近五年鈦合金材料研發進展

　　趙永慶

　　西北有色金屬研究院

　　1 前言

　　鈦合金因具有比強度高、耐腐蝕、耐高溫、耐低溫、無磁、可焊、生物相容性好等優異的綜合性能，在航空、航天、核工業、兵器、海洋、石油、化工、醫療、日常生活等眾多領域都有著重要的用途，為越來越多的人所接受。鈦雖然在地殼中含量高，但是由于活性大，提煉困難，需要經過多次氧化還原過程達到工業應用的品位。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，也就是說鈦合金材料制備工藝復雜、流程長等原因致使其成本高，限制了鈦合金在民用等領域的擴大應用，降低成本已成為目前鈦合金發展必須要解決的重要問題之一。近5年，國家及一些省市高度重視鈦合金材料的科技進步，支持了不少科技項目，取得了良好的成果和效益。本文簡要評述近5年國內鈦合金材料在熔煉技術、鍛造技術、軋制技術、新合金研發等方面的主要進展（不包括鈦的金屬間化合物、復合材料、粉末冶金材料、醫用鈦合金等），并指出存在的問題和未來發展方向。

　　近5年，國內鈦合金材料研究、開發及生產相關的人員規模、裝備能力、鈦材的產能、產量都得到擴大，如鈦材產量由2015年的4.86萬t上升到2019年的7.53萬t，增長了55%。經過廣大科技人員的努力，取得了眾多的工程技術成就。

　　（1）開發的多種鈦合金材料成功應用于我國重要工程。如西北有色金屬研究院等創新研制的高強高韌損傷容限鈦合金TC21和具有我國特色的中強高韌損傷容限鈦合金TC4-DT在西部超導材料科技股份有限公司實現大規格棒材批量化生產，已成功應用于我國新型戰機等，成為了我國航空領域的主干鈦合金牌號；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用于我國新一代航天器中。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備中已經獲得應用，是我國200 t后處理示范工程設備用核心材料之一。

　　（2）鈦合金的熔煉技術得到提升。工業化鈦合金鑄錠成分的均勻性、一致性能夠得到保證。寶雞鈦業股份有限責任公司、西部鈦業有限責任公司、西部超導材料科技股份有限公司等實現了SP700、Ti-1023等易偏析鈦合金的3~5 t級高均質鑄錠的工業化制備，掌握了TC4、Ti80、TA15等常用鈦合金10 t級超大規格高均質鑄錠的制備技術。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。

　　（3）鈦合金的鍛造技術水平邁上了新臺階。國內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大規格鍛坯及棒材的穩定化制備技術，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得到提升。生產的TC4、TC4 ELI、Ti70、TA5等鈦合金板材已在我國重要工程上獲得成功應用。西部鈦業公司開發出航空用高品質TC4鈦合金厚板生產新工藝，使產品質量穩定性（合格率95%以上）、成材率（原有水平的1.5倍）、生產效率（提升2倍）大幅度提升，使國內高品質鈦合金厚板制備技術得到了跨越式提高，滿足了重大型號急需。開發出超大規格鈦合金厚板制備工藝，制備出42 mm × 3660 mm × 115000 mm國內最大規格及單重的TC4鈦合金厚板，為深海空間站、艦船等裝備對超大規格鈦合金構件的需求提供支撐。西北有色金屬研究院、西部鈦業公司、寶鈦股份公司制備的細晶TC4和TA15等鈦合金超塑板材獲得批量應用。

　　西部鈦業公司開發出裝甲用低成本高強度Ti-5322鈦合金板材制備技術，形成可穩定化生產的工藝技術文件。可制備系列規格的裝甲板材，其抗彈性能顯著優于Ti-6Al-4V鈦合金，達到國際先進水平，成為陸軍四代裝備的選材之一；開發出裝甲用TC4鈦合金板材制備工藝，抗彈性能優于同牌號航空用鈦合金板材及進口材料，滿足了新型號的研制需求。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。

