我國航空用鈦合金技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展

朱知壽

(北京航空材料研究院 先進(jìn)鈦合金航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100095)

近十年來，中國鈦及其加工材一方面低端產(chǎn)品產(chǎn)能過剩，另一方面航空用先進(jìn)高性能鈦合金牌號多、成熟度低、規(guī)模小、用量少、價格高，與世界發(fā)達(dá)國家鈦合金高端應(yīng)用水平和用量差距仍然較大。為此，通過新型合金化和綜合強(qiáng)韌化等技術(shù)手段，按體系發(fā)展原則，建立具有中國特色的航空用鈦合金材料體系就顯得十分必要和急迫。本工作介紹了我國鈦產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與存在的主要問題，提出了加強(qiáng)鈦合金在航空高端應(yīng)用技術(shù)研究及高端鈦產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的幾點(diǎn)措施，以及對實(shí)現(xiàn)我國鈦合金從鈦產(chǎn)業(yè)大國向鈦工業(yè)強(qiáng)國轉(zhuǎn)變的幾點(diǎn)建議。

1 鈦合金在航空結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的主要優(yōu)勢

鈦合金因具有密度低(如Ti－6Al－4V 鈦合金密度為4.5g/cm3，是低碳鋼的57%)、比強(qiáng)度高、耐蝕性好、彈性模量低、導(dǎo)熱系數(shù)小、屈強(qiáng)比高(成形回彈大)、無毒無磁性、耐熱性好、抗低溫脆性好、可焊接、生物相容性好、表面活性大、表面可裝飾性強(qiáng)等特性而被廣泛應(yīng)用于多個工業(yè)領(lǐng)域［1～3］。

世界上許多國家都認(rèn)識到鈦合金的重要性，相繼對其進(jìn)行研究開發(fā)，應(yīng)用領(lǐng)域已涉足航空、航天、船舶、化工、石油、汽車、電力、海洋、醫(yī)療、建筑、體育用品、食品機(jī)械、能源、核電和超導(dǎo)等多個行業(yè)。其中航空航天目前乃至今后仍然是鈦合金研究和應(yīng)用占主導(dǎo)地位的領(lǐng)域，而且是用鈦大戶。鈦合金作為當(dāng)代先進(jìn)飛機(jī)和航空發(fā)動機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料之一，主要用于飛機(jī)的起落架部件，機(jī)身的蒙皮、桁條、框、隔熱罩和殼體等，同時也用于發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)盤、葉片、鼓筒、高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、壓氣機(jī)機(jī)匣、罩、軸類等，且使用量不斷增加。先進(jìn)鈦合金的大量使用是新一代飛機(jī)和新型發(fā)動機(jī)先進(jìn)性的顯著標(biāo)志之一，可大幅度提高結(jié)構(gòu)減重效果和安全可靠性。美國等世界發(fā)達(dá)國家的航空用鈦量占鈦產(chǎn)量的50%以上，獨(dú)聯(lián)體和歐洲等國家的鈦產(chǎn)品也主要用于飛機(jī)和航空發(fā)動機(jī)。其中，美國在20 世紀(jì)80年代以后設(shè)計(jì)的各種軍用飛機(jī)中，鈦合金的用量均在占飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量20%以上，這充分說明鈦合金在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的重要戰(zhàn)略地位與作用［4，5］。

2 中國鈦合金產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及存在的主要問題

2.1 中國鈦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

中國鈦及鈦合金產(chǎn)業(yè)在最近的10 多年來得到快速發(fā)展，鈦產(chǎn)量占世界鈦產(chǎn)量的比例自2004年的第四位，發(fā)展到2008年名列世界第二，到2012年我國海綿鈦和鈦加工材產(chǎn)量分別名列世界第一和第二，創(chuàng)歷史新高［6，7］。2012年我國海綿鈦的年產(chǎn)量超過6萬噸，鈦加工材超過5萬噸的規(guī)模。無疑，我國已經(jīng)成為世界鈦產(chǎn)業(yè)大國。

2.2 中國鈦產(chǎn)業(yè)存在的主要問題

首先，我國鈦合金在航空航天的用量偏低、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)比例不合理。雖然中國鈦產(chǎn)量2008年以來超越日本躍居世界第二位，但中國鈦產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理，中國鈦加工材一直是以化工和出口為主，目前用于航空主承力構(gòu)件的鈦合金鍛件半成品產(chǎn)量只占3%左右，如果計(jì)入用于航空航天的棒絲材、板材、管材等半成品，我國鈦合金在航空航天領(lǐng)域的用量為10%左右，這個用量距離世界發(fā)達(dá)國家的鈦合金在航空工業(yè)領(lǐng)域的50%用量差距甚遠(yuǎn)(圖1)。我國鈦合金主要用于化工和體育等領(lǐng)域，其用量占鈦合金消費(fèi)量的50%左右。這表明:中國鈦合金高端應(yīng)用少，大量鈦原材料被加工成純鈦板材和管材等低端非航空產(chǎn)品，難以發(fā)揮出鈦合金寶貴資源應(yīng)有的作用［7，8］。

