第4章 钛合金材料
4.1 钛合金产业发展的背景需求及战略意义
4.2 钛合金材料产业的国际发展现状及趋势
4.3 钛合金材料产业的国内发展现状
4.4 发展我国钛合金材料产业的主要任务及存在主要问题
4.5 推动我国钛合金产业发展的对策和建议
4.6 面向国家2035年重大战略需求钛合金材料产业技术预判和战略布局
① 结合国家海洋战略，创新研制海洋环境应用的钛合金受到高度重视。在国家相关项目的支持下，西北有色金属研究院、中船重工材料研究所等单位已成功研制出强度 800MPa、 900MPa 和 1100MPa 级的钛合金，以及放射性快速衰减的钛合金，性能达到指标要求，有的已达到中试规模，制备出合金棒材、板材、管材等，这些合金均已获得授权的发明专利。 ② 在航空发动机用高温钛合金方面，由中国科学院金属研究所研制的 Ti-60 合金已经在我国新型航空发动机中进行应用考核，合金也进入工程化阶段。此外，在现有高温钛合金的基础上，国内相关研究单位研制出耐 650℃的多元固溶强化合金 Ti-65 和 Ti-650，其中 Ti-65 合金已在航天超高速飞行器中进行了试用。 ③ 航空、航天用高强韧钛合金方面，主要研制了 3 类：超高强韧钛合金、超高强中韧和高强损伤容限钛合金。超高强韧钛合金的核心指标为：抗拉强度大于等于 1300MPa、延伸率大于等于 6%、断裂韧性大于等于 55MPa·m1/2，典型的合金有 Ti-1300、TB15、TB17、 TB18、Ti-7333 等，这些合金大都进行过中试验证和相应的应用研究；超高强中韧钛合金 的核心指标为：抗拉强度大于等于1500MPa、延伸率大于等于 5%、断裂韧性大于等于 45MPa·m1/2，西北有色金属研究院和北京航空材料研究院分别进行了研发，性能指标基本达到；高强损伤容限钛合金方面，西北有色金属研究院联合北京航空航天大学、南京工业大学在 TC21 合金的基础上，研制出 Ti-5321 合金，其在1200MPa 级强度水平下断裂韧性可以达到 70MPa·m1/2 以上，经合金成分设计、实验室研究、500kg 铸锭中试扩大研究，制备的合金棒材性能为：抗拉强度大于等于 1200MPa、延伸率大于等于 8%、断裂韧性大于等于 80MPa·m1/2。另外哈尔滨工业大学采用粉末冶金结合原位反应自生技术制备了准连续网状结构钛基复合材料，增强相准连续网状结构分布，可以有效提高“晶界”室温强化效果、抑制 “晶界”高温弱化效果，并有效抑制“晶粒长大”与提高整体协调变形能力，与传统增强相均匀分布钛基复合材料相比塑性提高约 5 倍，服役温度较钛合金提高约 200℃。进一步在相界 处引入纳米增强相制备的两级网状结构钛基复合材料表现出更高的综合性能，蠕变持久断裂时间较钛合金明显提高。研制出了高硬度与高强韧一体化、高弹性模量、超抗氧化、超高强 韧等系列钛基复合材料。 ④ 在兵器领域，围绕高性能和低成本问题，在 Ti-12LC、Ti-8LC 和 Ti-0.8Al-1.2Fe 等低成本钛合金的基础上，西部超导公司依托“装发预研”项目，开发出 M36 合金，已经用于多功能战斗部的制备。西北有色金属研究院围绕返回料的回收利用问题，开发出 Ti-6432、 RT154 等低成本钛合金，目前正在进行相关应用性能考核。 ⑤ 设计开发出可冷轧中高强钛合金，基于该合金西部钛业公司开发出直径 200 ～ 300mm 的大规格薄壁管及达到欧盟标准要求的高疲劳寿命自行车车架，其中大规格管材已用于某导弹壳体。 ⑥ 创新性研制的钛合金已完成性能优化、工程化和批量化生产。主要合金有高温钛合金 Ti-60、Ti-65、Ti-650，高强高韧损伤容限钛合金 TC21，具有我国特色的中强高韧损伤容限钛合金 TC4-DT，阻燃钛合金 Ti-40，低温钛合金 CT20，超高强韧钛合金 Ti-1300，高强钛合金 Ti-26，低成本钛合金 Ti-12LC，乏燃料后处理工程用特种耐腐蚀钛合金 Ti-35，船用钛合金 Ti-70 等，其中 TC21、TC4-DT 已工业化大批量生产，Ti-70、CT20 已工业化生产。 ⑦ 深化了钛合金的应用基础研究，涵盖钛合金的设计方法、集成计算、强韧化机理、相变行为、工艺 - 组织 - 性能间关系、损伤容限机理、疲劳行为、腐蚀行为等，取得较好的进 展，发表了大量的学术论文，为合金性能优化、工艺改进提供了基础。 2015—2020 年，我国钛行业存在同质化、中低端钛产品产能过剩，行业推广应用有待加强，钛及钛合金产品的稳定性与国外还有很大的差距等问题，在航空航天、舰船、核电等重要应用领域还存在瓶颈需要突破。 ① 钛原料的稳定供应和高端市场需求问题。我国钛工业经过几十年的发展，已从 20 世纪的以传统化工（氯碱、纯碱和制盐等）为主要需求的领域，逐渐转向以航空航天、船舶、 海洋工程和高端化工装备为主要需求的领域，钛原料的需求也从原来的以工业级海绵钛（2 级）为主转向以航空级海绵钛（0 级）为主，对钛原料的批次稳定性和质量要求更高。目前国内海绵钛生产原料主要依赖进口，随着航空级海绵钛需求的快速增长，军工行业对原料的 稳定供应和品质提出了更高的要求。由于行业海绵钛生产企业绝大多数没有钛矿砂资源，这也对高端钛产品长期稳定供应、产品质量和成本造成了很大的影响，难以满足未来我国高端 领域用钛合金原料的长期稳定需求。 ② 采选冶工艺有待改进。以化工应用为基础的我国采选冶原料生产工艺，长期存在高品 质原料海绵钛 0 级品率低、批次质量不稳定等因素，造成了钛合金在高端的航空航天等领域批次质量不稳定的问题，为国家“大飞机计划”“空间站计划”“嫦娥计划”“舰船建造计划” 和“核电规划”等项目的实施埋下了隐患。 ③ 钛加工材品质有待提高。如钛合金挤压型材、模锻件、大型钛合金宽厚板、大型钛合金铸件、航空紧固件用钛合金棒丝材等，上述高端领域用钛合金产品的品质与国外还有很大的差距，急需我国钛行业提高产品品质，充分满足国防军工对钛合金的发展需要。 ④ 生产工艺落后。美国、俄罗斯等国在设计许用应力、安全系数选取、合金系研究、腐蚀、抗爆冲击、断裂及疲劳、加工工艺特别是焊接工艺等技术方面仍领先于我国，目前，我国能少量生产几种发动机用钛合金牌号和规格，占发动机用量 30% 左右的钛合金部分还需要进口，或进口发动机。 ⑤ 技术壁垒高。钛合金因为牌号复杂、品种多、规格多、批量小，生产工艺特殊，世界上仅有如俄罗斯、美国等少数几个国家具有原创和较深的技术积累，我国钛合金材料原创性研究偏弱，高端人才队伍不足。我国目前在用的钛合金都是仿制的，很多钛合金的加工工艺掌握不充分，因此，现有牌号的钛合金性能与国外相比还有一定的差距。比如，对质量稳定性和可靠性要求高的民用飞机钛合金材料，90% 以上依靠进口。尽管近 10 年我国也创新研制了不少的钛合金，但成熟度、工程化程度等普遍偏低，设计部门需要的性能数据缺项，尚不能满足要求。 ⑥ 目前国内从事钛合金材料研制、产业化的单位多、科技人员多，但国家层面项目少、 经费少；钛产业存在无序发展。 ⑦ 钛合金材料成本居高不下，限制了钛合金的扩大应用，尤其是在民用、海洋工程、兵器工业等领域的应用。 ⑧ 存在设计 - 材料研制 - 应用研究 - 应用考核方面环节脱节，存在行业限制；产学研用结合不紧密，科技成果转化慢。 针对钛合金材料产业存在的主要问题，钛行业的主要任务是： ① 提升原材料冶金的技术水平，稳定钛原料的质量，满足高端市场的需求。② 强化原创性研究和钛加工材工艺 - 组织 - 性能关系研究，掌握其规律，攻克相关的关键技术，提升钛合金加工材品质，满足国防的发展需求。 ③ 强化钛合金材料的工程化研究，提升钛合金材料的成熟度，满足设计需求。 ④ 在国家相关部门的统一规划下，使钛合金产业能够有序发展。 ⑤ 大力发展钛合金材料的低成本制备技术，制造出价格适宜的钛合金材料，满足海洋工程、兵器工业、民用等领域的应用需求。 ⑥ 强化钛合金材料的政产学研用有机结合，推动钛合金材料的科技成果快速转化。 ① 为了满足我国航空航天等高端领域的长期需求，建议国家制定国家战略，从钛砂矿入 手，整合中国钛产业链，在政局稳定的国家收购高品质的钛砂矿资源，满足国内长期高端领 域的高品质原料稳定供应。
② 通过引进国外钛行业的先进技术和工艺装备，改造目前的钛渣及海绵钛生产技术和设 备，提高海绵钛的 0 级品率和批次稳定性；另外，整合目前的国内钛加工企业，从熔炼、开 坯、锻造、轧制、挤压等每个环节完善钛合金加工生产工艺，形成批次稳定的高品质钛加工 材批量供应渠道，形成高端航空航天钛合金加工材供应体系。
