近五年鈦合金材料研發(fā)進(jìn)展

　　趙永慶

　　西北有色金屬研究院

　　1 前言

　　鈦合金因具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫、耐低溫、無(wú)磁、可焊、生物相容性好等優(yōu)異的綜合性能，在航空、航天、核工業(yè)、兵器、海洋、石油、化工、醫(yī)療、日常生活等眾多領(lǐng)域都有著重要的用途，為越來(lái)越多的人所接受。鈦雖然在地殼中含量高，但是由于活性大，提煉困難，需要經(jīng)過多次氧化還原過程達(dá)到工業(yè)應(yīng)用的品位。通常采用氯還原法提純金屬鈦，熔煉采用多次真空電弧熔煉工藝，另外鈦合金變形抗力較大，屬于難變形材料，也就是說(shuō)鈦合金材料制備工藝復(fù)雜、流程長(zhǎng)等原因致使其成本高，限制了鈦合金在民用等領(lǐng)域的擴(kuò)大應(yīng)用，降低成本已成為目前鈦合金發(fā)展必須要解決的重要問題之一。近5年，國(guó)家及一些省市高度重視鈦合金材料的科技進(jìn)步，支持了不少科技項(xiàng)目，取得了良好的成果和效益。本文簡(jiǎn)要評(píng)述近5年國(guó)內(nèi)鈦合金材料在熔煉技術(shù)、鍛造技術(shù)、軋制技術(shù)、新合金研發(fā)等方面的主要進(jìn)展（不包括鈦的金屬間化合物、復(fù)合材料、粉末冶金材料、醫(yī)用鈦合金等），并指出存在的問題和未來(lái)發(fā)展方向。

　　近5年，國(guó)內(nèi)鈦合金材料研究、開發(fā)及生產(chǎn)相關(guān)的人員規(guī)模、裝備能力、鈦材的產(chǎn)能、產(chǎn)量都得到擴(kuò)大，如鈦材產(chǎn)量由2015年的4.86萬(wàn)t上升到2019年的7.53萬(wàn)t，增長(zhǎng)了55%。經(jīng)過廣大科技人員的努力，取得了眾多的工程技術(shù)成就。

　　（1）開發(fā)的多種鈦合金材料成功應(yīng)用于我國(guó)重要工程。如西北有色金屬研究院等創(chuàng)新研制的高強(qiáng)高韌損傷容限鈦合金TC21和具有我國(guó)特色的中強(qiáng)高韌損傷容限鈦合金TC4-DT在西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司實(shí)現(xiàn)大規(guī)格棒材批量化生產(chǎn)，已成功應(yīng)用于我國(guó)新型戰(zhàn)機(jī)等，成為了我國(guó)航空領(lǐng)域的主干鈦合金牌號(hào)；西北有色金屬研究院研制的新型CT20低溫鈦合金管、板、絲材及管件等成功應(yīng)用于我國(guó)新一代航天器中。西北有色金屬研究院研制的特殊耐蝕鈦合金Ti35在核乏燃料后處理設(shè)備中已經(jīng)獲得應(yīng)用，是我國(guó)200 t后處理示范工程設(shè)備用核心材料之一。

　?。?）鈦合金的熔煉技術(shù)得到提升。工業(yè)化鈦合金鑄錠成分的均勻性、一致性能夠得到保證。寶雞鈦業(yè)股份有限責(zé)任公司、西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司、西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司等實(shí)現(xiàn)了SP700、Ti-1023等易偏析鈦合金的3~5 t級(jí)高均質(zhì)鑄錠的工業(yè)化制備，掌握了TC4、Ti80、TA15等常用鈦合金10 t級(jí)超大規(guī)格高均質(zhì)鑄錠的制備技術(shù)。電子束冷床（EB）爐熔煉的多組元鈦合金扁錠的成分均勻性有明顯提升。

　?。?）鈦合金的鍛造技術(shù)水平邁上了新臺(tái)階。國(guó)內(nèi)主要鈦合金公司掌握了TC4、TC21、TC18、TC4-DT、TA15等常用鈦合金高品質(zhì)大規(guī)格鍛坯及棒材的穩(wěn)定化制備技術(shù)，成材率、探傷水平、組織均勻性都獲得了顯著提升。

　　（4）鈦合金板材制備技術(shù)得到提升。生產(chǎn)的TC4、TC4 ELI、Ti70、TA5等鈦合金板材已在我國(guó)重要工程上獲得成功應(yīng)用。西部鈦業(yè)公司開發(fā)出航空用高品質(zhì)TC4鈦合金厚板生產(chǎn)新工藝，使產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性（合格率95%以上）、成材率（原有水平的1.5倍）、生產(chǎn)效率（提升2倍）大幅度提升，使國(guó)內(nèi)高品質(zhì)鈦合金厚板制備技術(shù)得到了跨越式提高，滿足了重大型號(hào)急需。開發(fā)出超大規(guī)格鈦合金厚板制備工藝，制備出42 mm × 3660 mm × 115000 mm國(guó)內(nèi)最大規(guī)格及單重的TC4鈦合金厚板，為深?？臻g站、艦船等裝備對(duì)超大規(guī)格鈦合金構(gòu)件的需求提供支撐。西北有色金屬研究院、西部鈦業(yè)公司、寶鈦股份公司制備的細(xì)晶TC4和TA15等鈦合金超塑板材獲得批量應(yīng)用。

