鈦合金在航天工業(yè)中的應(yīng)用及其材料價(jià)格差異化原因分析

何 鋒，張利軍，任淑平，米 磊

(1.西安航天動(dòng)力機(jī)械有限公司，陜西 西安 710025；2.西安西工大超晶科技發(fā)展有限責(zé)任公司，陜西 西安 710200)

鈦合金材料由于具有高的比強(qiáng)度、優(yōu)異的抗腐蝕性能、良好的耐高溫性能以及與非金屬復(fù)合材料之間理想的裝配相容性等優(yōu)點(diǎn)，使其成為當(dāng)前航空航天工業(yè)、艦船制造工業(yè)、能源化工工業(yè)等領(lǐng)域廣泛使用的金屬結(jié)構(gòu)材料。

航天飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造中考慮最多的就是減重問題，設(shè)計(jì)者都要千方百計(jì)的提高結(jié)構(gòu)效益，同時(shí)要求結(jié)構(gòu)材料具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，如適應(yīng)高溫、高濕、高鹽等腐蝕性服役環(huán)境等。鈦合金材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼制材料，在大幅度降低航空航天飛行器的結(jié)構(gòu)重量的同時(shí)可提高航空航天飛行器結(jié)構(gòu)的抗腐蝕損壞能力，對(duì)增加航空航天飛行器航射程、降低燃料消耗、延長服役壽命、提高服役可靠性等方面均具有重要意義[1-4]。

因此，鈦合金材料自產(chǎn)生以來特別受到航空航天飛行器設(shè)計(jì)者的青睞，但是鈦合金材料的成本一直以來較傳統(tǒng)的鋼質(zhì)材料、鋁質(zhì)材料高出數(shù)倍，在一定程度上限制了鈦合金材料的大面積推廣應(yīng)用。而且目前市場上不同廠家生產(chǎn)的同一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的鈦合金材料價(jià)格差異也較大，本文對(duì)航天飛行器結(jié)構(gòu)用鈦合金進(jìn)行了簡單概述，同時(shí)就目前不同廠家之間鈦合金材料制造成本差異的深層次原因進(jìn)行了探討分析[3-8]。

1 鈦合金材料在航天工業(yè)中的應(yīng)用

1.1 鈦合金在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著航天飛行器設(shè)計(jì)對(duì)重量的控制要求越來越苛刻，以固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為代表的航天動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件，越來越多的采用鈦合金材料、復(fù)合材料、高性能鋁合金等輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料制造。常規(guī)結(jié)構(gòu)的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)分為金屬殼體和復(fù)合材料殼體兩種，金屬殼體一般由前后接頭、前后封頭、前后裙框以及圓筒段組焊而成，復(fù)合材料殼體一般由前后接頭、前后封頭、前后裙框以及纖維纏繞層組成。鈦合金的正電位性能恰好與碳纖維等非金屬復(fù)合材料相匹配，能夠有效地防止電偶腐蝕，所以鈦合金成為非金屬復(fù)合材料的最佳支撐結(jié)構(gòu)材料，目前一部分先進(jìn)的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)所使用的復(fù)合材料殼體的前后接頭、前后封頭、前后裙框等支撐部件均采用鈦合金材料制造，常見的材料牌號(hào)有TC4、TC6、TC11等鈦合金。

噴管是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，在使用過程中承受著高溫高壓的嚴(yán)苛考驗(yàn)，噴管分收斂段和擴(kuò)張段兩部分組成，這兩部分外層均為金屬支撐件、內(nèi)層均為非金屬耐燒蝕件，目前絕大部分的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管殼體的金屬件采用TC4、TC8、TC11等鈦合金材料制造[7-10]。

1.2 鈦合金在空間飛行器動(dòng)力系統(tǒng)中的應(yīng)用

為了實(shí)現(xiàn)空間飛行器的發(fā)射減重及有效降低在軌調(diào)姿的動(dòng)能慣性，目前衛(wèi)星、宇宙飛船等空間飛行器的推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)大量采用鈦合金材料制造其推進(jìn)劑儲(chǔ)箱、推進(jìn)噴管支撐殼體等。

