接部件不需要進(jìn)行機(jī)械加工和應(yīng)力消除，極大地提高了焊接效率和質(zhì)量，降低了成本。另外，還研究采用機(jī)器人GMAW-P系統(tǒng)焊接鈦合金機(jī)匣，并解決了一系列焊接上的問題，包括開發(fā)機(jī)器人焊接鈦合金的焊接參數(shù)、改善保護(hù)氣和輔氣防護(hù)、提高送絲速度等。
除了上述幾種典型焊接工藝，國(guó)外開始研究攪拌摩擦焊工藝在鈦合金武器零部件中的應(yīng)用。愛迪生焊接研究所對(duì)能夠作為攪拌摩擦焊焊接工具的候選材料進(jìn)行研究，并開發(fā)出一種新型攪拌頭--可變?nèi)凵顢嚢桀^（variablepenetrationtool，VPT），在很大程度上減小甚至消除了工具的磨損和變形，顯著提高了攪拌摩擦焊工藝的可靠性。美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室與美國(guó)克萊姆森大學(xué)聯(lián)合開展了典型鈦合金Ti-6Al-4V攪拌摩擦焊工藝數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的研究工作，利用以前的開發(fā)的攪拌摩擦焊熱力有限元分析，同時(shí)結(jié)合Ti-6Al-4V基本的物理冶金數(shù)據(jù)，來預(yù)測(cè)攪拌摩擦焊縫的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，研究表明模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有相當(dāng)?shù)囊恢滦裕策M(jìn)一步說明書你模擬方法可用于指導(dǎo)攪拌摩擦焊工藝參數(shù)選擇及優(yōu)化接頭的結(jié)構(gòu)性能。
3鈦合金數(shù)控加工技術(shù)
數(shù)控加工（如車削、銑削、切割等）是鈦合金零部件的重要制造工藝之一。然而，在鈦合金構(gòu)件數(shù)控加工過程中，由于鈦合金的化學(xué)活性高會(huì)導(dǎo)致刀具容易磨損，鈦合金的低熱導(dǎo)率使得必須在較低的速度下進(jìn)行鈦及鈦合金構(gòu)件加工，導(dǎo)致生產(chǎn)效率不高。目前，主要通過優(yōu)化切削參數(shù)、選用特殊刀具、計(jì)算機(jī)模擬等手段對(duì)加工工藝進(jìn)行優(yōu)化以及開發(fā)新型高精度加工設(shè)備進(jìn)行鈦合金構(gòu)件的加工。
美國(guó)國(guó)家國(guó)防制造與加工中心（NCDMM）對(duì)遠(yuǎn)征戰(zhàn)車鈦合金鍛造平衡肘（如圖6所示）大直徑孔加工工藝實(shí)施優(yōu)化，采用了帶有可調(diào)阻尼組件（消除在延伸深度的顫動(dòng)）的具有1in（2.54mm）長(zhǎng)切口的新型多齒螺紋銑刀（如圖7所示），并對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使得加工時(shí)間從3h縮短為32min，僅銑削螺紋一項(xiàng)就可節(jié)約成本510萬美元。另外，NCDMM針對(duì)120mm迫擊炮鈦合金迫擊炮底座的加工工藝實(shí)施工藝優(yōu)化，選擇帶有物理氣相沉積涂層的高性能碳化物刀具來車削外形，并采用加固的帶指示盤的鉆頭來進(jìn)行孔加工，車削速度提高10倍，鉆削深度提高40%，迫擊炮鈦合金底底座的加工周期從16h縮短到105min，僅加工周期這一項(xiàng)指標(biāo)的縮短就能使每個(gè)底座的成本節(jié)省855美元。
采用有限元分析來優(yōu)化鈦合金高速加工技術(shù)是國(guó)外的研究熱點(diǎn)之一。美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室采用通過第三次浪潮系統(tǒng)公司的AdvantEdge有限元加工模型，對(duì)不同的加工工藝進(jìn)行分析，如鉆削、銑削以及車削等過程，來提高加工速率和刀具性能。該軟件和高速加工技術(shù)的成功應(yīng)用，使鈦合金零部件加工周期縮短了30％。
新型加工設(shè)備的不斷推出也為鈦合金零部件的數(shù)控加工提供了新的可能。德國(guó)德瑪吉公司研制的ULTRASonIC20直線驅(qū)動(dòng)超聲波超凈加工機(jī)床，可實(shí)現(xiàn)鈦合金在內(nèi)的多種材料加工，具有極高的重復(fù)精度和卓越的表面加工質(zhì)量；美國(guó)美格公司開發(fā)出適用于鈦合金構(gòu)件加工的主軸中心冷卻和刀具中心冷卻系統(tǒng)，可顯著提高冷卻效率、切削速度，進(jìn)而提高金屬去除量；日本牧野公司
推出適應(yīng)于鈦合金部件的D500、D300五軸立式加工中心，實(shí)現(xiàn)工件的高速、柔性加工；日本三井Seiki集團(tuán)開展5軸加工中心加工能力和機(jī)床特性優(yōu)化研究，提升新一代鈦合金Ti5553等材料的切削效率，去除率超過400cm3/min。
4結(jié)束語
兵器裝備輕量化的發(fā)展需求，使鈦合金在兵器裝備中的應(yīng)用越來越受到重視。目前，降低鈦合金構(gòu)件制造成本的主要策略是采用精密熔模鑄造、精密鍛造、快速成形等可以實(shí)現(xiàn)凈成形或近凈成形的精密成形技術(shù)，提高零部件的完整性、可靠性，并減少由于傳統(tǒng)機(jī)械加工造成的原材料浪費(fèi)；鈦合金構(gòu)件的焊接技術(shù)也受到高度重視，主要是提高焊接過程的自動(dòng)化、智能化程度，以提高焊接生產(chǎn)效率、提高焊接質(zhì)量；此外，還通過大量采用計(jì)算機(jī)仿真方法、開發(fā)新型刀具和工藝裝備等其他手段來提高鈦合金構(gòu)件的加工效率...
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