　　西部鈦業(yè)公司開發(fā)出裝甲用低成本高強(qiáng)度Ti-5322鈦合金板材制備技術(shù)，形成可穩(wěn)定化生產(chǎn)的工藝技術(shù)文件?？芍苽湎盗幸?guī)格的裝甲板材，其抗彈性能顯著優(yōu)于Ti-6Al-4V鈦合金，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，成為陸軍四代裝備的選材之一；開發(fā)出裝甲用TC4鈦合金板材制備工藝，抗彈性能優(yōu)于同牌號(hào)航空用鈦合金板材及進(jìn)口材料，滿足了新型號(hào)的研制需求。并將其拓展用于高爾夫球頭，壽命相比TC4合金提升2倍以上。

　?。?）大口徑鈦及鈦合金無(wú)縫管材及彎管制備技術(shù)得以提升。制備出合格的大口徑無(wú)縫管材及彎管，如TA2的外徑大于200 mm、長(zhǎng)度3 m以上的無(wú)縫管，Ti-75、Ti-80和TC4的外徑大于260 mm、長(zhǎng)度3 m以上的無(wú)縫管。

　　（6）鈦合金型材及深加工制品制備技術(shù)得到明顯提升。寶雞鈦業(yè)公司等單位的厚壁鈦合金型材的擠壓制備技術(shù)逐步穩(wěn)定，西北有色金屬研究院等單位制備的鈦膈膜、鈦毛細(xì)管、環(huán)形氣瓶、球形儲(chǔ)箱、藥型罩、絲材、各種管件等制品的尺寸、性能穩(wěn)定性得到提升，并獲得實(shí)際應(yīng)用。寶雞鈦業(yè)公司和中船重工材料研究所成功制備出深潛器的載人球體，實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。西北有色金屬研究院和西部超導(dǎo)公司等開發(fā)出攻堅(jiān)戰(zhàn)斗部用鈦合金材料及其制備技術(shù)，產(chǎn)品已在多個(gè)型號(hào)導(dǎo)彈中批量化裝備，大幅度提升了戰(zhàn)斗部的毀傷威力，是國(guó)內(nèi)首個(gè)使攻堅(jiān)藥型罩性能得到跨越式提升的實(shí)用化輕合金材料，是聚能裝藥戰(zhàn)斗部材料的重大突破。

　?。?）結(jié)合國(guó)家海洋戰(zhàn)略，創(chuàng)新研制海洋環(huán)境應(yīng)用的鈦合金受到高度重視。在國(guó)家相關(guān)項(xiàng)目的支持下，西北有色金屬研究院、中船重工材料研究所等單位已成功研制出強(qiáng)度800、900、1100MPa級(jí)的鈦合金，以及放射性快速衰減的鈦合金，性能達(dá)到指標(biāo)要求，有的已達(dá)到中試規(guī)模，制備出合金棒材、板材、管材等，這些合金均已獲得授權(quán)的發(fā)明專利。

　?。?）在航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫鈦合金方面，由中科院金屬研究所研制的Ti-60合金已經(jīng)在我國(guó)新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)中進(jìn)行應(yīng)用考核，合金也進(jìn)入工程化階段。此外，在現(xiàn)有高溫鈦合金的基礎(chǔ)上，中科院金屬研究所和西北有色金屬研究院等單位分別研制出耐650 ℃的多元固溶強(qiáng)化合金Ti-65和Ti-650，其中Ti-65合金已在航天超高速飛行器中進(jìn)行了試用。

