激光熔覆高硬度、耐磨和耐高温涂层

为了防止在高速、高温、高压和腐蚀环境下工作的零部件因表面局部损坏而报废，提高零部件的使用寿命，世界各国都在致力于研发各种提高零件表面性能的技术。传统的表面改性技术（如喷涂、喷镀、堆焊等）由于层间结合力差和受固态扩散差的限制，应用效果并不理想。大功率激光器和宽带扫描装置的出现，为材料表面改性提供了一种新的有效手段。激光熔覆是经济效益高的新型表面改性技术，它可以在廉价、低性能基材上制备出高性能的熔覆层，从而降低材料成本，节约贵重的稀有金属，提高金属零件的使用寿命。

现代飞机制造中大量使用钛合金和铝合金，例如美国的第四代战机F-22机体钛合金的使用量已达到41%，而美国先进的V2500发动机钛合金的用量也达到了30%左右。钛及钛合金具有高比强度、优良的耐腐蚀、良好的耐高温性能，可以减轻机体重量、提高推重比。钛合金的缺点是硬度低、耐磨性差。纯钛的硬度为150～200HV，钛合金通常不超过350HV。在很多情况下，由于钛及钛合金表面会生成一层致密的氧化膜从而起到防腐蚀的作用，但是在氧化膜破裂、环境恶劣或发生缝隙腐蚀时，钛合金的耐腐蚀性能将大大降低。

2000年首飞的美国F-35战机上铝合金总用量在30%以上。但是铝合金的强度不够高，使用时易生产塑性变形，特别是铝合金表面硬度低、耐磨性很差，在某种程度上制约了它的应用。

经过激光熔覆的钛合金表面显微硬度为800-3000HV。用激光熔覆技术对铝合金表面进行表面强化是解决铝合金表面耐磨性差、易塑性变形等问题的有效方法。与其他表面强化方法相比，该方法强化层与铝基体之间具有冶金结合特点，结合强度高。熔覆层的厚度达到1～3mm，组织非常细小，熔覆层的硬度高、耐磨性好，并具有较强的承载能力，从而避免了软基体与强化层之间应变不协调而产生裂纹。另外，在钛合金、铝合金表面熔覆高性能的陶瓷涂层，材料的耐磨性、耐高温性能等可以得到大幅度提高。

激光熔覆获得热障涂层

近年来，航空发动机燃气涡轮机向高流量比、高推重比、高进口温度的方向发展，燃烧室的燃气温度和燃气压力不断提高，例如军用飞机发动机涡轮前温度已达1800℃，燃烧室温度达到2000℃～2200℃，这样高的温度已超过现有高温合金的熔点。除了改进冷却技术外，在高温合金热端部件表面制备热障涂层（Thermal Bamer Coating，TBCs）也是很有效的手段，它可达到1700℃或更高的隔热效果，以满足高性能航空发动机降低温度梯度、热诱导应力和基体材料服役稳定性的要求。20世纪70年代陶瓷热障涂层（TBCs）被成功用于J-75型燃气轮机叶片，世界各国投入巨资对其从材料到制备工艺展开了深入的研究。

20世纪80年代以来，在材料表面激光熔覆陶瓷层获得了致密的柱体晶组织，提高了应变容限；致密、均匀的激光重熔组织以及较低的气孔率可降低粘结层的氧化率，阻止腐蚀介质的渗透。可利用大功率激光器直接辐射陶瓷或金属粉末，将其熔化后在金属表面形成冶金结合，得到垂直于表面的柱状晶组织。由于熔覆层凝固的次序由表到里，表层组织相对细小，这样的结构有利于缓和热应力，例如用激光熔敷方法得到了8%（质量分数）氧化钇部分稳定氧化锆（YPSZ）热障涂层。也可将混合均匀的粉末置于基体上，利用大功率激光器辐射混合粉末，通过调节激光功率、光斑尺寸和扫描速度使粉末熔化良好、形成熔池，在此基础上进一步通过改变成分向熔池中不断加入合金粉末，重复上述过程，即可获得梯度涂层。

