发布日期：2024-9-29 11:23:21
引 言
钛及钛合金具有质轻、比强度高、耐腐蚀性好，以及卓越的高温和低温性能等特性，是优质的结构材料，在航空、航天、海洋、电力、化工、冶金、轻工、能源、环保等领域具有广泛的应用 [1] 。我国钛合金工业起步于20世纪60年代，经过几十年的发展，其研究、制造水平有了很大的提高，并初步形成了自己的船用钛合金体系，且已能生产板、管、棒、饼、环、丝和铸件等多种形式产品，能满足不同强度级别和不同部位的要求 [2] 。然而，随着工业技术的变革和生产力水平的提升，钛合金的需求和应用范围得到进一步提升，尤其是对高性能低成本钛合金的迫切需求逐渐成为我国现代化工业不得不面临的严峻问题。
本文结合国内外钛合金的生产研究现状，分别综述了高性能钛合金和低成本钛合金的发展现状，并探索了未来高性能低成本钛合金的发展趋势，为实现低成本制备高性能钛合金指明了方向。
1 、高性能钛合金生产应用现状
钛是一种重要的战略金属材料，因其卓越的物理和化学性质，在众多领域内展现出无可替代的优势，被誉为“第三金属”、 “空中金属”、 “海洋金属”以及“智能金属”[2] 。钛的地位日益显赫，其应用范围也不断扩大，特别是在航空航天等高端技术领域，钛及钛合金材料的需求呈现出快速增长的趋势，对材料性能的要求也随之提高。在航空航天领域，钛及钛合金材料不仅需要具备良好的强度与塑性匹配，还必须具备高的断裂韧性、低的裂纹扩展速率、优异的疲劳性能、持久的蠕变性能、高温性能以及高的探伤性能，以满足结构件在损伤容限设计方面的严格要求，从而确保航空航天器的安全性和可靠性 [2] 。另一方面，随着技术的不断进步，对大型薄壁构件用钛板材的需求也在增加。这类宽幅薄板不仅要求具有更高的力学性能，还要求晶粒度更细、表面光洁度更高，以满足后续成型件的精密要求。
这些特性的提升，进一步拓宽了钛材料在航空航天领域的应用范围，同时也推动了钛及钛合金材料加工技术的创新和发展。追求更高的综合性能已经成为航空航天用钛板材发展的主要方向之一。通过不断的技术创新和工艺改进，钛及钛合金材料的应用领域将更加广泛，其在国家战略中的地位也将更加稳固。
1.1 国外高性能钛合金的生产应用现状
在国外，美国 Timet （Titanium Metals Corpora-tion）、RTI（RTI International Metals, Inc.）以及俄罗斯VSMPO（VSMPO-AVISMA）等少数顶尖公司，凭借其在技术和设备上的显著优势，已成功突破了大型钛合金铸锭的高纯净制备技术、宽厚板材和宽幅薄板制备技术的重大挑战。这些技术突破不仅提升了产品的综合性能，还确保了批次的稳定性、可靠性和一致性，为航空工业提供了高质量的材料保障。
Timet公司，作为全球领先的钛及钛合金产品制造商之一，在航空航天领域具有显著的影响力。
公司在全球范围内设有多个生产基地与服务中心，包括在美国和欧洲的战略熔炼和轧制设施，以满足全球市场对高质量钛产品的需求。公司的主要产品涵盖钛及钛合金铸锭、板材、棒材及其他制品，广泛应用于航空航天、工业制造和医疗设备等领域。凭借完整的供应链、精密的研究设备以及数十年的丰富经验，Timet 在全球钛生产商中占据重要地位。此外，公司积极与独立研究机构和大学合作，致力于推动钛材料技术的创新与发展。
RTI公司是全球领先的先进钛合金及其他特种金属产品生产和供应商，服务于商业航空、国防、能源和医疗设备等多个市场，提供从原材料到成品的一整套供应链解决方案。在钛合金领域，RTI拥有显著的技术优势和市场地位，其产品广泛应用于高科技工业领域，包括航空航天、能源、化工和医疗等。此外，RTI还提供工程设计、焊接、切割、锻造、组装等服务，以满足不同客户的多样化需求。凭借在钛合金及其他特种金属领域的深厚技术积累和广泛的市场应用，RTI已成为全球范围内极具影响力的材料供应商之一。