如1993年10月至1996年6月期間發(fā)射的IntelsatⅦ、IntelsatⅦA系列國際通信衛(wèi)星，其上的兩個(gè)推進(jìn)劑儲(chǔ)箱均采用鈦合金材料制造。貯箱直徑1244.6mm，Ⅶ型的是球形的，ⅦA型的是柱形的，即在Ⅶ型的是球形基礎(chǔ)的上下半球之間增加了高度288.6mm的圓柱段，以增加有效容積，貯箱采用Ti-6Al-4V鈦合金板材熱壓工藝制造的上半球、下半球以及環(huán)鍛工藝制造的圓柱度段焊接而成，其推進(jìn)劑管理裝置由100多個(gè)金屬零件組焊而成，凈重5.8kg，其上所有零部件基本都是采用純鈦材料和鈦合金材料制造而成。

“東方紅三號(hào)”衛(wèi)星是我國新一代的通信衛(wèi)星，主要用于傳輸電視、電話、廣播和其他數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，使用DK600-3推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)，該系統(tǒng)的兩個(gè)球形表面張力貯箱同樣也采用鈦合金材料制造。日本2003年發(fā)射的MUSES-C小行星探測器，其推進(jìn)劑管理系統(tǒng)同樣采用鈦合金材料制造壓力容器[11]。

1.3 鈦合金在導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中的應(yīng)用

導(dǎo)彈武器系統(tǒng)為了減輕其發(fā)射重量、增加射程以及提高結(jié)構(gòu)件使用溫度，也開始大量使用鈦合金材料替代傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)鋼、鋁合金等材料。如新一代的巡航導(dǎo)彈飛行速度由過去的0.8馬赫提高到3.5馬赫甚至更高，導(dǎo)彈的表面溫度達(dá)到300℃～650℃，傳統(tǒng)鋁合金材料制造的隔框、蒙皮、油箱等無法滿足要求，必須使用鈦合金材料制造這些導(dǎo)彈部件。同樣巡航導(dǎo)彈使用的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)也大量使用鈦合金材料制造其結(jié)構(gòu)部件，包括壓氣機(jī)機(jī)匣、壓氣機(jī)盤、壓氣機(jī)葉片等部件。

隨著艦艇防護(hù)裝甲能力的不斷提升與建造結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化改進(jìn)，其對(duì)于反艦彈道的對(duì)抗能力不斷提升，為了進(jìn)一步提升反艦導(dǎo)彈對(duì)艦艇的殺傷威力，反艦導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部類型趨向于半穿甲型的方向發(fā)展。

如俄羅斯新一代“寶石”反艦導(dǎo)彈采用200kg級(jí)的半穿甲爆破型戰(zhàn)斗部、俄羅斯“現(xiàn)代”級(jí)驅(qū)逐艦裝備的“馬斯基特”超音速反艦導(dǎo)彈采用的是300kg的半穿甲爆破型戰(zhàn)斗部。半穿甲型戰(zhàn)斗部需要在保證彈體強(qiáng)度的前提下穿透數(shù)層船板，殼體大都采用較厚的高強(qiáng)高韌合金材料制造，其裝填系數(shù)在20%～40%。一般來說，硬侵徹型半穿甲戰(zhàn)斗部的殼體由結(jié)構(gòu)鋼材料制成，常見的如30CrMnSiA、G50、971鋼、82鋼等。

但是，近年來為了減輕整彈質(zhì)量、增加戰(zhàn)斗部裝藥量（提高裝填系數(shù)）、加強(qiáng)毀傷能力以及滿足超音速飛行帶來的高溫效應(yīng)等，一些先進(jìn)的導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部開始使用鈦合金材料制造，如美國的“施拉姆”AGB-84H、“戰(zhàn)斧”Ⅱ等。俄羅斯經(jīng)驗(yàn)表明，半穿甲戰(zhàn)斗部殼體改用高強(qiáng)度、高韌性、密度相對(duì)較低的鈦合金材料后，裝填系數(shù)可提高到50%，戰(zhàn)斗部的毀傷威力顯著提高[2-11]。

2 鈦合金材料價(jià)格差異化原因分析

鈦合金是指以鈦為基體，為了獲得特定的強(qiáng)度性能、抗氧化性能、耐腐蝕性能、加工性能等具體要求，特意加入一種或幾種其它元素，常見的有鋁、釩、鉬、錫、鋯、鉭、鈮等合金元素，生產(chǎn)鈦合金的原料主要分為海綿鈦、中間合金以及純金屬三大類。