圖1 中國鈦合金航空高端應(yīng)用比例仍落后國際平均水平Fig.1 The aviation application level and amount of high performance titanium alloys in China still lags behind that of developed countries (a)world titanium alloys using proportion;(b)titanium alloys using proportion in Japan;(c)titanium alloys aviation－using proportion 10% in China

在中國鈦加工材的進(jìn)出口貿(mào)易方面，也不難看出，即使民用鈦加工材產(chǎn)品，我國年進(jìn)口量大于1000t 的主要鈦材品種為鈦管(焊管)和薄板(帶材)，而年出口量大于1000t 的鈦材品種主要為棒材、厚度大于0. 8mm 的板材和軋制管材(見圖2和圖3)［7］。這也說明，我國鈦材深加工產(chǎn)品如薄板及其焊管的生產(chǎn)能力不足、需求卻較大，而國外對棒材(可加工成承力結(jié)構(gòu)件或醫(yī)療植入件等)的需求較大，但棒材還只是半成品，所以，我國在民用鈦加工材的深加工能力和應(yīng)用水平上，仍需要進(jìn)一步提升，以改善進(jìn)出口的鈦加工材產(chǎn)品比例結(jié)構(gòu)。

由此可見，我國鈦工業(yè)產(chǎn)業(yè)升級的壓力仍較大，鈦工業(yè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量仍需要提升。主要表現(xiàn)在如下幾個方面:

(1)我國高品質(zhì)的海綿鈦產(chǎn)量偏低，例如航空優(yōu)質(zhì)鈦材需要的零級海綿鈦生產(chǎn)比例僅為40%，而日本和俄羅斯零級海綿鈦比例達(dá)70%。另外，我國還不能批量生產(chǎn)“90”海綿鈦，而俄羅斯生產(chǎn)“90”級海綿鈦的比例是20%至30%。

圖2 中國自2002年以來鈦加工材的進(jìn)口與出口量Fig.2 The imports and exports of titanium products in China since 2002

(2)我國鈦加工材的品種結(jié)構(gòu)比例不合理，部分產(chǎn)品特別是深加工產(chǎn)品還不能生產(chǎn)，仍需依賴進(jìn)口。例如民用鈦材特別是醫(yī)療體育用鈦產(chǎn)品則以來料加工或進(jìn)口為主。

(3)我國航空等高端鈦產(chǎn)品仍以仿制為主，自主創(chuàng)新產(chǎn)品很少。例如，航空鈦合金一般仍以仿制跟蹤為主，“一材多用”的主干材料不多，自主研發(fā)的中國航空鈦合金材料體系有待完善和技術(shù)成熟度的提升。

圖3 中國自2002年以來鈦管和薄板的進(jìn)口量Fig.3 The import volume of titanium pipes and sheets in China since 2002

(4)我國鈦加工材的產(chǎn)量雖然增長很快，但鈦加工材的質(zhì)量批次不穩(wěn)定、內(nèi)部質(zhì)量控制或表面缺陷偏差仍然是制約其高端應(yīng)用的主要障礙。

(5)目前我國鈦工業(yè)產(chǎn)能過剩較為嚴(yán)重，高附加值產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模小、低端產(chǎn)品產(chǎn)能過剩突出、許多項(xiàng)目重復(fù)建設(shè)存在惡性競爭現(xiàn)象，急需合理規(guī)劃、低碳增效、科學(xué)發(fā)展。例如，2010年中國海綿鈦產(chǎn)能達(dá)到103500t，鈦錠產(chǎn)能達(dá)到89200t，但2010年中國共生產(chǎn)鈦錠46262t，僅發(fā)揮全國熔煉產(chǎn)能的50%，產(chǎn)能過剩問題不可忽視，產(chǎn)業(yè)升級轉(zhuǎn)型迫切。