关键部件表面通过激光熔覆超耐磨抗蚀合金，可以在零部件表面不变形的情况下提高零部件的使用寿命、缩短制造周期。激光熔覆生产的热障涂层有良好的隔热效果，可以满足高性能航空发动机降低温度梯度、热诱导应力和基体材料服役稳定的要求。

来源：热喷涂与再制造

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高温钛合金制造技术研究进展

作者 ： 曹京霞，弭光宝，蔡建明，高帆，周毅，黄旭，曹春晓

( 中国航发北京航空材料研究院先进钛合金航空科技重点实验室，北京100095)

摘要：高温钛合金制造技术已成为先进航空发动机技术的核心与关键，近年来受到高度重视。在简要回顾新型高温钛合金、阻燃钛合金和Ti-Al 系金属间化合物合金发展的基础上，从大规格铸锭熔炼、挤压开坯、整体叶盘模锻、环件轧制及零件机加工等方面介绍这些高温钛合金制造技术研究所取得的重要进展。最后，提出我国高温钛合金应用研究中需要重点关注的问题以及进一步发展的建议。

关键词：高温钛合金； 铸锭熔炼； 挤压开坯； 整体叶盘模锻； 环件轧制； 零件加工

引言

航空发动机性能的提高与新型高温钛合金和先进结构设计的协同应用密不可分。我国从20 世纪90年代加快了新型高温钛合金材料的研究进程，开展了550 ℃高温钛合金、600 ℃高温钛合金、阻燃钛合金以及Ti-Al 系金属间化合物合金等新材料的研制。在高温钛合金方面，国内自主研发的第一代含稀土Nd 的550 ℃高温钛合金（TA12）和600 ℃高温钛合金（Ti60）具有优异的热强性能，但由于焊接技术方面的研究储备不足，以及稀土相易在焊缝区域晶界处偏聚易造成接头脆性断裂等问题没有得到有效解决，未在航空发动机上获得实际应用。基于电子浓度理论，在适当利用α2相强化和硅化物析出相强化的同时，以Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si 合金系为基础加入Nb、Ta 元素，进一步提高多元素复合固溶强化的效果，研发了第二代具有良好热强性能、良好锻造加工和焊接性能的550 ℃高温钛合金（ TA32） 和600 ℃ 高温钛合金（ TA29、TA33 ） 。TA29 和TA33 钛合金在成分上差异较小，而性能水平存在的差异主要取决于工艺控制因素。在第二代600 ℃高温钛合金的基础上，通过添加W 元素、提高Ta 元素含量，进一步开发了650 ℃ 高温钛合金（ Ti65） ，使得固溶强化型高温钛合金的长时使用温度有望突破传统的600 ℃“热障”温度。在阻燃钛合金研究方面，研发了2 个耐温级别的Ti-V-Cr 系阻燃钛合金，分别是500 ℃ 长期使用的TB12 阻燃钛合金（ Ti40） 和550 ℃长期使用的TF550 阻燃钛合金。对TB12 和TF550 钛合金的阻燃性能及综合力学性能的研究表明，这两个合金具有相近的阻燃性能，V 元素含量差异主要影响材料的热强性能。在Ti-Al 系金属间化合物合金研究方面，全面开展了（ α2 +O + B2） 三相Ti3Al 合金、O 相为基的Ti2AlNb 合金以及γ-TiAl 合金的研究，Ti-Al 系金属间化合物合金长时使用温度达到650 ～ 800 ℃。

当前，我国新型600 ℃高温钛合金、阻燃钛合金和Ti-Al 系金属间化合物合金等材料基本完成实验室阶段的探索研究，逐步进入工程化研究与应用阶段。钛合金热加工设备的升级换代，大型装备的应用，海绵钛、中间合金质量的提高，均有力促进了新材料开发及制造技术研究。因此，重点介绍近十年来我国航空发动机用600 ℃高温钛合金、阻燃钛合金以及Ti-Al 系金属间化合物合金在铸锭、锻件及典型零件等制造技术研究方面取得的最新进展，并对进一步的研究方向提出建议。

