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
钛及钛合金具有密度小、高比强度、耐高温、耐低温、耐腐蚀、可焊、无磁、生物相容性好等综合优点，是三大轻金属（Al、Mg、Ti）中强度最高、耐热性最好、耐腐蚀最好的材料，被广泛应用于航空、航天、舰船、兵器、化工等领域。 飞机越先进，使用钛量越高。美国第四代战机（四代机）F-22 用钛占结构重量的 41%，其 F-119 发动机用钛量为 39%。F-22 是世界上用钛量最高的战机；大型客机 B-787、 A-380 用钛量分别占结构重量的 15%、10%。钛是航空、航天等高技术领域的支撑性关键材料，对国民经济建设、社会发展和国家安全有重大影响。钛产业水平是国家综合国力的体现。 钛材的熔炼、加工需要一些特殊装备和技术，钛产业属于高技术产业。尽管中国海绵钛产量和钛加工材产量已达到世界第一，但同居世界首位的钢、铝工业相比，钛产业发展相对滞后，有待大力发展，更好地满足国家工程建设需求。大力发展钛产业还有许多关键性技术需要突破。 除航空、航天等大量需求钛合金材料之外，民用领域也大量需要钛合金材料。因钛合金具有优异的耐腐蚀性，我国化工领域用钛一直占加工材总量的 50% 左右。体育休闲、医疗器械、人体植入件、眼镜架、工艺品、建筑、生活用品等也大量用钛。 现代社会发展日新月异，日益追求装备的长寿、安全、高效、节能、环保，追求交通工具的轻量化、高速化、远程化，这些要求成本尚高，但性能优良的钛合金材料提供了巨大的市场机遇和发展空间。2020 年我国钛加工产量历史性地超过 9 万吨，达到 9.7029 万吨，同 比增长了 28.9%，连续 6 年增长，同时 2020 年钛加工材还进口了 6139 吨。预计到“十四五”末的 2025 年我国钛加工材的需求量将达到 15 万～ 20 万吨。我国钛产业需要大力发展，才能更好地满足国家航空、航天、舰船、海洋、兵器、石油化工等领域的需求。 目前世界上具有完备钛合金体系的国家仅有美国、俄罗斯、日本和中国 4 个国家。国外经历长期的发展，已经形成门类齐全、体系完整的钛合金产业，在每一个应用领域，都 有 1 ～ 2 个可供选择的成熟主干钛合金。根据钛合金设计功能的不同，形成了高温钛合金、 高强韧钛合金、耐腐蚀钛合金、低成本钛合金等体系。根据应用领域的不同，形成了航空航天用钛合金、舰船用钛合金、兵器器用钛合金等体系。其设计功能和应用领域对应关系大致为航空航天发动机用高温钛合金、航空航天结构件用高强韧钛合金、舰船用耐腐蚀钛合金和装甲兵器用低成本钛合金。在每一个功能或领域，都有不同牌号的多种钛合金可供选择。 在航空航天领域，钛合金的应用已成为飞机先进性的标志，美国四代机 F-22 用钛量达到 41%。对于发动机用高温钛合金，英国发展得最为成熟，有完整的 IMI 体系，其 400 ～ 600℃ 系列钛合金 Ti-6Al-4V、Ti-6242S、IMI834 已普遍用于罗 - 罗公司等的系列航空发动机以及普惠公司的 PW350 发动机压气机盘及机匣，其性能稳定可靠。俄罗斯航空发动机使用的高温钛合金发展非常完善和成熟，形成了一套完整的钛合金体系，如 500℃下使用的合金有 BT8、 BT9 和 BT8-l，550℃使用的合金有 BT25 和 BT25y，600℃使用的合金有 BT18y 和 BT36。当使用温度超过 600℃时，英国的罗 - 罗公司、美国的 GE 和普惠公司等先进研究主要集中在 Ti-Al 基金属间化合物合金及钛基复合材料，研制的 TiAl 合金、纤维增强钛基复合材料制成的叶环及矢量嘴部件已用于推重比 15 ～ 20 的普惠航空发动机的 XTC-65 IHPTET 验证机上。在机体使用的高强高韧钛合金方面，国外的研究起步较早。目前的研究主要集中在对苏联研制的 BT22 合金的改进型 Ti-5553 及 VST-55531 上，其中 VST-55531 合金成功应用于 A-380 飞机的发 动机吊架的销接结构，Ti-5553 合金成功用于 B-787 的起落架等重要结构件。