目前，鈦合金鑄錠的生產(chǎn)工藝主要使用真空自耗電?。╒AR）爐熔煉法。

真空自耗電弧熔煉技術(shù)是一種成熟的工業(yè)熔煉方法，其特點(diǎn)是熔煉速度快，可生產(chǎn)大型鑄錠，鈦合金鑄錠真空自耗熔煉工藝流程見圖1[12-14]。

圖1 鈦合金鑄錠生產(chǎn)工藝流程圖

2.1 熔煉工藝對(duì)鈦合金鑄錠成本的影響

為了保證鈦合金鑄錠的致密性和純度以及良好的成分均勻性，鈦合金鑄錠一般要求熔煉次數(shù)不得少于兩次，一些特定用途的鈦合金材料如TC11、TA15等標(biāo)準(zhǔn)要求其必須熔煉三次。

一次熔煉的目的是合金基體初步均勻化以及去除大部分有害的揮發(fā)性雜質(zhì)，一次錠作為二次熔煉的自耗電極；二次熔煉使合金中所有合金成分均勻分布、獲得質(zhì)量良好的鑄錠，而三次熔煉的目的是為了獲得成分更加均勻一致的優(yōu)質(zhì)鈦合金鑄錠。依據(jù)目前工業(yè)化鈦合金鑄錠制造成本核算，鈦合金鑄錠在工業(yè)批量化生產(chǎn)過程中每次熔煉的制造成本在5.00元/kg上下浮動(dòng)，以TC4鈦合金鑄錠為例計(jì)算，一般的企業(yè)為了節(jié)約生產(chǎn)成本均采用二次真空自耗熔煉工藝，即鑄錠每公斤熔煉制造成本約為10.00元；而一些對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有較為嚴(yán)格要求的企業(yè)則采用三次真空自耗熔煉工藝，即鑄錠每公斤熔煉制造成本約為15.00元。

可以看出鈦合金鑄錠采用三次熔煉工藝較二次熔煉工藝可增加成本5.00/kg，但是產(chǎn)品的成分均勻性可進(jìn)一步提升，鑄錠質(zhì)量可靠性增加。

2.2 使用原材料對(duì)鈦合金鑄錠成本的影響

2.2.1 海綿鈦級(jí)別與粒度對(duì)鈦合金鑄錠成本的影響

海綿鈦是鈦合金鑄錠生產(chǎn)的最主要原材料，所有的鈦合金材料及制品訂貨標(biāo)準(zhǔn)中均沒有對(duì)鈦合金鑄錠生產(chǎn)所用的海綿鈦等級(jí)和粒度做出明確規(guī)定，但是海綿鈦的等級(jí)和粒度對(duì)鈦合金鑄錠的質(zhì)量有著非常顯著的影響[15]。見圖2。

圖2 海綿鈦生產(chǎn)工藝流程圖

GB/T 2524-2010《海綿鈦》標(biāo)準(zhǔn)中將海綿鈦分為0A級(jí)、0級(jí)、1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)、4級(jí)、5級(jí)共7個(gè)等級(jí)，標(biāo)準(zhǔn)中要求海綿鈦產(chǎn)品粒度在0.83mm～25.4mm范圍內(nèi)。理論計(jì)算與工程實(shí)踐表明，選用0級(jí)、1級(jí)、2級(jí)甚至3級(jí)、4級(jí)的海綿鈦均可以生產(chǎn)出化學(xué)成分符合GB/T 3620.1標(biāo)準(zhǔn)的鈦合金鑄錠。

但是，了解目前海綿鈦的生產(chǎn)工藝之后可以發(fā)現(xiàn)，海綿鈦坨生產(chǎn)出來之后將居于中部的雜質(zhì)元素低、硬度低的切割破損為0級(jí)、1級(jí)海綿鈦，其余靠近邊部雜質(zhì)含量高、硬度高的切割破碎為2級(jí)甚至3級(jí)、4級(jí)海綿鈦。鎂還原法生產(chǎn)海綿鈦過程中可能進(jìn)入空氣，使海綿鈦產(chǎn)生一些氧化或氮化物，包括其它途徑帶入的雜質(zhì)鐵、雜質(zhì)碳等，這些有害物質(zhì)一般位于海綿鈦坨的邊部和上下部區(qū)域，在后期的鑄錠熔煉過程中極易形成夾雜等冶金缺陷。