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

　　（6）鈦合金型材及深加工制品制備技術得到明顯提升。寶雞鈦業公司等單位的厚壁鈦合金型材的擠壓制備技術逐步穩定，西北有色金屬研究院等單位制備的鈦膈膜、鈦毛細管、環形氣瓶、球形儲箱、藥型罩、絲材、各種管件等制品的尺寸、性能穩定性得到提升，并獲得實際應用。寶雞鈦業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，實現了國產化。西北有色金屬研究院和西部超導公司等開發出攻堅戰斗部用鈦合金材料及其制備技術，產品已在多個型號導彈中批量化裝備，大幅度提升了戰斗部的毀傷威力，是國內首個使攻堅藥型罩性能得到跨越式提升的實用化輕合金材料，是聚能裝藥戰斗部材料的重大突破。

　　（1）結合國家海洋戰略，創新研制海洋環境應用的鈦合金受到高度重視。在國家相關項目的支持下，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度800、900、1100MPa級的鈦合金，以及放射性快速衰減的鈦合金，性能達到指標要求，有的已達到中試規模，制備出合金棒材、板材、管材等，這些合金均已獲得授權的發明專利。

　　（2）在航空發動機用高溫鈦合金方面，由中科院金屬研究所研制的Ti-60合金已經在我國新型航空發動機中進行應用考核，合金也進入工程化階段。此外，在現有高溫鈦合金的基礎上，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行了試用。

　　（3）航空、航天用高強韌鈦合金方面，主要研制了3類：超高強韌鈦合金、超高強中韌和高強損傷容限鈦合金。超高強韌鈦合金的核心指標為：抗拉強度?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、寶雞鈦業公司的TB15、北京航空材料研究院的TB17、西部超導公司的TB18、西北工業大學的Ti-7333等，這些合金大都進行過中試驗證和相應的應用研究；超高強中韌鈦合金的核心指標為：抗拉強度?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行了研發，性能指標基本達到；高強損傷容限鈦合金方面，西北有色金屬研究院聯合北京航空航天大學、南京工業大學在TC21合金的基礎上，研制出Ti-5321合金，其在1200 MPa級強度水平下斷裂韌性可以達到70MPa·m1/2以上，基本代表了目前損傷容限鈦合金的最高水平，經合金成分設計、實驗室研究、500 kg鑄錠中試擴大研究，制備的合金棒材性能為：抗拉強度?1200MPa、延伸率?8%、斷裂韌性?80MPa.m1/2。

　　（4）在兵器領域，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上，西部超導公司依托國家項目，開發出M36合金，已經用于多功能戰斗部的制備。西北有色金屬研究院圍繞返回料的回收利用問題，開發出Ti-6432、RT154等低成本鈦合金，目前正在進行相關應用性能考核。

　　（5）設計開發出可冷軋中高強鈦合金，基于該合金西部鈦業公司開發出直徑200~300mm的大規格薄壁管及達到歐盟標準要求的高疲勞壽命自行車車架，其中大規格管材已用于某導彈殼體。

　　（6）創新性研制的鈦合金已完成性能優化、工程化或批量化生產。主要合金有高溫鈦合金Ti-60、Ti-65、Ti-650，高強高韌損傷容限鈦合金TC21，具有我國特色的中強高韌損傷容限鈦合金TC4-DT，阻燃鈦合金Ti-40，低溫鈦合金CT20，超高強韌鈦合金Ti-1300，高強鈦合金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已工業化大批量生產，Ti-70、CT20已工業化生產。

　　（7）深化了鈦合金的應用基礎研究，涵蓋鈦合金的設計方法、集成計算、強韌化機理、相變行為、工藝-組織-性能間關系、損傷容限機理、疲勞行為、腐蝕行為等，取得較好的進展，發表了大量的學術論文，為合金性能優化、工藝改進提供了基礎。