　?。?）航空、航天用高強(qiáng)韌鈦合金方面，主要研制了3類：超高強(qiáng)韌鈦合金、超高強(qiáng)中韌和高強(qiáng)損傷容限鈦合金。超高強(qiáng)韌鈦合金的核心指標(biāo)為：抗拉強(qiáng)度?1300 MPa、延伸率? 6%、斷裂韌性? 55MPa.m1/2，典型合金有西北有色金屬研究院研制的Ti-1300、寶雞鈦業(yè)公司的TB15、北京航空材料研究院的TB17、西部超導(dǎo)公司的TB18、西北工業(yè)大學(xué)的Ti-7333等，這些合金大都進(jìn)行過中試驗(yàn)證和相應(yīng)的應(yīng)用研究；超高強(qiáng)中韌鈦合金的核心指標(biāo)為：抗拉強(qiáng)度?1500MPa、延伸率?5%、斷裂韌性?45MPa.m1/2，西北有色金屬研究院和北京航空材料研究院分別進(jìn)行了研發(fā)，性能指標(biāo)基本達(dá)到；高強(qiáng)損傷容限鈦合金方面，西北有色金屬研究院聯(lián)合北京航空航天大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)在TC21合金的基礎(chǔ)上，研制出Ti-5321合金，其在1200 MPa級(jí)強(qiáng)度水平下斷裂韌性可以達(dá)到70MPa·m1/2以上，基本代表了目前損傷容限鈦合金的最高水平，經(jīng)合金成分設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)室研究、500 kg鑄錠中試擴(kuò)大研究，制備的合金棒材性能為：抗拉強(qiáng)度?1200MPa、延伸率?8%、斷裂韌性?80MPa.m1/2。

　?。?）在兵器領(lǐng)域，圍繞高性能和低成本問題，在Ti-12LC、Ti-8LC和Ti-0.8Al-1.2Fe等低成本鈦合金的基礎(chǔ)上，西部超導(dǎo)公司依托國(guó)家項(xiàng)目，開發(fā)出M36合金，已經(jīng)用于多功能戰(zhàn)斗部的制備。西北有色金屬研究院圍繞返回料的回收利用問題，開發(fā)出Ti-6432、RT154等低成本鈦合金，目前正在進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用性能考核。

　?。?）設(shè)計(jì)開發(fā)出可冷軋中高強(qiáng)鈦合金，基于該合金西部鈦業(yè)公司開發(fā)出直徑200~300mm的大規(guī)格薄壁管及達(dá)到歐盟標(biāo)準(zhǔn)要求的高疲勞壽命自行車車架，其中大規(guī)格管材已用于某導(dǎo)彈殼體。

　?。?）創(chuàng)新性研制的鈦合金已完成性能優(yōu)化、工程化或批量化生產(chǎn)。主要合金有高溫鈦合金Ti-60、Ti-65、Ti-650，高強(qiáng)高韌損傷容限鈦合金TC21，具有我國(guó)特色的中強(qiáng)高韌損傷容限鈦合金TC4-DT，阻燃鈦合金Ti-40，低溫鈦合金CT20，超高強(qiáng)韌鈦合金Ti-1300，高強(qiáng)鈦合金Ti-26，低成本鈦合金Ti-12LC，乏燃料后處理工程用特種耐蝕鈦合金Ti-35，船用鈦合金Ti-70等等，其中TC21、TC4-DT已工業(yè)化大批量生產(chǎn)，Ti-70、CT20已工業(yè)化生產(chǎn)。

　?。?）深化了鈦合金的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，涵蓋鈦合金的設(shè)計(jì)方法、集成計(jì)算、強(qiáng)韌化機(jī)理、相變行為、工藝-組織-性能間關(guān)系、損傷容限機(jī)理、疲勞行為、腐蝕行為等，取得較好的進(jìn)展，發(fā)表了大量的學(xué)術(shù)論文，為合金性能優(yōu)化、工藝改進(jìn)提供了基礎(chǔ)。

　　4、存在的主要問題

　　盡管近5年，鈦合金材料研制取得了一些成績(jī)，為我國(guó)相關(guān)工程提供了大量合格材料、夯實(shí)了基礎(chǔ)研究，但仍然存在一些問題。

　?。?）目前國(guó)內(nèi)從事鈦合金材料研制、產(chǎn)業(yè)化的單位多、科技人員多，但國(guó)家層面項(xiàng)目少、經(jīng)費(fèi)少；并且鈦產(chǎn)業(yè)存在無(wú)序發(fā)展。

　?。?）鈦合金材料成本居高不下，限制了鈦合金的擴(kuò)大應(yīng)用，尤其是在民用、海洋工程、兵器工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用。

　?。?）存在設(shè)計(jì)-材料研制-應(yīng)用研究-應(yīng)用考核方面環(huán)節(jié)脫節(jié)，存在行業(yè)限制；“產(chǎn)-學(xué)-研-用”結(jié)合不緊密，科技成果轉(zhuǎn)化慢。

　　（4）缺少全國(guó)性的科技成果轉(zhuǎn)化平臺(tái)，成果轉(zhuǎn)化的中試工程化能力不足。

　　（5）鈦合金材料的成分、組織、性能均勻性、一致性、批次穩(wěn)定性等有待進(jìn)一步提高。

　?。?）工業(yè)化設(shè)備先進(jìn)，但沒有充分利用。

　?。?）鈦合金材料品種規(guī)格不全，中試工程化程度不足，設(shè)計(jì)部門需要的性能數(shù)據(jù)缺項(xiàng)。

　?。?）重視新合金研制，老合金性能挖潛不足、應(yīng)用少。

　?。?）原創(chuàng)性基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究較弱；高端人才隊(duì)伍不足；