在航天用低温钛合 金领域，俄罗斯的研究居世界领先水平，其研制的系列 α 低温钛合金 OT4、OT4-1、BT5-1KT 和 ПT-3BKT 等已在航天火箭技术装备中获得大量应用。在船用耐腐蚀钛合金方面俄罗斯处于世界领先水平。1968 年，苏联就建成了世界上第一艘钛合金多功能核动力潜艇（Papa），是钛合金应用于大型海装结构的革命性一步。此后苏联相继建造了一系列钛壳体核动力潜艇，包 括“阿尔法”级核潜艇、“台风”级核潜艇和“北风之神”级核潜艇等。研制成功以 ПT-3В、 ПT-7M 为代表的不同强度级别的系列钛合金，广泛用于船体外壳、声呐导流罩骨架、热交换器和管路等。在钛合金制备低成本化方面，美国钛金属（Timet）公司开发了 Ti-LCB、Ti62S 合金，该合金具有良好的热加工性能，其生产成本较 Ti-6A1-4V 合金降低了 15％～ 20％，实现了装甲车、榴弹炮及迫击炮轻量化。 对于新合金的开发，和国内热衷于新牌号合金开发不同，国外重点在于对已有合金潜力的开发和扩大合金的应用。比如航空发动机用 600℃高温钛合金 IMI834、Ti-1100，从使用到现在 40 余年，没有明确新型耐热钛合金的报道，而国内目前 650℃耐热钛合金已有 Ti-65 和 Ti-650 两个牌号，而且都有验证考核报道。高强钛合金，国外从 BT22 发展到现在 1200MPa 级的 Ti5553 和 Ti55531, 没有 1300MPa 级超高强韧钛合金的报道，而国内目前 1300MPa 级 合金明确报道的就有 Ti-1300、TB15、TB17 和 TB18 4 个牌号。对于实验室研究的新型钛合金，近年来也只有法国相关研究所针对高强钛合金，引入大量共析 β 稳定元素，开发出添加多种共析元素的多元高强钛合金，如 Ti66Nb13Cu8Ni6.8Al6.2、Ti56Cu16.8Ni14.4Sn4.8Ta8、 (Ti65Fe35)97.5Sn2.5，其强度可以达到 2000MPa，但由于制备工艺的特殊性以及不可避免的脆性，无法实现工程应用。在合金设计理论上，国外首先提出了金属材料的基因工程，试图 探索材料成分设计的本源。在钛合金中，国外报道最多的是基于第一原理的 d- 电子合金设 计理论 , 由于在相稳定和模量预测方面的优势，d- 电子合金设计理论在指导生物钛合金设计方面成果显著 , 在结构钛合金设计中，没有成功应用的报道。因此，可以看出，相对于国内， 国外对于新材料的开发着重于挖掘现有材料的潜力和扩大现有材料的应用范围，对于新型钛合金，其设计具有相对明确的理论指导和较为明确的应用目标，合金研制更侧重于工程化应用研究，而非设计新牌号。 在钛合金加工领域，世界先进钛合金加工技术是以美国的 Timet、ATI、RTI 和俄罗斯 VSMPO 等四大公司为代表。在熔炼技术方面主要体现在电子束冷床炉及等离子冷床炉熔炼的进步和发展上，可通过电子束及等离子冷床炉熔炼，结合元素 B 等晶粒细化剂、超声波电磁搅拌系统直接生产出组织细小、成分均匀的钛合金圆锭、扁锭及空心铸锭，直接用于后续的棒材、板材、管材制备，减少了加工流程，缩减了加工周期，降低了成本。此外，国外更侧重于应用现有装备进行相关制备技术的完善和优化，使得整个制备过程更为智能化、规范化。比如钛合金丝材，国外可以直接从铸锭轧制成棒材、细棒并直接连续拉成丝材，整个过程控制规范，智能化程度高，使得制备的丝材无论是尺寸精度，还是组织均匀性和一致性都显著优于国内。对于大型锻件，国外立足于现有装备，开发了局部变形技术，应用较小的设备，实现了超大投影面积锻件的制备。 除传统压延加工方法外，近年来，3D 打印增材制造技术已经成为新的零件制备方法蓬勃发展。增材制造为设计具有高度复杂性的组件提供了可能性，并能够显著提高材料的利用率。Norsk Titanium 公司近期开始供应世界上第一个获得美国联邦航空管理局（FAA）批准的航空级结构 3D 打印钛合金零件。