摘要 鈦合金是一種“新”的金屬，它廣泛應用于航空航天、電力、化工等領(lǐng)域。鈦合金制品不僅尺寸精度高，而且具有優(yōu)良的特性和高的穩(wěn)定性。鈦合金屬于難鍛材，易產(chǎn)生裂紋，因此在鈦合金鍛件生產(chǎn)中最重要的就是對鍛造溫度和塑性變形進行適當?shù)目刂疲ｅ懗蔀橹苽溻伜辖鸾Y(jié)構(gòu)件的一種重要手段。
關(guān)鍵詞 鈦合金；性能；現(xiàn)狀；趨勢
鈦合金由于具有比強度高、使用范圍廣、抗腐蝕性好和良好的加工性能等，被廣泛應用于航空航天及其發(fā)動機結(jié)構(gòu)中。世界鈦產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，其中50%的市場份額屬于航空工業(yè)。從工業(yè)價值和資源壽命的發(fā)展前景來看，它僅次于鐵、鋁而被譽為正在崛起的“第三金屬”。由于鈦合金冷變形困難，模鍛成為制備鈦合金結(jié)構(gòu)件的一種重要手段。由于在飛機上使用的鈦合金鍛件都比較大，因此特大型鈦合金鍛件的生產(chǎn)技術(shù)是必須解決的重大關(guān)鍵技術(shù)。
1 國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢
1.1 國內(nèi)外鈦合金研究概況及發(fā)展趨勢
鈦是二戰(zhàn)后登上世界工業(yè)大舞臺的優(yōu)質(zhì)輕型高強度耐腐蝕結(jié)構(gòu)材料、新型功能材料和重要的生物工程材料。美國的鈦材主要用于航空航天領(lǐng)域，日本的鈦材主要應用于一般民用工業(yè)及民品領(lǐng)域，中國的鈦材主要應用于化工、電力等民用領(lǐng)域。其中美、日兩國的產(chǎn)量約占世界鈦材料總量的70%。
鈦在美國宇航用途最大的方面主要分為軍用機及民用機的機體以及發(fā)動機上的使用。鈦合金用于發(fā)動機的壓氣機、風扇葉片、外殼、發(fā)動機艙、隔板、起落架等。美國F14、F15、F117、B2、F22軍機的用鈦比例分別為：24%，27%，25%，26%，42%，其中1架F15軍機用鈦達
30噸。在民用飛機中，1架波音747飛機用鈦達到42.7噸，SR71偵察機的機身幾乎全由鈦合金組成。鈦制元件在汽車行業(yè)也開始出現(xiàn)了，美國Timet公司在德國大眾汽車公司的新型Lupo FSI汽車上使用了鈦懸簧比標準FSI總重減輕81.6kg。近些年美國正在加快鈦合金在汽車領(lǐng)域方面的研究發(fā)展。
日本鈦應用的特點仍是在民用、化工、電力上。日本在20世紀80年代末就開始研制鈦合金精鑄高爾夫球頭并獲得良好的效果。在建筑業(yè)中，日本在1973年就建造了世界首例鈦屋頂，其中在真光明教堂屋頂上用鈦達90噸以上。現(xiàn)在在上百個建筑物都使用了鈦，使許多重污染地區(qū)、濱海地區(qū)的腐蝕問題得到很好的解決。近幾年，日本致力于在運輸工具中的鈦應用開發(fā)，而且在汽車用鈦方面發(fā)展最快，如2002年鈦在世界汽車工業(yè)中的應用達800噸，日本就占600噸。新開發(fā)的船舶、輪椅、家用熱水器用鈦也正在進行實用化實驗階段。
我國鈦工業(yè)是在黨和政府的關(guān)懷和指導下發(fā)展起來的。1954年開始制取海綿鈦的工藝研究，我國先后建立了以遵義鈦廠為代表的生產(chǎn)單位，以寶雞有色金屬加工廠為代表的鈦材加工單位，以北京有色金屬研究總院為代表的科研力量。近年來我國的鈦材產(chǎn)量增長飛速，1996年鈦產(chǎn)量1500噸，到2006年達到13879噸。中國的鈦材產(chǎn)量占世界鈦工業(yè)的比例上升到了10%。中國鈦材的消費以非航空應用為主，化工、冶金、電力及體育休閑領(lǐng)域占鈦材市場的70%以上。在鈦合金研究方面，西北有色金屬研究院自主研發(fā)的Ti-31，Ti-75，CT20等合金在艦船、航空航天領(lǐng)域以獲得重要工程應用。我國在船用鈦合金方面以實現(xiàn)合金系列化，可以生產(chǎn)低強、中強、高強的13種鈦合金。
目前，鈦合金材料主要的應用領(lǐng)域是航空航天、艦船等軍事部門，在汽車、火車、高樓外墻裝飾等民用領(lǐng)域的應用前景十分廣闊。要使鈦合金能夠廣泛應用，必須降低原材料成本，開發(fā)低成本生產(chǎn)工藝，開發(fā)新的海綿鈦生產(chǎn)工藝，開發(fā)可冷變形的鈦合金；采用先進的熔煉加工技術(shù)和設(shè)備，以提高生產(chǎn)效率。
1.2 國外鍛造的現(xiàn)狀與發(fā)展
1.2.1 國外鍛造現(xiàn)狀