所以選用0級(jí)、1級(jí)海綿鈦與選用1級(jí)以下等級(jí)海綿鈦熔煉生產(chǎn)的鈦合金鑄錠雖然化學(xué)成分均可符合標(biāo)準(zhǔn)范圍要求，但是從可能形成潛在冶金缺陷等角度分析，具有顯著的質(zhì)量差異，從鑄錠制造成本上核算，1級(jí)海綿鈦較2級(jí)海綿鈦每公斤增加成本2.00元。

大量工程實(shí)踐表明，鈦合金鑄錠中的局部富鈦偏析往往與海綿鈦的粒度過大、顆粒密度過高有直接關(guān)系。鑒于此，一些廠家為了獲得質(zhì)量優(yōu)質(zhì)的鈦合金鑄錠，特別是軍工產(chǎn)品用鑄錠，采用小顆粒的海綿鈦原材料，即海綿鈦的粒度由標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.83mm～25.4mm范圍進(jìn)一步縮小為0.83mm～12.7mm的范圍。海綿鈦粒度減小后一是有利于混料的均勻性，二是熔煉過程中，顆粒與液相接觸面增大、下沉速度減小利于溶解并均勻化，防止出現(xiàn)富鈦偏析類缺陷。但是，小顆粒海綿鈦的采購成本較標(biāo)準(zhǔn)顆粒海綿鈦增加5.00元/kg。

2.2.2 中間合金制造工藝對(duì)鈦合金鑄錠成本的影響

中間合金是指為了改善加入合金組元的熔煉條件和生產(chǎn)成本，生產(chǎn)的熔點(diǎn)、密度與純鈦接近的兩元或多元合金添加劑[16]。像V元素一樣，雖然熔點(diǎn)、密度均與鈦的接近，但是由于純金屬釩的價(jià)格昂貴，仍然選用價(jià)格較為低廉的Al-V中間合金加入，不僅成本大為降低，且Al-V中間合金的熔點(diǎn)、密度更為接近鈦的，鈦合金生產(chǎn)常用的中間合金見表1。

表1 鈦合金鑄錠生產(chǎn)常用中間合金

Al-Mo、Al-V等中間合金的制備工藝主要是金屬熱還原工藝法（即一步法），原理是利用一定數(shù)量的還原劑，在適當(dāng)?shù)臏囟认?，將氧化物進(jìn)行還原，以制備出所需的中間合金料，該方法具有操作簡單、反應(yīng)迅速、制造成本低等優(yōu)勢，一般是采用鋁作為還原劑，還原氧化鉬、氧化釩、氧化鈮等制備出鋁鉬中間合金、鋁釩中間合金、鋁鈮中間合金。為了保證中間合金產(chǎn)品的成分均勻性和進(jìn)一步降低其有害雜質(zhì)元素含量，對(duì)于一些品質(zhì)要求高的產(chǎn)品還需要進(jìn)行二次真空感應(yīng)熔煉（即二步法），對(duì)一步法生產(chǎn)的中間合金鑄錠進(jìn)行表面處理后，破碎成符合工藝要求的粒度，再在真空中頻爐中進(jìn)行進(jìn)一步熔煉，在一定的溫度、壓力和磁場攪拌下，使合金中的氣體雜質(zhì)元素進(jìn)一步去除降低，尤其是氧元素，同時(shí)使合金的成分更加均勻一致，典型的Al-Mo中間合金生產(chǎn)工藝流程見圖3。

圖3 中間合金生產(chǎn)工藝流程圖

目前的市場報(bào)價(jià)，二步法生產(chǎn)的中間合金較一步法價(jià)格每公斤增加30.00元左右，所以選用質(zhì)量優(yōu)良的二步法中間合金生產(chǎn)鈦合金鑄錠較選用一步法中間合金成本明顯增加。