　　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，為我國相關工程提供了大量合格材料、夯實了基礎研究，但仍然存在一些問題。

　　（1）目前國內從事鈦合金材料研制、產業化的單位多、科技人員多，但國家層面項目少、經費少；并且鈦產業存在無序發展。

　　（2）鈦合金材料成本居高不下，限制了鈦合金的擴大應用，尤其是在民用、海洋工程、兵器工業等領域的應用。

　　（3）存在設計-材料研制-應用研究-應用考核方面環節脫節，存在行業限制；“產-學-研-用”結合不緊密，科技成果轉化慢。

　　（4）缺少全國性的科技成果轉化平臺，成果轉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、批次穩定性等有待進一步提高。

　　（6）工業化設備先進，但沒有充分利用。

　　（7）鈦合金材料品種規格不全，中試工程化程度不足，設計部門需要的性能數據缺項。

　　（8）重視新合金研制，老合金性能挖潛不足、應用少。

　　（9）原創性基礎研究和應用基礎研究較弱；高端人才隊伍不足；

　　（10）“高、精、尖”高端產品的制備技術儲備不足，存在“卡脖子”技術，關鍵核心技術沒有完全自主可控。

　　（11）探傷、性能評價技術需要進一步提升。

　　5、鈦合金材料的發展方向

　　（1）鈦合金材料的低成本化技術是現在和未來的重要課題。需要通過工藝流程再造、工藝技術變革、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的應用、全流程設計、低成本鈦合金研發等等多個環節，降低鈦合金材料的成本，擴大鈦合金材料應用范圍和領域。開發出能夠滿足兵器工業、海洋工程和民用領域需求的鈦合金材料，建立相應的工藝規范、標準。

　　（2）面向國家重大需求和國際前沿技術及滿足國防新要求，開展新合金、新技術、新材料、新產品研發，強化原創性理論研究及應用基礎研究。

　　（3）對現有鈦合金通過新工藝、新技術開發，挖潛合金性能，改善、優化合金性能，降低成本，擴大應用。

　　（4）高度重視中試/工程化的作用，穩定鈦合金的批量化生產，攻克科研-中試-產業各環節的關鍵技術，推動科技成果轉化，形成國家級鈦合金成果轉化平臺。

　　（5）大力發展“高、精、尖”產品和深加工制品的制備技術，攻克高端產品，滿足應用需求；解決“卡脖子”材料和技術，實現完全自主可控。

　　（6）智能鈦合金材料的研發，如形狀記憶合金材料、儲氫鈦合金等。

　　（7）嚴格控制鈦合金材料的質量以及質量的批次一致性、穩定性，確保以航空領域為代表的國防穩定應用。

　　（8）增加、提升鈦的服務網絡，擴大鈦在各行各業的應用，使之成為真正的“第三金屬”。

　　（9）鈦合金材料制造過程的智能化是鈦產業的發展方向；鈦合金材料的綠色制造，實現鈦產業持續健康發展。

　　（10）強化鈦合金近凈成形技術研究及應用。

　　（11）強化鈦合金材料科研、中試、產業的協同創新及共享。

　　（12）精簡鈦合金牌號，發展主干鈦合金，避免重復研究。

　　（13）建立鈦合金材料數據庫及合金設計的專家系統，通過集成計算，指導新合金設計。

　　參考文獻（略）

　　趙永慶，博士、教授、博導，國家萬人計劃科技創新領軍人才、國家973計劃首席科學家，國家重點領域鈦合金研制創新團隊帶頭人。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，主持承擔包括國家973計劃、科技支撐計劃、863計劃、自然基金項目等，獲得國家科技進步二等獎、三等獎各1項，省部級科技一等獎8項；創新研制鈦合金30多種；獲授權發明專利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》。榮獲全國勞模、百千萬人才工程國家級人選、政府特貼專家、全國優秀科技工作者等榮譽。

　　研究方向：鈦合金材料。