朱知壽

(北京航空材料研究院 先進鈦合金航空科技重點實驗室，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)達國家鈦合金高端應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，提出了加強鈦合金在航空高端應用技術(shù)研究及高端鈦產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的幾點措施，以及對實現(xiàn)我國鈦合金從鈦產(chǎn)業(yè)大國向鈦工業(yè)強國轉(zhuǎn)變的幾點建議。

1 鈦合金在航空結(jié)構(gòu)中應用的主要優(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%)、比強度高、耐蝕性好、彈性模量低、導熱系數(shù)小、屈強比高(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、表面可裝飾性強等特性而被廣泛應用于多個工業(yè)領域［1～3］。

世界上許多國家都認識到鈦合金的重要性，相繼對其進行研究開發(fā)，應用領域已涉足航空、航天、船舶、化工、石油、汽車、電力、海洋、醫(yī)療、建筑、體育用品、食品機械、能源、核電和超導等多個行業(yè)。其中航空航天目前乃至今后仍然是鈦合金研究和應用占主導地位的領域，而且是用鈦大戶。鈦合金作為當代先進飛機和航空發(fā)動機的主要結(jié)構(gòu)材料之一，主要用于飛機的起落架部件，機身的蒙皮、桁條、框、隔熱罩和殼體等，同時也用于發(fā)動機的壓氣機盤、葉片、鼓筒、高壓壓氣機轉(zhuǎn)子、壓氣機機匣、罩、軸類等，且使用量不斷增加。先進鈦合金的大量使用是新一代飛機和新型發(fā)動機先進性的顯著標志之一，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)達國家的航空用鈦量占鈦產(chǎn)量的50%以上，獨聯(lián)體和歐洲等國家的鈦產(chǎn)品也主要用于飛機和航空發(fā)動機。其中，美國在20 世紀80年代以后設計的各種軍用飛機中，鈦合金的用量均在占飛機的結(jié)構(gòu)重量20%以上，這充分說明鈦合金在飛機結(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域的用量為10%左右，這個用量距離世界發(fā)達國家的鈦合金在航空工業(yè)領域的50%用量差距甚遠(圖1)。我國鈦合金主要用于化工和體育等領域，其用量占鈦合金消費量的50%左右。這表明:中國鈦合金高端應用少，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有的作用［7，8］。

圖1 中國鈦合金航空高端應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用水平上，仍需要進一步提升，以改善進出口的鈦加工材產(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用的主要障礙。

(5)目前我國鈦工業(yè)產(chǎn)能過剩較為嚴重，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、許多項目重復建設存在惡性競爭現(xiàn)象，急需合理規(guī)劃、低碳增效、科學發(fā)展。例如，2010年中國海綿鈦產(chǎn)能達到103500t，鈦錠產(chǎn)能達到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)是否實現(xiàn)由“大國”向“強國”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用技術(shù)研究及高端鈦產(chǎn)業(yè)化發(fā)展得以加強，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)領域的用量及應用水平，推進我國鈦合金的綜合技術(shù)水平［8～10］。重點在以下關鍵技術(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、應用規(guī)模擴大、規(guī)范標準完善、考核驗證數(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，實現(xiàn)強度、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、低成本制造及擴大用量等產(chǎn)業(yè)化應用目標。

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機體和發(fā)動機，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準。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、低成本設計使用要求，擴大鈦合金用量和應用水平，建立中國鈦合金材料體系，使航空裝備關鍵材料按體系發(fā)展，顯得十分重要和迫切。為此，有關部門特設立關鍵材料技術(shù)系列化研究項目，按體系發(fā)展要求對我國鈦合金材料應用進行梳理，確定關鍵主干材料的發(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鍵主干材料技術(shù)體系。在國家專項預研和工程化項目的大力支持下，自“九五”以來，按體系發(fā)展的原則，研制并建立低強高塑、中強高韌、高強高韌、超高強韌和損傷容限型等飛機結(jié)構(gòu)鈦合金材料系列技術(shù)，為建立中國關鍵主干材料體系奠定基礎(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，是實現(xiàn)“一材多用、精簡牌號、降低成本”的基礎。經(jīng)過裝備預研、材料研制和工程應用研究，按先進性、成熟性、工藝性與經(jīng)濟性等指標對我國新型飛機結(jié)構(gòu)鈦合金主干系列牌號進行綜合評價，提出全系統(tǒng)或跨領域的結(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、應用規(guī)模擴大、規(guī)范標準完善、考核驗證數(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上得到廣泛應用的主干鈦合金材料有:中強度的TC4－DT/TC4(鍛件、厚板);高強高韌損傷容限型TC21 鈦合金(鍛件);超高強度高韌耐蝕抗氧化BT8 鈦合金(板材、棒材、鍛件、管材、絲材);低強度的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)展飛機結(jié)構(gòu)鈦合金主干材料的綜合性能方面，已經(jīng)達到世界先進水平［22～29］，但在綜合穩(wěn)定成熟應用方面，仍需要一個很長的過程，在規(guī)?；可a(chǎn)、考核驗證和應用、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結(jié)構(gòu)鈦合金材料及其應用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，可以進一步實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體化設計與制造，確保了安全可靠性。隨著大型壓力機/高效數(shù)控機床等裝備的引進與使用，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，研制成功TC4－DT 鈦合金飛機后機身大型整體框(工藝投影面積達5m2以上)和機翼梁模鍛件(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用，從低成本材料和低成本制造技術(shù)出發(fā)，實現(xiàn)全壽命和全過程的低成本化，為擴大應用奠定基礎。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/擴散連接、激光成形、噴射成形、多向鍛造等)、先進焊接等途徑［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)，為其跨領域擴大應用、進一步降低成本、提升應用技術(shù)成熟度等奠定了良好的基礎。

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。

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”應用領域，我國目前仍落后于美國等發(fā)達國家，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)上做好頂層設計與長遠規(guī)劃。

(1)建立自主的航空鈦合金材料體系?！熬喤铺枴薄ⅰ耙徊亩嘤谩?，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備與技術(shù)。

(3)建立回收與再利用材料標準與規(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)是擴大鈦合金應用的兩大驅(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，研究并采用跨領域、軍轉(zhuǎn)民、軍民共用、通用化技術(shù)途徑，是擴大鈦合金高端應用水平和用量的保證。

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