(6)高綜合性能低成本鈦合金的研制與應(yīng)用滯后于需求，包括鈦合金綠色可持續(xù)加工制造、殘鈦回收技術(shù)與規(guī)范等方面。

3 航空用高端鈦合金產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究與進(jìn)展

航空用鈦合金的技術(shù)水平基本代表了結(jié)構(gòu)用鈦合金的技術(shù)水平，我國鈦產(chǎn)業(yè)是否實(shí)現(xiàn)由“大國”向“強(qiáng)國”的轉(zhuǎn)變主要體現(xiàn)在航空鈦合金的技術(shù)水平上。近十幾年來，我國航空用鈦合金應(yīng)用技術(shù)研究及高端鈦產(chǎn)業(yè)化發(fā)展得以加強(qiáng)，按體系化和系列化原則，研制高綜合性能、低制造成本的主干鈦合金，逐漸擺脫“雜”、“亂”、“散”的被動局面，初步建立中國航空結(jié)構(gòu)用鈦合金材料體系，提高我國鈦合金在航空工業(yè)領(lǐng)域的用量及應(yīng)用水平，推進(jìn)我國鈦合金的綜合技術(shù)水平［8～10］。重點(diǎn)在以下關(guān)鍵技術(shù)或瓶頸問題上開展研究:

(1)從綜合性能優(yōu)化、規(guī)格品種齊全、應(yīng)用規(guī)模擴(kuò)大、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)完善、考核驗(yàn)證數(shù)據(jù)充分等幾個方面提高主干鈦合金的技術(shù)成熟度。通過材料創(chuàng)新和加工工藝創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度、塑性、韌性和疲勞性能等綜合匹配和提升技術(shù)成熟度［8～14］。

(2)堅(jiān)持自主創(chuàng)新、按體系發(fā)展原則，建立具有中國特色的航空用鈦合金材料系列，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級、技術(shù)成熟度提升、減能增效、低成本制造及擴(kuò)大用量等產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用目標(biāo)。

3.1 中國航空用鈦合金材料系列化研究

我國先后發(fā)展了幾十種鈦合金，其中22 種牌號已經(jīng)成熟并批量用于飛機(jī)機(jī)體和發(fā)動機(jī)，建成具有一定規(guī)模的航空鈦合金研制與生產(chǎn)基地，建立整套航空鈦合金材料、熱工藝及理化檢測標(biāo)準(zhǔn)。但存在高綜合性能與一材多用的主干鈦合金牌號不多，鈦合金牌號仿制多、自主研發(fā)不多，產(chǎn)品品種單一，高成熟度鈦合金不多等不足。

因此，為滿足高性能、低成本設(shè)計(jì)使用要求，擴(kuò)大鈦合金用量和應(yīng)用水平，建立中國鈦合金材料體系，使航空裝備關(guān)鍵材料按體系發(fā)展，顯得十分重要和迫切。為此，有關(guān)部門特設(shè)立關(guān)鍵材料技術(shù)系列化研究項(xiàng)目，按體系發(fā)展要求對我國鈦合金材料應(yīng)用進(jìn)行梳理，確定關(guān)鍵主干材料的發(fā)展規(guī)劃(圖4)。

通過材料體系化研究，建立中國航空鈦合金關(guān)鍵主干材料技術(shù)體系。在國家專項(xiàng)預(yù)研和工程化項(xiàng)目的大力支持下，自“九五”以來，按體系發(fā)展的原則，研制并建立低強(qiáng)高塑、中強(qiáng)高韌、高強(qiáng)高韌、超高強(qiáng)韌和損傷容限型等飛機(jī)結(jié)構(gòu)鈦合金材料系列技術(shù)，為建立中國關(guān)鍵主干材料體系奠定基礎(chǔ)(圖5)。

3.2 發(fā)展高綜合性能鈦合金，建立主干材料體系

追求合金的高綜合性能而非高的單一性能，是實(shí)現(xiàn)“一材多用、精簡牌號、降低成本”的基礎(chǔ)。經(jīng)過裝備預(yù)研、材料研制和工程應(yīng)用研究，按先進(jìn)性、成熟性、工藝性與經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)對我國新型飛機(jī)結(jié)構(gòu)鈦合金主干系列牌號進(jìn)行綜合評價，提出全系統(tǒng)或跨領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)鈦合金系列牌號精簡與完善方法，通過綜合性能優(yōu)化、規(guī)格品種齊全、應(yīng)用規(guī)模擴(kuò)大、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)完善、考核驗(yàn)證數(shù)據(jù)充分等幾個方面不斷提高主干鈦合金材料的技術(shù)成熟度。為此，已經(jīng)發(fā)展并在我國新型飛機(jī)上得到廣泛應(yīng)用的主干鈦合金材料有:中強(qiáng)度的TC4－DT/TC4(鍛件、厚板);高強(qiáng)高韌損傷容限型TC21 鈦合金(鍛件);超高強(qiáng)度高韌耐蝕抗氧化BT8 鈦合金(板材、棒材、鍛件、管材、絲材);低強(qiáng)度的TC1/TC2(板材)、Ti45Nb(絲材)、TA18(管材)［15～21］。