1 高温钛合金制造技术研究

1. 1 新型高合金化合金铸锭制备。真空自耗熔炼工艺是钛合金铸锭制备普遍采用的工艺，其主要工序包括电极块制备、焊接和真空自耗2 ～ 4 次熔炼。除了真空自耗电弧熔炼炉，先进配套设备的应用在钛合金优质铸锭制备中也起到了关键作用，如自动称重和混布料系统、真空等离子焊箱等。新型600 ℃ 高温钛合金、阻燃钛合金和Ti3Al 合金都已实现3 t 级工业铸锭的制备，突破了高合金化铸锭成分均匀性控制的关键技术。

高合金化是新型高温钛合金和Ti-Al 系金属间化合物合金的显着特点，几种典型高温钛合金的名义成分如表1 所示。从表1 可见，TA29、TA33 钛合金的合金化元素总量分别接近17% 和16%，TD3、Ti2AlNb 合金的合金化元素总量分别接近43% 和54%，且合金化元素熔点、密度差异均较大，因此这些新材料铸锭制备难度显着高于普通的TC4、TC11 等钛合金。高熔点元素（ 如Ta、Nb、Mo 等） 一般以Al-X、Ti-X 或Al-X-Y 三元中间合金的形式加入。对于高温钛合金，其原料中海绵钛占比超过80%，海绵钛能够很好地将中间合金粘结，电极块强度基本有所保障。但对于Ti3Al 合金，其原料中海绵钛占比不到60%，Ti2AlNb 合金原料中海绵钛占比更低，电极块强度控制问题非常突出，工艺不恰当就会造成电极块开裂，或电极块强度偏低，在搬运、焊接和熔炼时发生掉块，影响铸锭成分控制。

目前的解决方法主要是优选中间合金和优化混布料工艺。图1 为北京航空材料研究院采用真空自耗熔炼工艺制备的TD3 钛合金3 t 铸锭（600 mm） 照片及铸锭头、中、尾外圆周取样的成分分析结果，可见合金元素Al、Nb、Mo 分布均比较均匀。

图1 TD3 钛合金铸锭( 600 mm) 照片及化学成分

Fig. 1 Photo of 600 mm TD3 titanium alloy ingot( a)

and chemical composition( b)

与上述高温钛合金不同，Ti-V-Cr 系阻燃钛合金不含Al 元素，且合金元素的质量分数超过40%，同样存在原料中海绵钛占比少的问题，V、Cr 元素的加入方式非常关键。在认识阻燃合金化原理的基础上，通过在合金元素加入方式以及电极结构上的创新，实现了TB12 和TF550 钛合金3 t 级工业铸锭（ 620 mm） 的制备，从根本上解决了Ti-V-Cr 系阻燃钛合金工业铸锭V、Cr 元素偏析问题，对锻件质量提升起到了至关重要的作用。

1. 2 低工艺塑性合金的挤压开坯。挤压变形是在三向压应力作用下完成的，裂纹不易形成和扩展，非常适合低工艺塑性合金铸锭的开坯和棒材制造。长期以来，我国钛合金挤压技术主要应用于管材和筒体结构件的制备，近些年也开展了钛合金型材的挤压制备，但挤压技术没有在钛合金工业级铸锭开坯中应用。造成这种局面有2 方面的原因： 一方面，国内钛合金加工企业缺乏大型的挤压设备； 另一方面，普通高温钛合金、高强钛合金通过液压机、快锻机进行铸锭开坯、棒材锻造能够满足研制与批量生产的需求。然而，新型高温钛合金及Ti-Al 系金属间化合物合金都一定程度上存在铸造组织状态下工艺塑性低的问题，其中，对挤压开坯技术依赖性较强的2 类材料分别是阻燃钛合金和变形TiAl 合金，而挤压技术的应用则为这2 类合金棒材的制备提供了一条重要的工艺途径，尤其是大型挤压设备的建造，可以解决阻燃钛合金工业铸锭开坯的难题。