　?。?0）“高、精、尖”高端產(chǎn)品的制備技術(shù)儲(chǔ)備不足，存在“卡脖子”技術(shù)，關(guān)鍵核心技術(shù)沒有完全自主可控。

　　（11）探傷、性能評(píng)價(jià)技術(shù)需要進(jìn)一步提升。

　　5、鈦合金材料的發(fā)展方向

　　（1）鈦合金材料的低成本化技術(shù)是現(xiàn)在和未來(lái)的重要課題。需要通過工藝流程再造、工藝技術(shù)變革、高效短流程工藝、殘廢料大量回收使用、低成本的新工藝和新技術(shù)的應(yīng)用、全流程設(shè)計(jì)、低成本鈦合金研發(fā)等等多個(gè)環(huán)節(jié)，降低鈦合金材料的成本，擴(kuò)大鈦合金材料應(yīng)用范圍和領(lǐng)域。開發(fā)出能夠滿足兵器工業(yè)、海洋工程和民用領(lǐng)域需求的鈦合金材料，建立相應(yīng)的工藝規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)。

　?。?）面向國(guó)家重大需求和國(guó)際前沿技術(shù)及滿足國(guó)防新要求，開展新合金、新技術(shù)、新材料、新產(chǎn)品研發(fā)，強(qiáng)化原創(chuàng)性理論研究及應(yīng)用基礎(chǔ)研究。

　?。?）對(duì)現(xiàn)有鈦合金通過新工藝、新技術(shù)開發(fā)，挖潛合金性能，改善、優(yōu)化合金性能，降低成本，擴(kuò)大應(yīng)用。

　　（4）高度重視中試/工程化的作用，穩(wěn)定鈦合金的批量化生產(chǎn)，攻克科研-中試-產(chǎn)業(yè)各環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)，推動(dòng)科技成果轉(zhuǎn)化，形成國(guó)家級(jí)鈦合金成果轉(zhuǎn)化平臺(tái)。

　　（5）大力發(fā)展“高、精、尖”產(chǎn)品和深加工制品的制備技術(shù)，攻克高端產(chǎn)品，滿足應(yīng)用需求；解決“卡脖子”材料和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)完全自主可控。

　　（6）智能鈦合金材料的研發(fā)，如形狀記憶合金材料、儲(chǔ)氫鈦合金等。

　　（7）嚴(yán)格控制鈦合金材料的質(zhì)量以及質(zhì)量的批次一致性、穩(wěn)定性，確保以航空領(lǐng)域?yàn)榇淼膰?guó)防穩(wěn)定應(yīng)用。

　　（8）增加、提升鈦的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，擴(kuò)大鈦在各行各業(yè)的應(yīng)用，使之成為真正的“第三金屬”。

　?。?）鈦合金材料制造過程的智能化是鈦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向；鈦合金材料的綠色制造，實(shí)現(xiàn)鈦產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。

　?。?0）強(qiáng)化鈦合金近凈成形技術(shù)研究及應(yīng)用。

　?。?1）強(qiáng)化鈦合金材料科研、中試、產(chǎn)業(yè)的協(xié)同創(chuàng)新及共享。

　?。?2）精簡(jiǎn)鈦合金牌號(hào)，發(fā)展主干鈦合金，避免重復(fù)研究。

　?。?3）建立鈦合金材料數(shù)據(jù)庫(kù)及合金設(shè)計(jì)的專家系統(tǒng)，通過集成計(jì)算，指導(dǎo)新合金設(shè)計(jì)。

　　參考文獻(xiàn)（略）

　　趙永慶，博士、教授、博導(dǎo)，國(guó)家萬(wàn)人計(jì)劃科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、國(guó)家973計(jì)劃首席科學(xué)家，國(guó)家重點(diǎn)領(lǐng)域鈦合金研制創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)帶頭人。西北有色院副總工程師。自1991年參加工作一直從事是鈦合金的研發(fā)，主持承擔(dān)包括國(guó)家973計(jì)劃、科技支撐計(jì)劃、863計(jì)劃、自然基金項(xiàng)目等，獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、三等獎(jiǎng)各1項(xiàng)，省部級(jí)科技一等獎(jiǎng)8項(xiàng)；創(chuàng)新研制鈦合金30多種；獲授權(quán)發(fā)明專利81件；第1主編編著《鈦及鈦合金金相圖譜》、《鈦合金相變與熱處理》、《新型合金材料---鈦合金》。榮獲全國(guó)勞模、百千萬(wàn)人才工程國(guó)家級(jí)人選、政府特貼專家、全國(guó)優(yōu)秀科技工作者等榮譽(yù)。

　　研究方向：鈦合金材料。