VSMPO公司是全球最早、最大的钛材制造商之一。该公司拥有完整的垂直一体化生产线，能够生产从初级产品（海绵钛）到通用材料产品（如棒、板、线、管、型材），以及锻压成型产品（如锻件、环形件等）。这些产品广泛应用于航空航天、能源化工、船舶汽车以及医疗器械等领域。公司每年向全球超过50个国家和地区供应各类钛材产品，包括钛板、钛棒、无缝管、焊接管、钛型材和钛锻件等。其主要客户包括美国波音公司、欧洲空客公司等国际知名企业。尽管面临国际制裁和政治压力，VSMPO公司依然保持了较高的生产能力，并继续在全球钛材市场中占据重要地位。
综上所述，国外生产商能够批量生产多种品种和规格的钛合金材料，以适应不同航空器和发动机的需求。部分钛合金板材可稳定生产至最薄100 mm 、最宽1 500 mm，极大地扩展了其在航空领域的应用范围。无论是在飞机结构部件还是航空发动机的关键组件中，这些材料的广泛应用充分展示了其高性能和高可靠性，从而赢得了国内外的广泛认可和信任。通过技术创新和严格的质量控制体系，国外厂商确保了产品的高标准和高质量，使其成为全球航空制造商的首选材料。持续的技术发展和市场拓展进一步巩固了上述企业在全球航空钛合金板材市场的领先地位。
1.2 我国高性能钛合金的生产应用现状
在当前阶段，我国生产的相关产品由于受到现有设备能力及工艺技术水平的限制，与国际上发达国家的同类产品相比，存在较为显著的性能差异。具体来说，根据国军标（GJB 2505A-2018）的规定，对于板材产品的常规力学性能和持久性能设定了明确的要求。然而，在探伤标准方面，该标准仅对厚度在670 mm范围内的TA15板材制定了具体的规范，并且这些规范的要求相对较低，仅为A1级别（Φ1.29 dB）。而对于其他类型的板材产品，以及这些产品在实际应用中直接相关的探伤杂波水平、断裂韧性和疲劳性能等方面，现行的国家军用标准并没有给出明确和具体的要求。
以TC4等为代表的高性能钛合金材料，在我国的航空工业中扮演着至关重要的角色 [3] 。这些材料不仅是当前主力飞机、新研发机型、高效发动机以及先进导弹等的关键组成部分，而且在制造过程中对材料的性能要求极高。特别是40~100 mm的钛合金厚板以及0.52 mm的宽幅薄板，因其必要的结构强度和耐高温性能，在大型飞机、新型战斗机、先进导弹和高性能发动机中的应用尤为关键。国内新批产的某型号军用飞机采用的TC4厚板，不仅需要满足高探伤标准（Φ1.212 dB），还必须保持良好的断裂韧性和优异的高温性能，以确保飞机在极端条件下的可靠性和安全性；某新型战斗机用TC4薄板，其板幅宽度达到了1 500 mm，要求良好的超塑/扩散连接性能。这种薄板的使用不仅提高了战机的整体性能，还要求对每一块板材进行严格的探伤检测，以保证最终产品的质量。当前，我国迫切需要实现上述高性能钛合金板材的稳定批量化生产。
2 、低成本钛合金生产应用现状
钛合金，作为一种性能优异的金属材料，在众多领域展现出独特的价值。然而，与钢铁等传统金属材料相比，钛合金的生产成本相对较高，这很大程度上限制了其在民用航空、兵器制造、建筑工程、汽车工业以及其他领域的广泛应用。钛合金的高强度、低密度、良好的耐腐蚀性和耐高温性能使其成为上述领域中的理想材料，但高昂的价格阻碍了它的推广和发展。因此，低成本钛合金的研制工作成为科研工作者和产业界亟待解决的问题。
根据对钛合金产品成本构成的分析，如图所示，钛合金的成本主要取决于原料成本以及熔炼和加工成本 [4] 。在海绵钛生产技术未取得重大突破之前，仅采用价格低廉的合金化元素难以显著降低钛合金的成本。因此，缩短加工制造流程成为当前降低钛合金成本的主要技术途径。