Ti-V-Cr 系阻燃钛合金的显着特点是铸造组织状态下工艺塑性非常低，基本不能实现无约束条件下自由锻造。2009—2010 年，北京航空材料研究院与北方重工合作，在360MN 挤压机上实现了TB12 和TF550 钛合金多个3 t 级铸锭的包套挤压开坯。图2为620 mm TB12 钛合金铸锭经包套挤压开坯后获得的带包套的挤压棒材（ 挤压比约为4） 。挤压开坯不仅解决了阻燃钛合金工业铸锭拔长变形的难题，同时也提高了阻燃钛合金的工艺塑性。图3 为TF550 钛合金铸态和挤压态2 种初始组织状态的热加工图。从图3 可以看出，无论是铸态组织还是挤压态组织，热加工图中呈现的失稳区域均分布于高应变速率区域，并且明显分为2 个部分。结合显微组织和碳化物形态分析，可以判定1 050 ℃以上的变形失稳主要缘于碳化物溶解带来的脆性，而1 050 ℃以下的变形失稳主要缘于局部塑性流动引起的剧烈剪切变形所导致的开裂。与铸态组织相比，挤压态组织的局部塑性流动失稳区域明显缩小，关键热加工区域窗口扩大，有利于挤压棒材的进一步锻造加工。实际锻造中也发现经过挤压开坯后，棒材的工艺塑性明显改善，不用包套即可直接在快锻机上完成镦粗和拔长变形。

图2 TB12 阻燃钛合金挤压棒材照片

Fig. 2 Photo of extruded TB12 fireproof titanium alloy bar

图3 TF550 阻燃钛合金的热加工图( ε = 0. 4)

Fig. 3 Processing maps of TF550 fireproof titanium alloy

( ε = 0. 4) : ( a) as-cast; ( b) as-extruded

变形TiAl 合金800 ℃拉伸强度可达600 MPa 以上，比强度显着高于镍基高温合金。作为压气机叶片应用能够极大地降低盘和轴的负荷，这对发动机设计有极大的吸引力。然而，锻造TiAl 合金的研究一直受困于材料自身非常低的工艺塑性，技术难度大，研究进展缓慢。北京航空材料研究院采用包套挤压工艺和复合隔热技术，实现了220 mm TiAl 合金铸锭的开坯，以及矩形截面和圆形截面棒材的二次挤压。同时，尝试开展了TiAl 合金单次大挤压比棒材制备工艺的研究，制备出60 mm × 2 500 mmTiAl 合金挤压棒材，挤压比达到10 以上，挤压棒材的组织得到充分细化，如图4 所示。

图4 TiAl 合金铸锭和挤压棒材的显微组织

Fig. 4 Microstructures of TiAl alloy ingot and extruded bar: ( a) as-cast; ( b) as-extruded

1. 3 整体叶盘锻件研制与组织性能控制。轻量化、整体化是航空发动机部件的重要发展方向，先进航空发动机转动部件普遍采用了整体叶盘结构。TC4、TC17、Ti6242 和600 ℃ 高温钛合金的整体叶盘研制与应用研究均取得了快速发展。高温钛合金整体叶盘锻件大多采用热模锻或者近等温模锻成形，由于锻件的对称性比较好，若单纯从锻件成形角度考虑，完整充型难度不大，但是考虑到整体叶盘服役条件下对不同部位温度和载荷要求的差异，对于均质整体叶盘，实现关键性能的合理匹配是最主要的技术难点，涉及到锻件微观组织类型选择以及组织参数控制。600 ℃ 高温钛合金作为一种近α 型钛合金，室温拉伸塑性，特别是试样热暴露后的塑性（ 称为热稳定性） 与高温蠕变性能之间的矛盾一直是比较突出的问题，单体盘和叶片可以通过采用不同的组织类型分别控制，例如叶片采用双态组织以获得良好的热稳定性能和高周疲劳性能；盘采用β 锻的网篮组织以获得高的蠕变性能和损伤容限性能。目前，600 ℃高温钛合金主要采用α + β两相区近等温模锻工艺制造整体叶盘锻件，通过固溶和时效处理控制等轴初生α 相的体积分数在10%～ 30%之间，控制β 转变组织中次生α 相的分布，以及更微观尺度的α2相、硅化物相的析出和分布，实现整体叶盘锻件热稳定性和蠕变性能的良好匹配。图5 为TA29 钛合金660 mm 整体叶盘及径向截面的低倍组织。从图5 可见，低倍组织为均匀模糊晶形态，是α + β 两相区锻造均匀变形的典型形貌。

图5 TA29 钛合金整体叶盘锻件径向低倍组织和显微组织

Fig. 5 Ｒadial section macrostructure( b) and microstructures( a，c) of TA29 titanium alloy blisk die forging