波音公司已经在 B-787-9 的乘客区厨房地板对角线配件中采用了这些 Ti-6Al-4V 零件，这些零件是通过快速等离子沉积（RPD）送丝工艺生产的。特意选取这种非关键零件作为 RPD 制备技术的最初应用，通过对材料和零件的测试，确认打印的零件符合FAA和波音公司的规范。Arconic公司将新技术融入高度复杂的金属产品和工艺方法中， 在多个工艺过程中推进增材制造集成，以提供整体解决方案。除了直接制造零件外，其开发的 Ampliforge 工艺还将增材制造与锻造工艺相结合，制备出满足严格规范和完整性要求的零 件，同时降低近净成型的成本。电子束直接能量沉积（EB-DED）工艺能够生产具有高构建率的大型航空航天零件。该工序后通常会进行热等静压用以修复和闭合潜在的内部缺陷。洛 克希德 - 马丁公司对 EB-DED 零件的研究表明，其拉伸性能的离散度显著降低。近期美国国防部高级研究计划局（DARPA）计划通过考虑成分和微观结构的演变来解析和模拟电子束增材制造过程与由此产生的静态特征之间的相互关系。研究结果和性能模型用于预测 TC4 零件屈服强度误差能够保持在 1% 左右。在这项研究中，同步开发一种用于表征钛及其合金在平方分米尺度上晶体取向的技术，该技术随后推动了空间分辨声学光谱（SRAS）系统的研究。 针对加工成型的低成本化研究，犹他大学开发了一种在氢气气氛中使用 Mg 直接还原 TiO2 粉末的新型制备技术。目前由于 Ti-O 固溶体与 MgO 溶液具有更强的热力学稳定性，因此 Mg 通常被用于在惰性气氛中与氧化钛反应，制备氧含量大于 1%（质量分数）的 Ti 粉末。犹他大学团队报告显示 H2 可以破坏 Ti-O 固溶体的稳定性，从而使得 Mg 从 Ti-O 系统中取得更多氧气，从而制备出含氧量非常低（质量分数小于0.1%）的Ti粉末。氢烧结和相变（HSPT） 是一种用于制造高性能近净钛合金零件的烧结工艺。HSPT 是在氢气气氛中烧结钛粉末块体， 而不是像传统工艺在真空下进行。烧结过程中 H2 的存在会产生超细的微结构，而传统真空烧结会产生较粗的层状结构。随后通过加热 HSPT 的超细微观结构，可以产生球状微观结构， 使得烧结件具有等同于锻态 Ti-6Al-4V 标准的力学性能。研究结果表明，HSPT 工艺生产的 TC4 疲劳极限远优于传统粉末冶金制备的钛合金，与锻态 Ti-6Al-4V 材料相当。 此外，超塑成型和扩散结合（SPF/DB）是国外制造复杂形状、内部加强、内部中空等航空航天结构的经济性方法，包括风扇叶片、机翼、喷嘴、隔热罩等零部件。目前超塑钛合金板材生产厂家主要为 Timet 和 RTI 两家公司，已全面掌握了 Ti-6Al-4V 薄板（厚度为 0.4 ～ 0.5mm）的生产技术，其产品已在波音和空客公司得到大量应用。Timet 公司主要面向波音公司、罗 - 罗公司、联合技术公司（UTC，普惠）和 Snecma 等公司提供钛合金细晶板材产品，其中 60% 以上的产品供应给了民用航空部门。RTI 公司除生产钛合金板材外，还生产超塑成型后的加工产品，其在轧制、超塑成型和扩散焊接领域具备很高的水平。为获得细晶组织和控制板材的各向异性，国外研究者开发出 Ti-6Al-4V 合金超塑板的等温轧制技术， 实现了大的热塑性变形和交叉轧制。目前俄罗斯的 VSMPO、美国的 Timet 和 RMI 三家钛业 巨头均掌握了该技术，并实现了批量稳定生产，加工的 Ti-6Al-4V 合金板材的晶粒尺寸可达 到 5μm 左右，降低了板材的流变应力，使成型温度从 900℃降低到 775℃。由于成型温度降低，减少了 α 层的污染，延长了设备寿命。 国外发达国家钛合金在航空航天等先进装备上得到广泛应用。在航空发动机上，英国、 美国均形成完整的材料体系，400 ～ 600℃系列钛合金已普遍用于罗 - 罗、普惠公司的系列航空发动机上，形成了完整的材料质量控制和材料应用考核体系。在机体用高强韧钛合金方面，目前工程化应用研究主要集中在对苏联研制的BT22合金的改进型Ti-5553及Ti-55531上， 其中 Ti-55531 合金成功应用于 A-380 飞机的发动机吊架结构，Ti-5553 成功用于 B-787 的起落架等重要结构上，均形成完备的材料应用评价和考核体系。