鍛壓是制造業(yè)中金屬成形及加工的一種重要手段，不但可賦予產(chǎn)品一定的結(jié)構(gòu)形狀，而且能直接起到改善和提高產(chǎn)品組織性能的作用。鍛造技術(shù)在西方國家和日本發(fā)展的比較早，并且現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應用到軍用、民用等領(lǐng)域。尤其是在模鍛水平、大鍛件生產(chǎn)、熱模鍛工藝等多個方面發(fā)展非常迅速。在20世紀90年代時，在模鍛件比例方面：美國80%、法國90%、日本88%。在模鍛裝備水平方面：以精密剪切為主，熱模鍛壓力機占成形設(shè)備總數(shù)的50%以上，綜合自動線上生產(chǎn)的鍛件占鍛件總量40%以上。廢品率方面：重要的大鍛件是100%合格，模鍛件的廢品率都在0.5%以下。鍛造工藝自動化水平方面：美國有5085條鍛壓自動線，日本有900條以上。
現(xiàn)在我國鍛件年產(chǎn)量已居世界首位，是鍛件生產(chǎn)大國，但不是生產(chǎn)強國。我國模鍛件為270萬件，模鍛件占鍛件總產(chǎn)量的70%。近10年我國獨立鍛造企業(yè)在增多，民營、合營中小企業(yè)如雨后春筍般出現(xiàn)，許多鍛造專業(yè)生產(chǎn)線已經(jīng)形成，鍛造企業(yè)逐步重視市場運作，已有鍛件成批出口。盡管如此，我國鍛造業(yè)與發(fā)達國家相比存在以下一些問題：
1）企業(yè)數(shù)量多，規(guī)模較小，管理落后。
2）鍛造工藝水平落后。
3）為轎車工業(yè)配套的小型精密鍛件、有色金屬鍛件能力不足。
4）裝備技術(shù)、能源技術(shù)落后，員工作業(yè)環(huán)境差，企業(yè)不符合環(huán)保要求。
5）CAD/CAM/CAE技術(shù)應用不夠廣泛。
6）鍛造產(chǎn)品專業(yè)化程度低。
1.2.2 鈦合金鍛造研究
鈦合金制品的應用不僅要求鍛件尺寸精度高，而且要求材料具有優(yōu)良的特性和高的穩(wěn)定性。鈦合金屬于難鍛材，易產(chǎn)生裂紋，因此在鈦合金鍛件生產(chǎn)中最重要的就是對鍛造溫度和塑性變形進行適當?shù)目刂啤Ｓ捎阝伜辖鹄渥冃卫щy，模鍛成為制備鈦合金結(jié)構(gòu)件的一種重要手段。鈦合金傳統(tǒng)模鍛工藝包括常規(guī)鍛造，β鍛造，亞β鍛造。而傳統(tǒng)的鍛造過程中，因鈦合金的變形抗力對鍛造溫度非常敏感，為減少模具對工件的冷卻，鍛造速度要求很高，速度越高，變形抗力越大，鍛造載荷就越大，同時高速鍛錘使鍛件內(nèi)金屬流動速度太快，毛坯內(nèi)會產(chǎn)生強烈的內(nèi)摩擦，發(fā)生局部溫度升高，鈦合金導熱性能較差，熱量較難迅速散開，造成局部過熱，出現(xiàn)粗大晶粒的過熱組織。
近些年來，準β鍛造、近β鍛造、等溫鍛造、熱模鍛造這些鈦合金模鍛工藝的新發(fā)展解決了傳統(tǒng)工藝的缺陷。準β鍛造工藝的主要特點是：通過控制鈦合金低倍晶粒度，從根本上解決網(wǎng)籃組織塑性偏低的難題，因此可以使大量正在應用的α和α+β型鈦合金的應用水平和使用壽命得到提高，同時大大降低生產(chǎn)成本和能耗。尤其是等溫鍛造的出現(xiàn)，解決了一系列以往難以解決的問題。等溫鍛造是指模具自始自終與工件保持相同的溫度，以低應變速率進行變形的一種鍛造方法。與常規(guī)鍛造相比，等溫鍛造有下列優(yōu)點：
1）等溫鍛造可密切控制鍛件尺寸，能夠鍛出形狀復雜、精度高的鍛件，比常規(guī)鍛造更符合實際需要，節(jié)省了原料，大大減少了機加工，降低了成本。
2）鍛造載荷較小，設(shè)備噸位大大減少，使鍛造高溫合金成為
可能。
3）1步等溫鍛造工序可代替3-4步常規(guī)鍛造工序，減少了鍛造作業(yè)量，提高了效率。
4）容易控制加工參數(shù)，可利用材料的超塑變形特征，產(chǎn)品具有均
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勻一致的微觀組織。
目前發(fā)達國家等溫鍛造硬件已經(jīng)相當成熟，我國經(jīng)過幾十年的發(fā)展，等溫鍛造逐漸在我國的航空航天工業(yè)得到應用。寶鋼、西北工業(yè)大學、南昌航空大學、原機械部機電所等單位利用等溫鍛造工藝已經(jīng)生產(chǎn)了多種TC4、TC11合金的航空精鍛件。隨著CAD/CAE/CAM一體化、人工智能技術(shù)和有限元技術(shù)的發(fā)展，鈦合金的等溫鍛造不僅可以降低成本，而且使成形復雜形狀的精密鍛件成為可能。熱模鍛造作為另一種近凈成形手段，有著與等溫鍛造鈦合金相似的優(yōu)勢，而成本要明顯低于后者，因而具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/div>
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