钛合金盘和叶片一体化制造在组织性能控制上做了一种工艺上的妥协，为了能够充分发挥高温钛合金各种微观组织形态或合金最优势的性能，近些年尝试开展了双合金整体叶盘以及双性能整体叶盘的研制工作，主要包括： ①线性摩擦焊工艺，理论上可以实现双合金或是同一合金双组织整体叶盘的连接，国内外的研究工作主要集中于线性摩擦焊工艺和接头组织性能的研究； ②真空电子束焊接+ 近等温锻造+ 热处理强化界面的复合工艺，西北工业大学采用这种工艺开展了Ti3Al /TC4、Ti3Al /TC11、Ti2AlNb /TC11、Ti2AlNb /Ti60双合金盘研制的基础研究和组织性能评估； ③分区控温锻造和分区控温热处理工艺，理论上能够将整体叶盘锻件中叶片与盘体控制为不同的组织类型，以更好地满足整体叶盘不同部位实际服役条件的要求。图6为TA29 钛合金650 mm 整体叶盘锻件经分区控温热处理后的径向截面低倍组织及典型区域的显微组织。

图6 TA29 钛合金双性能整体叶盘锻件径向截面

低倍组织和显微组织

Fig. 6 Ｒadial section macrostructure( a) and microstructures( b ～

f) of TA29 titanium alloy dual-property blisk die forging

从图6 可见，整体叶盘试验件盘体为β 热处理组织，叶片部位为α + β 两相区热处理组织。此外，通过工艺控制，也可将整体叶盘的叶片和盘体分别制备成不同初生α 相含量的双态组织。

1. 4 整环和半环锻件研制。以机匣、内环、安装边等为代表的环形件结构也是航空发动机中比较重要的结构形式，环锻件通常采用轧制工艺制造，主要工序为棒材坯料镦粗、冲孔、扩孔和最终的轧制成形。通常，坯料冲孔后得到的环坯进一步扩孔和最终的轧制成形都是在扩孔机上完成的。高温钛合金以及Ti3Al、Ti2AlNb 合金环锻件制备都能够采用这种工艺路线，在环锻件制备的4 个工序过程中，坯料的加热温度、扩孔和最终轧制成形的变形量控制决定了环锻件的组织类型，通过固溶、时效处理可以进一步调控环锻件的微观组织，获得所需的力学性能。图7 和表2 分别为TD3 钛合金静子内环锻件及其力学性能。可见，TD3 钛合金静子内环锻件的室温和650 ℃力学性能均比较好。

图7 TD3 钛合金静子内环锻件照片

Fig. 7 Photo of TD3 titanium alloy stator ring forgings

相近变形条件下，TB12 和TF550 阻燃钛合金的变形抗力显着高于普通钛合金，甚至也高于Ti-Al 系金属间化合物合金，如表3 所示。可见，阻燃钛合金环锻件制备难度非常大。在成形外径为730 mm、高度为300 mm 的TB12 钛合金大型机匣环锻件时，遇到的最大问题就是扩孔机吨位不足，坯料冲孔后得到的环坯径向截面厚度仍较大，不能在扩孔机上直接进行扩孔，只能采用变形条件比较差的马架扩孔工艺将环坯的径向截面尺寸先进行减薄，然后再在扩孔机上完成环锻件的轧制成形，图8a 为TB12钛合金轧制成形的机匣环锻件。

TB12 钛合金环锻件制备中，马架扩孔的变形火次、各火次的变形量分配、坯料的加热温度、后续在扩孔机上成形轧制的变形量分配都是非常关键的工艺参数。TF550 钛合金的变形抗力更大，工艺塑性比TB12 钛合金略差，马架扩孔和轧环成形难度更大，制备机匣锻件则采用了热模锻工艺，图8b 为用TF550 钛合金50 mm 厚板经热模锻制成的半环机匣锻件。表4 为TB12 钛合金环锻件及TF550 钛合金半环模锻件的力学性能。

从表4 可见，TF550 钛合金锻件的高温持久和蠕变性能显着优于TB12 钛合金。

图8 阻燃钛合金机匣锻件照片

Fig. 8 Photos of fireproof titanium alloy compressor case forgings:

( a) TB12 titanium alloy; ( b) TF550 titanium alloy

1. 5 典型零件加工技术。由于高温钛合金具有导热差、硬度高、粘刀等特性，造成了这种材料车削、铣削和钻削加工的难度比钢要大很多，整体叶盘、机匣等零件的结构复杂性与材料特性的耦合结果更增加了零件加工的难度。通过技术攻关，在阻燃钛合金机匣、600 ℃ 高温钛合金整体叶盘、Ti3Al 合金静子内环及TiAl 合金叶片等零件的加工技术方面取得了重要进展。

图9 TB12 阻燃钛合金机匣零件照片

Fig. 9 Photo of TB12 fireproof titanium alloy compressor case

以TB12 阻燃钛合金机匣零件（ 图9） 为例，该零件属于薄壁类环形件，机匣外型面有带孔的圆柱凸台，为异形结构，在粗车和粗铣时需要尽量多去余量，提高加工效率，同时还必须保证零件足够的刚性； TB12钛合金的机械加工性能较差，切削和铣削加工表面硬化现象比较严重，需要大的切削加工力，大切削力加工与刚性保证需求也是一对矛盾，在制定机匣零件加工工艺时这些方面都是重点考虑的。

2 未来需要重点关注的几个问题

2. 1 含W 元素的高温钛合金铸锭制备。从合金化的角度，应重视高熔点元素的加入方式和中间合金的质量。新型高温钛合金及Ti-Al 系金属间化合物合金的合金化程度较高，且含有Nb、Ta、W 等高熔点元素，高熔点夹杂是需要严格控制的冶金缺陷，尤其对于熔点超过3 400 ℃的W 元素，更应引起重视。目前国内针对航空发动机长期使用正在开展研究的含W 高温钛合金主要有TC25G 和Ti65 钛合金，同时针对航天产品高温短时应用的含W 钛合金一些专利中也有所报道，解决好W 元素的添加问题，对于进一步提升高温钛合金的热强性能，突破600 ℃“热障”温度具有重要意义。

2. 2 高温钛合金铸锭的纯净化制备制备。高纯净钛合金铸锭也是重要的发展方向。应重视高温钛合金中Fe、O 等杂质元素含量的控制问题，尤其针对整体叶盘、离心叶轮等转动部件应用的高温钛合金材料应严格控制Fe 元素含量。

2. 3 大规格棒材组织的精细化控制。新型高温钛合金典型件制备用棒材的技术要求与锻件的技术要求基本相当，以保证大规格棒材可以直接用于锻件制坯，而不需要进一步改锻。目前对钛合金棒材的组织控制主要是对组织类型提出要求，没有细致到对宏观和微观织构的控制，往往大规格棒材中α 晶团的明显取向会遗传到锻件中。近α 型高温钛合金的保载疲劳敏感性与微织构有较强的关联，因此对于整体叶盘锻件用高温钛合金大规格棒材在制备工艺控制上应体现出对宏观和微观织构的控制措施。

2. 4 大规格棒材挤压。随着我国大型挤压设备配套工装的完善和应用技术的提升，阻燃钛合金工业铸锭包套挤压开坯工艺仍有优化的空间。前期研究工作中，为配合大规格挤压筒所采用的厚壁包套结构可以优化成薄壁包套结构，也可尝试无包套挤压开坯技术，进一步提高挤压开坯的工艺可控性，提高挤压棒材质量并降低挤压成本。

2. 5 低残余应力的大型锻件制备技术。锻件残余应力水平低，对保证大型复杂零件完整性加工和变形控制非常有意义，对转动件的长寿命服役也很关键。在高温钛合金及Ti-Al 系金属间化合物合金大型锻件制备技术研究中，重点开展了微观组织与力学性能的关系以及工艺控制研究，而对锻件的低残余应力制坯和成形技术也需要给予充分重视，逐步建立和完善锻件残余应力监控手段和技术。

2. 6 双性能和双合金整体叶盘的过渡区控制。采用分区控温热处理或分区控温锻造制备双性能整体叶盘在工艺上是能够实现的，但具体到双性能整体叶盘锻件综合性能的控制还有很多细节需要关注，例如2 种组织类型的选择，过渡区设计在哪个部位，过渡区部位的精确按需控制，过渡区组织对性能的影响等。双合金整体叶盘制造过程同样也面临上述问题。