也正是由于工程化应用研究充分，国外钛合金在航空航天等高端应用领域一直占主导地位，国际上最先进的四代机 F-22 用钛量达到 41%，其配备的发动机 F-119 用钛达 39%，并且 F-119 发动机也使用了 Alloy C 阻燃钛合金，其用钛量远高于国内先进战机。而且，据 FAA 对 2019—2039 年度的航空预测， 到 2039 年时空中交通流量（即起降次数）将从 2018 年的 5180 万人次增长到 6200 万人次。此外，美国国内市场首次出现了连续 8 年的客运量增长。未来 20 年预计将减少 43000 架商用飞机，其中 73% 将是单通道飞机。美国的钛产量一直在稳步增长，以满足对新型机身和航空发动机不断增长的需求。B-787、B-777 X、B-737 MAX、A-320 NEO、A-350 XWB 等使用 下一代发动机和轻质复合材料的新型节油飞机的大订单正在陆续签订。钛与碳纤维复合材料良好的相容性使得其在含有大量复合材料的新型机身结构中得到了越来越多的使用。在航空市场继续扩张的同时，在航天和其他市场也存在大量使用钛的机会。其中包括开发新的制造工艺以降低成本、提高钛合金的性能以满足新的应用需求，以及开发计算材料模型以减少新合金开发的时间周期和工艺认证速度。 国外发达国家在大力开发军用钛合金的同时，也在不断开发高附加值的民用钛合金制品。美国 Timet 公司于 1998 年投资 500 万美元成立 Titanium X 公司，生产计算机用钛硬盘，年产量约 4.5 亿张。美国实行的 PNGV 十年计划（家用汽车减重 40%），将 Ti 与 Al、Mg 一起推广到汽车，用于汽车的连杆、气门弹簧、消音器、排气管等小部件，而且用于汽车底盘等重负部件。美国用低成本钛合金制成的汽车弹簧已开始批量生产。美国的医用钛制品也是非常先进的，钛心脏起搏器和钛血管支架等产品早已进入我国，一直是医院的畅销产品。自 2012 年以来 Perryman 公司一直在基础建设市场中应用钛合金材料。钛合金近表面支架（NSM）已被证实可以增加桥梁中钢筋混凝土的剪切和弯曲强度。最初的研究是在俄亥俄州立大学进行的，通过全尺寸光束测试来验证这项技术。钛具有高强度、良好的延展性和耐腐蚀性能，能够在几乎没有混凝土覆盖的恶劣环境中使用。在这种应用中钛合金较其他材料更具成本优势。俄亥俄州已在许多桥梁上应用此项技术，并发布了相应的设计指南和 ASTM 规范用于协助设计工程师。俄罗斯也在大力发展钛的民用技术，特别是低成本的钛应用技术，采用的技术主要包括大量回收残钛熔炼技术、大变形量加工技术、近净成型加工技术等。日本钛及钛合金民用技术一直走在世界的前列，钛产品已遍及化工、石化、建筑、医疗（人体植入件、轮 椅）、交通（汽车、摩托车）、体育（高尔夫球杆、网球、渔具、钓鱼船等）、日用电子产品 （照相机、手表、复印机、打字机、手机）、炊具（刀、叉、锅、铲）等各个领域。可以想象， 在未来数十年，欧美国家在保持军用领域巨大需求的同时，将着力开发钛合金的民用市场。最终在国际上形成一种军民齐头并进的局面，极大促进钛产业的发展。 总体来看，国外钛合金产品技术的发展总趋势是：
① 大型优质钛合金坯料制备技术，包括电子束和等离子冷床炉熔炼技术。 ② 近净成型技术重要性越来越高，包括精密铸造、精密模锻、超塑成型／扩散连接、粉末冶金、激光辅助成型等。 ③ 钛的低成本化制备、加工技术，包括海绵钛生产、钛合金高效、短流程钛合金加工技术，单次冷床炉熔炼生产直接轧制技术以及钛带连续加工技术等。 ④ 基于合金成分设计、组织调控基础研究的新型钛合金研制，进一步丰富钛合金体系， 如高强韧损伤容限型钛合金的研制和应用、低成本钛合金研究开发等。 ⑤ 大力发展大规格钛合金产品的制备技术，包括大型钛合金部件的锻造成型、铸造成型、高效可靠焊接成型及大规格钛合金板材及管材的加工生产技术等。 未完待续。。。。