随着EB炉熔炼技术的不断进步和成熟，钛合金的低成本制备成为可能。首先，EB炉极大程度上提高了返回料的利用率。传统真空自耗电弧熔炼（VAR）技术在添加返回料时存在诸多限制，最多只能添加30%的返回料，并且难以有效去除高低密度夹杂物。相比而言，EB炉能够添加70%~80%的返回料，在一定程度上降低了原材料的成本，且提高了材料的综合利用效率。其次，EB炉在熔炼过程中能够一次性熔炼出铸锭，与VAR技术相比，后者至少需要熔炼两次才能达到相同的效果。减少熔炼次数不仅缩短了生产周期，还直接降低了熔炼成本，从而提高了生产效率。此外，EB炉具备熔炼扁锭的能力，加工流程相较VAR熔炼而言更为直接和高效。VAR熔炼出的圆锭需要经过开坯锻造成板坯后才能轧制板材，增加了中间环节的成本和消耗；而EB炉显著缩短了加工流程，降低了中间消耗，进而而显著降低了加工成本。因此，EB炉熔炼为钛合金的低成本化制备提供了重要的技术支持。通过提高返回料的利用率、减少熔炼次数以及优化加工流程，不仅降低了生产成本，还提高了生产效率，对于推动钛合金在各个领域的应用具有重要意义。
EB炉熔炼技术，作为一种先进的材料制备方法，在全球范围内得到了广泛的关注和快速的发展。特别是在美国，该技术不仅发展成熟，而且其生产能力在同行业中居于领先地位。据统计，美国的EB炉熔炼产能约占全国钛熔炼总产能的45%，充分展示了其在钛金属生产领域中的重要性和应用广泛性。在航空级钛合金的生产中，美国采用EB+VAR双联工艺进行熔炼，有效解决了铸锭中高、低密度夹杂物的问题，显著提高了钛合金的纯度和质量。通过采用EB+VAR双联工艺，能够有效预防冶金缺陷的产生，从而避免可能由材料缺陷引 起的灾难性事故 [5] 。这对于航空转动件、结构件等关键材料至关重要，其质量直接关系到航空器的安全和可靠。因此，EB炉熔炼技术被认为是实现钛合金材料零缺陷纯净化技术的重要途径。
2.1 国外低成本钛合金的生产应用现状
在航空领域，对于关键部件使用的大截面钛合金材料而言，采用短流程化热加工技术降低生产成本，已成为国际主流的航空结构件用高性能钛合金低成本化制备的主流工艺路线。目前，钛合金厚板的销售价格大约控制在300元/kg左右。在欧美国家，钛合金薄板的生产过程中广泛采用返回料，并采用EB+VAR双联工艺，有效降低了原材料的生产成本。同时，通过有限的变形火次及变形量，制备出组织均匀、性能一致性好的钛合金板材，其销售价格一般不超过500元/kg。
在兵器用钛合金板材领域，美国已经设计并研发了一种专用的ATI425（Gr.38）钛合金 [6] 。这种钛合金的独特之处在于其能够使用超过50%的TC4返回料，这不仅降低了生产成本，还提高了材料的再利用率。为了进一步提升钛合金的性能和应用范围，美国率先针对EB炉单次熔炼技术开展深入研究，研制的TC4钛合金板材质量稳定、可靠，且生产更加高效，被广泛应用于M2战车的关键部位，包括指挥舱、防护装甲和顶部装甲等。随着上述材料的成功应用，美国由此形成了一套相关的标准体系。这些标准不仅为钛合金板材的生产和应用提供了明确的指导，还确保了产品的性能和质量能够满足军事领域的严格要求。通过这些标准化工作，美国在兵器用钛合金板材的研发和应用方面取得了显著的成就，为全球钛合金技术的发展和应用树立了新的标杆。
2.2 我国低成本钛合金的生产应用现状
目前，国内航空用钛合金的熔炼主要采用VAR 熔炼技术。对于质量要求较高的钛合金铸锭，通常需要经过三次VAR熔炼过程，以确保获得成分均匀、缺陷率低的高质量铸锭。我国航空用钛合金厚板和薄板，都采用“新料”进行VAR熔炼，且板坯锻造火次及轧制成材率、轧制周期与欧美国家相比均存在一定的差距。目前，国内钛合金厚板的销售价格大约为500元/kg，而薄板产品的销售价格约为800元/kg，显著高于国外同类产品的价格水平。