經(jīng)過十余年的發(fā)展下，我國在發(fā)展飛機(jī)結(jié)構(gòu)鈦合金主干材料的綜合性能方面，已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平［22～29］，但在綜合穩(wěn)定成熟應(yīng)用方面，仍需要一個很長的過程，在規(guī)?；可a(chǎn)、考核驗(yàn)證和應(yīng)用、配套裝備與使用等方面需要繼續(xù)提升成熟度。

圖4 飛機(jī)結(jié)構(gòu)鈦合金材料按系列發(fā)展結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The development chart of titanium alloys for aircraft structures

圖5 我國幾種新型主干飛機(jī)結(jié)構(gòu)鈦合金材料及其應(yīng)用Fig.5 Several new type and key titanium alloys and their applications for aircraft structures in China

3.3 發(fā)展低成本高性能材料與制造技術(shù)

(1)結(jié)構(gòu)整體化

通過大型裝備與新工藝的結(jié)合，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體化設(shè)計(jì)與制造，確保了安全可靠性。隨著大型壓力機(jī)/高效數(shù)控機(jī)床等裝備的引進(jìn)與使用，使得鈦合金結(jié)構(gòu)整體化成為可能，大大提升鈦合金整體化水平(投影面積由過去的0. 3m2提高到5m2)、結(jié)構(gòu)減重(減少焊縫或連接件數(shù)量)、材料利用率和安全可靠性。目前我國已采用8萬噸和4萬噸大型液壓機(jī)，研制成功TC4－DT 鈦合金飛機(jī)后機(jī)身大型整體框(工藝投影面積達(dá)5m2以上)和機(jī)翼梁模鍛件(長3m 以上)。

(2)材料與制造低成本化

通過新材料與新工藝的綜合應(yīng)用，從低成本材料和低成本制造技術(shù)出發(fā)，實(shí)現(xiàn)全壽命和全過程的低成本化，為擴(kuò)大應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。低成本合金主要是采用低價的Fe 替代V 而降低合金元素成本，來實(shí)現(xiàn)降低成本。表1 為我國在發(fā)展低成本材料技術(shù)的總體情況［30，31］。而低成本制造技術(shù)有新型β 加工、近凈成形(精密鑄造、等溫精密模鍛、超塑成形/擴(kuò)散連接、激光成形、噴射成形、多向鍛造等)、先進(jìn)焊接等途徑［32～35］。

表1 各國研發(fā)的低成本鈦合金Table 1 Low cost titanium alloys developed in different countries

(3)品種系列化研究

品種系列化是一材多用與高綜合性能的結(jié)合。一般具有高綜合性能的鈦合金，才可以實(shí)現(xiàn)品種系列化做到一材多用。例如，經(jīng)過品種系列化研究，TB8 鈦合金已經(jīng)研發(fā)出了包括板材、棒材、絲材、鍛件、鉚釘、螺栓、焊接構(gòu)件等多品種產(chǎn)品(見圖5)，為其跨領(lǐng)域擴(kuò)大應(yīng)用、進(jìn)一步降低成本、提升應(yīng)用技術(shù)成熟度等奠定了良好的基礎(chǔ)。

4 發(fā)展趨勢

我國鈦合金研究和發(fā)展除了遵循“高端發(fā)展”和“低成本制造”的思路外，仍需要在以下方面加強(qiáng)。

4.1 發(fā)展鈦合金材料的回收與再利用技術(shù)

國內(nèi)外在純鈦和TC4(Ti－6Al－4V)等通用型合金的回收與再利用(“殘鈦回收”)方面取得一定的效果，但在“高端”應(yīng)用領(lǐng)域，我國目前仍落后于美國等發(fā)達(dá)國家，所以，為發(fā)展我國的鈦合金材料回收與再利用技術(shù)，需要從源頭和技術(shù)上做好頂層設(shè)計(jì)與長遠(yuǎn)規(guī)劃。

(1)建立自主的航空鈦合金材料體系?！熬喤铺枴?、“一材多用”，只有這樣做回收與再利用才有可能，否則，不同成分但性能相似的牌號混雜，不但增加生產(chǎn)成本，也不利于回收再利用。

(2)建立全套的回收與再利用高端設(shè)備與技術(shù)。

(3)建立回收與再利用材料標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，為質(zhì)量控制與過程控制提供保障。

4.2 發(fā)展高綜合性能鈦合金材料與低成本制造技術(shù)是擴(kuò)大鈦合金應(yīng)用的兩大驅(qū)動力

提高鈦合金材料的高性能、低成本、系列化(通用化)是永恒的主題。提高材料利用率和低成本加工，研究并采用跨領(lǐng)域、軍轉(zhuǎn)民、軍民共用、通用化技術(shù)途徑，是擴(kuò)大鈦合金高端應(yīng)用水平和用量的保證。

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