2. 7 Ti-Al 系金属间化合物合金锻件强韧化。Ti-Al 系金属间化合物合金复杂的相变过程为锻件组织性能调控提供了空间，需加强Ti3Al、Ti2AlNb合金大型结构件强韧化热机械处理技术研究。

3 结语

近十年来，先进高温钛合金和Ti-Al 系金属间化合物合金材料与制备技术得到快速发展。突破了高合金化600 ℃高温钛合金、Ti-V-Cr 系阻燃钛合金和Ti3Al 合金等3 t 级工业铸锭的均匀化制备，阻燃钛合金3 t 级铸锭包套挤压开坯，TiAl 合金挤压棒材制备，600 ℃高温钛合金整体叶盘、阻燃钛合金机匣的锻件制备及其零件加工等制造技术。这些关键技术的突破，标志着我国航空发动机用高温钛合金及Ti-Al 系金属间化合物合金等关键材料已经基本完成由实验室研究阶段向工程化应用研究阶段的跨越。

未来针对航空发动机典型应用，需要进一步大力开展制造技术的创新优化研究和工艺稳定性控制技术研究，提升我国新型高温钛合金及Ti-Al 系金属间化合物合金的应用技术水平，满足和推动高性能航空发动机技术发展。请加微信公众号：工业智能化(robotinfo) 马云都在关注

钛及钛合金新工艺、新技术、新用途介绍

来源：材料科学与工程网

1、钛及钛合金性质简介

1.1 钛简介：

钛是一种新型材料，具有密度小、比强度高、耐热和抗腐蚀等优点。它的重量仅有铁的一半，但是其力学性能例如锤击、拉延等却和铜不分上下。一般来讲随着温度的降低，金属的抗击打性能会下降，但是钛却恰恰相反，温度越低，钛会变得越来越坚硬，并且在达到临界温度时会出现超导的现象。

1.2 钛合金简介：

钛合金和钛在某种程度上性质类似，具有密度小强度高的特点，此外其机械性能十分优异，抗腐蚀能力较强。而且其热强度高，明显优于铝合金，同时在低温和超低温下其力学性能变化不大。

2、钛的新工艺、新技术及新用途

2.1 钛的制备方法

虽然钛在自然界中含量相对丰富，但是因为其存在分散，且难以提取，所以钛也是一种稀有金属。目前来说钛的制备一共分为两大类 ：热还原法和熔盐电解法。

(1)热还原法制备钛

热还原法是在一定温度下，利用Li、Na、Mg、Ca及其氢化物等强还原剂，把钛从钛的化合物如TiCl 4 、TiO 2 、K 2 TiF 6 等中还原出来。根据钛化合物的不同，可将热还原法制备钛的技术分为三大类 ：

①钛的氯化物的氧化还原法，如Kroll法、Hunter法、Armstrong法和EMR法等 ;

②钛的氧化物的氧化还原法，如OS法、PRP工艺、MHR法等 ;

③钛酸盐的氧化还原法。

目前只有Kroll法和Hunter法能够成功应用在工业生产中。Kroll法是利用金属镁将氯化物中的钛置换出来，Hunter法是利用金属钠将氯化物中的钛置换出来。此外，美国芝加哥国际钛粉公司开发的Armstrong法，其制备方法类似于Hunter法，也是利用还原剂钠对金属钛进行提纯。美国已经开始利用这一方法进行工厂里面的预生产。

(2)熔盐电解法制备钛

1959年，Kroll预言在未来5-10年内熔盐电解将会取代Kroll法成为生产钛的主流方法。多年来国内外的科研机构和实验室总共开发了十几种熔盐电解法制备钛的新技术，它们按原料可分为以下三类 ：①钛酸盐的电解法 ;②钛的氯化物的电解法 ;③钛的氧化物的电解法，包括有FFC剑桥法、MER工艺、USTB法、QIT工艺、SOM法和离子液体电解法等。