③ 设立钛合金材料研发的创新联合体，协同攻坚。在“十四五”的开局之年，把握创新 驱动发展、军民融合发展和科技兴军战略的交汇点，设立“钛合金材料研发的创新联合体”， 集中国内钛合金材料研发的优势团队、人才，协同攻关，突破行业发展的瓶颈技术。同时， 建立钛材料的表征评价中心；建立应用技术基础数据库，整体规划并积极推进钛合金材料在 军工装备中的应用。
④ 钛合金材料的低成本化技术是现在和未来的重要课题。需要通过工艺流程再造、工艺 技术变革、高效短流程工艺、残废料大量回收使用、低成本的新工艺和新技术的应用、全流 程设计、低成本钛合金研发等多个环节，降低钛合金材料的成本，扩大钛合金材料应用范围 和领域。开发出能够满足兵器工业、海洋工程和民用领域需求的钛合金材料，建立相应的工 艺规范、标准。
⑤ 面向国家重大需求和国际前沿技术及满足国防新要求，开展新合金、新技术、新材料、新产品研发，强化原创性理论研究及应用基础研究。
⑥ 对现有钛合金通过新工艺、新技术开发，挖掘合金性能，改善、优化合金性能，降低 成本，扩大应用。
⑦ 高度重视中试 / 工程化的作用，稳定钛合金的批量化生产，攻克科研 - 中试 - 产业各 环节的关键技术，推动科技成果转化，形成国家级钛合金成果转化平台。
⑧ 大力发展高精尖产品和深加工制品的制备技术，攻克高端产品，满足应用需求。主要 产品应该有：高强度管材、薄壁型材、箔材、高质量超长管、超大规格棒材、宽幅厚板 / 薄 板、高质量丝材、隔膜、各类型管件、球形储箱、环形气瓶、药型罩、紧固件等。解决“卡 脖子”材料和技术，实现完全自主可控。
⑨ 智能钛合金材料的研发，如形状记忆合金管接头、储氢钛合金等。
⑩ 严格控制钛合金材料的质量以及质量的批次一致性、稳定性，确保以航空领域为代表 的国防稳定应用。
钛合金材料制造过程的智能化是钛产业的发展方向；钛合金材料的绿色制造，实现钛 产业持续健康发展。l 建立钛合金材料数据库及合金设计的专家系统，通过集成计算，指导新合金设计。
面向国家2035年重大战略需求钛合金材料产业技术预判和战略布局
① 钛合金材料的低成本化制备技术将获得突破，海绵钛和钛加工材的成本将降低 40% 以上，钛合金材料的应用领域更加广泛。
② 对钛合金的成分 - 工艺 - 组织 - 性能之间的关系理解更加深入，钛合金材料产品的质量一致性、稳定性大幅提高，能够国家工程的 80% 以上需求。
③ 高精尖产品和深加工制品的制备技术日趋成熟，其品种、规格更加齐全，突破“卡脖 子”材料和技术，满足国家工程需要。
④ 钛合金材料工业化批量生产的企业自动化程度明显提升，产业聚集度明显，产业链完整，具备关键设备自我制造的能力。
⑤ 钛合金材料产业的产学研用更加有机合作，科学研究 - 实验室验证 - 中试验证 - 工程 化 - 产业化 - 应用各环节更加畅通。
⑥ 高端人才聚集，技术工人聚集，钛的科技、产业发展更加健康。
4.6.2 战略布局
① 海绵钛批量化生产更加向辽宁地区聚集，产量应占全国的 60% 以上；
② 钛锭、钛棒、钛丝材、钛板、钛型材和其他各类制品的批量化生产更加向陕西聚集， 产量应占全国的 75% 以上；
③ 钛管材批量生产更加向长三角地区聚集，产量应占全国的 50% 以上；
④ 在陕西形成钛加工材制造中心，使钛合金材料研发、工业化批量生产的高端人才、高级技师聚集于此，发挥更好的协同创新作用。
赵永庆，西北有色金属研究院副总工程师，教授级高级工程师，国家万人计划科技创新领军人才， 全国劳模，国家钛合金研制创新团队带头人，全国优秀科技工作者等，长期从事钛合金材料研发。获国家科技进步二、三等奖各 1 项，省部级一等奖 8 项，出版钛合金专著 5 部，授权发明专利 88 项，发表 SCI 论文近 400 篇。
辛社伟，博士，教授级高级工程师，西北有色金属研究院钛合金研究所副所长。长期致力于钛合金设计、制备和应用的工艺研究和技术基础研究，开发了多种新型钛合金及钛合金特种加工技术。主持和参与了 30 余项国家和省部级项目。
来源：增材制造硕博联盟