2.3 鈦合金材料綜合制造成本計(jì)算分析

鈦合金鑄錠制造成本構(gòu)成主要由真空熔煉費(fèi)用以及原材料（海綿鈦、中間合金等）費(fèi)用兩大部分構(gòu)成，通過以上分析可以看出，真空熔煉費(fèi)用的高低由熔煉次數(shù)決定，海綿鈦價(jià)格的高低由其等級(jí)與粒度決定，中間合金價(jià)格的高低由其制備工藝決定，下面以最常見的TC4鈦合金為例來計(jì)算不同熔煉工藝以及原材料選擇對(duì)成品鑄錠以及最終鍛件的制造成本影響。

表2 TC4鈦合金鑄錠制造成本構(gòu)成--制造組合方式1

表3 TC4鈦合金鑄錠制造成本構(gòu)成--制造組合方式2

表4 TC4鈦合金鑄錠制造成本構(gòu)成--制造組合方式3

表5 制造組合方式對(duì)TC4鈦合金鍛件成本的影響

從表2可以看出，采用二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)顆粒海綿鈦、一步法中間合金并采用兩次真空自耗熔煉生產(chǎn)的TC4鈦合金毛錠制造成本為98.72元/kg，而從表4可以看出，采用一級(jí)小顆粒海綿鈦、二步法中間合金并三次真空自耗熔煉生產(chǎn)的TC4鈦合金毛錠制造成本為113.04元/kg，相差14.32元/kg；如果按照工程實(shí)踐粗略統(tǒng)計(jì)的成品鍛件/毛錠40%左右的成材率計(jì)算，最終鍛件的制造成本差異高達(dá)35.60元/kg，見表5。

工程實(shí)踐表明，表2與表4兩種制造組合方式生產(chǎn)的TC4鈦合金鑄錠甚至其成品鍛件按照國標(biāo)檢測宏觀學(xué)成分、常規(guī)力學(xué)性能等均可滿足要求。

但是表4制造方式生產(chǎn)的鈦合金鑄錠其微區(qū)的化學(xué)成分均勻性更好、有害雜質(zhì)元素含量更低。

所以，對(duì)于航天飛行器壓力容器、飛機(jī)關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)件、航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)部件等具有高可靠性、長壽命、高疲勞性能要求的產(chǎn)品，使用表4方式生產(chǎn)的鈦合金材料更為安全可靠。

3 結(jié)語

目前，多數(shù)鈦合金材料的需求方在采購過程中以比價(jià)采購為主，即在滿足訂貨技術(shù)規(guī)范和進(jìn)度的前提下最低價(jià)中標(biāo)。

在實(shí)際工作當(dāng)中，鈦合金材料需求方的訂貨技術(shù)規(guī)范較為寬泛，多數(shù)情況下并沒有對(duì)鈦合金材料的預(yù)期用途和制造工藝、使用原材料品質(zhì)等做出明確細(xì)致的要求[17]。

近年來，隨著鈦合金材料生產(chǎn)供貨廠家的日益增多，市場競爭愈加激烈，一些企業(yè)為了中標(biāo)就不惜開展低價(jià)策略，這些企業(yè)往往為了保證盈利就會(huì)采用低品質(zhì)的原材料生產(chǎn)鈦合金鑄錠。而對(duì)品質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)要求高的企業(yè)則會(huì)采用優(yōu)質(zhì)的原材料生產(chǎn)鈦合金鑄錠，往往在競標(biāo)時(shí)因?yàn)閳?bào)價(jià)較高而不易中標(biāo)，這樣在鈦合金材料供應(yīng)商中容易形成劣幣驅(qū)逐良幣的現(xiàn)象。

所以，對(duì)于對(duì)質(zhì)量有嚴(yán)苛要求的航天工業(yè)來說，其使用的鈦合金產(chǎn)品在市場采購時(shí)，不能以低價(jià)中標(biāo)為導(dǎo)向，而是應(yīng)以優(yōu)質(zhì)的質(zhì)量為前提，對(duì)產(chǎn)品的預(yù)期用途和原材料的使用品質(zhì)做出明確的規(guī)定，進(jìn)而再進(jìn)行比價(jià)采購，同時(shí)要確保鈦合金生產(chǎn)企業(yè)具有合理的產(chǎn)品利潤，形成良性循環(huán)，促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量持續(xù)改進(jìn)。