2.2 钛的新用途

从20世纪40年代以来，钛的用途发展很快，被广泛应用于飞机、火箭、导弹、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、军工、医疗以及石油化工等领域。最新的研究中发现，人体中含有一定的钛元素，钛元素会刺激吞噬细胞，可以加强免疫作用，因此不少实验室正致力于生物钛的开发和应用。

3、钛合金的新工艺、新技术及新用途

3.1 钛合金的制备方法

钛合金传统的加工一般采用熔炼和铸造技术，最新的加工技术分为以下几种：

(1)近净成型技术 ;

(2)线摩擦焊接技术 ;

(3)超塑性成型技术 ;

(4)材料制备及加工过程的计算机模拟技术。

近净成型技术包括激光成型、精密铸造、精密模锻、粉末冶金、喷射成型等方法。粉末冶金法是利用钛粉或钛合金粉作为原料，经过成型和烧结，从而制造钛零部件的新工艺。首先是生产粉末，一般采用机械合金化的方法，利用球磨机对原料进行强烈的撞击、研磨和搅拌。然后对已经形成粉末的合金进行压制成型，有两种压制方法，分别是加压成型和无压成型。这一步的目的是为了制得一定形状和尺寸的压胚，并且使其具有一定的密度和强度。然后在对制成的胚料进行放电等离子烧结，利用上、下模冲及通电电极将特定烧结电源和压制压力施加于烧结粉末，经放电活化、热塑变形和冷却完成制取高性能钛材料。然后对经过等离子烧结的钛合金进行后续的处理，一般是热处理或者塑性加工。

3.2 钛合金的新用途

钛合金早期广泛应用于航空航天领域，主要用在制作飞机发动机或者气压部件。后来随着技术的不断深入发展，钛合金已经进入寻常百姓的生活中，在工厂或者家用器件上也有钛合金的身影。现在个国家和机构都在争相研制新的钛合金，使其具有低成本高性能的特点，近些年钛合金的新发展主要集中在以下五个方面。

(1)医用钛合金

钛合金密度小且生物相容性好，是理想的医用材料，甚至可以植入人体，以前在医学领域中应用的钛合金含有钒和铝，会对人体造成危害。但是在近期，日本学者已经开发出了新型钛合金，具有良好的生物相容性，但是目前这种合金尚未大批量生产，相信在不久的将来，此类优质合金能够广泛的应用于日常生活中。

(2)阻燃钛合金

在一定压力、温度和空气流速下能够抗燃烧的钛基合金是阻然钛合金。美国，俄罗斯和中国都相继研发出了新的阻然钛合金，其中美国将这些阻然钛合金应用在发动机上，因为这些钛合金对燃烧不敏感，所以可以大大提高发动机的稳定性。

(3)高强高韧β型

β型钛合金具有强度高，焊接性好，冷热加工性能优良的特点。研究人员利用这一规律，制备出的β型钛合金的特点十分明显 ：灵热加工性能良好，塑性好，焊接性能好。且通过固溶——时效处理之后其机械性能有较大提高。目前日本和俄罗斯均制备出了此类钛合金。

(4)钛铝化合物

钛铝化合物相比一般的钛合金来讲具有高温性能好，抗氧化抗蠕变性能好，且密度小于一般的钛合金。这些优异的特点注定了钛铝化合物会掀起新的合金热潮。目前美国已经合成了这种新的钛铝化合物合金，并且正在批量生产之中。

(5)高温钛合金

将快速凝固方法和粉末冶金法相结合，利用纤维或颗粒增强的复合材料制备出来的钛合金具有优异的高温力学特征。高温钛合金的使用温度极限远远高于普通钛合金。目前美国已经制备出了新型高温钛合金。

(6)钛镍合金

钛和镍组成的合金，被成为“记忆合金”，这种合金制成预先确定的形状，再经定型处理后，若受外力变形，只要稍微加热便可恢复原来的面貌。这种合金可用于仪器仪表、电子装置等各种领域。

4、结语

钛拥有许多金属无法比拟的优点，随着社会的进步、科技的发展，钛及钛合金的应用将更加广泛，人类对钛和钛合金的需求将日益增大，而生产成本高是限制钛及钛合金推广使用的主要原因之一。因此，开发与应用低成本、大规模及生态环保的连续化生产工艺，才能使钛及钛合金得到更加广泛的应用。

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