在国内，西北有色金属研究院与西部钛业有限责任公司作为行业先锋，致力于低成本钛合金的研究与开发。通过采用低成本的Fe-Mo中间合金替代传统TC4合金中的昂贵元素V，成功研制出多种新型钛合金材料，包括近α型的 Ti8LC、近β型Ti12LC合金和α＋β型Ti5322、TC4G钛合金 [3, 7] 。经过严格性能测试，这些合金在多方面均优于美国同类产品Ti62S和Ti-LCB钛合金。为验证新材料实用性，研发团队已制备出一系列应用零件，如汽车进排气阀和钛齿轮等。这些零件在民用领域和兵器领域展示出良好的应用前景，标志着我国在低成本高性能钛合金领域取得显著进展。
目前，国内利用EB熔炼技术生产纯钛扁锭已经基本成熟，但是还存在返回料利用低、成分偏差较大等问题。因此，亟需开展高性能钛合金高效、稳定的低成本化制备技术攻关，以满足航空和兵器领域用钛合金材料的低成本发展的迫切需求。此外，还需要进一步研究双联工艺条件，以实现钛合金材料的高质量、低成本生产，跟上国际航空级钛合金铸锭熔炼技术的发展趋势。
3、 未来高性能低成本钛合金的发展趋势
随着钛及钛合金材料在航空、航天、医疗等高端领域需求的增加，其应用范围将进一步扩大。未来，高性能低成本钛合金将会在以下几个方面取得突破：
（1）新成分、新牌号钛合金不断发展。例如，北京有色金属研究总院采用廉价的Cr-Fe中间合金设计并熔炼制备新型TiAlCrFe系低成本钛合金，其原材料成本仅为TC4合金的75%~80%。该合金的批量化生产，将对现有市场规模造成冲击 [8] 。
（2）新型制备技术取得重大突破，进一步降低高性能钛合金的制备成本。例如，北京科技大学采用氢化脱氢（HDH）制粉—冷等静压成形—真空烧结致密化的技术路线成功制备了间隙原子含量低、具有均匀细小近等轴α组织且室温拉伸性能良好的TC4合金烧结坯，减少了后续热加工变形量及加工道次，降低了钛合金型材的制备成本 [9] 。
（3） 残料回收技术趋于成熟，原材料成本降低 [10] 。残料利用技术不仅降低了原材料成本，还提高了生产效率。但是，半固态加工后的合金性能有所下降，尤其是冲击韧性降低明显，因此需要进一步优化加工工艺。
参考文献
[1] 朱知寿，商国强，王新南，等. 低成本高性能钛合金研究进展[J]. 钛工业进展，2012，29(06): 1-5.
[2] 曹春晓. 我国航空用钛合金面临的21世纪的挑战[J]. 钛工业进展，1999(05): 1-5.
[3] 杨建朝，王兴，谢英杰，等. 大规格TC4钛合金厚板研制[J]. 钛工业进展，2014, 31(03): 22-25.
[4] 辛社伟，刘向宏，张思远，等. 钛合金低成本化技术的研究与发展[J]. 稀有金属材料与工程，2023, 52(11):3971-3980.
[5] 宁皓妍，王立平. 电子束(EB)炉安全生产浅析[J]. 钛工业进展，2011, 28(06): 47-48.
[6] Mahdavi R, Abbasi S M, Emadoddin E. Flow behavior and microstructure evolution of ATI425 titanium alloy with initial martensitic microstructure in α/β and βregion[J]. Journal of Materials Research，2022, 37(17):2871-2882.
[7] 郑超，朱秀荣，辛海鹰，等. 高强度低成本Ti5322合金的抗弹性能及其抗弹机理研究[J]. 钛工业进展，2020, 37(02): 14-20.
[8] 王振国. 新型TiAlCrFe系低成本钛合金的组织与性能研究[D]. 北京有色金属研究总院, 2013.
[9] 郭志猛，张策，王海英，等. 基于氢化脱氢钛粉制备低成本高性能钛合金[J]. 钛工业进展，2019, 36(05): 41-46.
[10] 赵秦阳，陈永楠，徐义库，等. 钛合金材料低成本化制备技术进展与展望[J]. 中国有色金属学报，2021, 31(11): 3127-3140.