文/蔡建明·中國航發(fā)北京航空材料研究院，中國鍛壓協(xié)會(huì)航空材料成形委員會(huì)

王洋·中國航空技術(shù)國際控股有限公司，中國鍛壓協(xié)會(huì)航空材料成形委員會(huì)

曾凡昌·中航工業(yè)集團(tuán)老干部局，中國鍛壓協(xié)會(huì)航空材料成形委員會(huì)

航空鈦合金發(fā)展與應(yīng)用

鈦合金以其低密度、高比強(qiáng)度、耐熱、耐腐蝕等特性，在飛機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得了快速且大量的應(yīng)用，對于提高飛機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)的減重效益和服役性能效果顯著。在20 世紀(jì)60 ～70 年代，鈦合金經(jīng)歷了一個(gè)快速發(fā)展期，各航空大國如英國、美國、蘇聯(lián)和中國，開發(fā)了各具特色及系列化的航空鈦合金材料，構(gòu)筑了相應(yīng)的航空鈦合金材料體系，目前在役的大部分鈦合金材料都是在這一時(shí)期研制并得到應(yīng)用的。20 世紀(jì)80 年代以來，傳統(tǒng)鈦合金的性能潛力提升空間已有限，材料創(chuàng)新難度加大，更多的是通過與飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)創(chuàng)新，特別是與工藝創(chuàng)新相融合來推動(dòng)傳統(tǒng)鈦合金材料和應(yīng)用的發(fā)展。

在民用飛機(jī)領(lǐng)域，鈦合金用量一直呈上升趨勢，如新近投入運(yùn)營的波音公司B787 飛機(jī)，隨著樹脂基復(fù)合材料用量的增加，與復(fù)合材料具有良好相容性的鈦合金也獲得了大量應(yīng)用，鈦用量占機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的15%；空客公司A380 飛機(jī)的鈦用量占機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的10%。軍用飛機(jī)的用鈦比例則更高，如美國第四代戰(zhàn)斗機(jī)F-22 飛機(jī)的鈦用量占結(jié)構(gòu)重量的40%。采用鈦合金制造飛機(jī)關(guān)鍵承力構(gòu)件，除了利用鈦合金高的比強(qiáng)度優(yōu)勢外，還可避免高強(qiáng)鋼材料在幾十年的使用壽命期內(nèi)因海洋鹽分環(huán)境引發(fā)的應(yīng)力腐蝕問題。

軍民用飛機(jī)一些重要的框、梁、接頭、起落架等結(jié)構(gòu)件廣泛采用高強(qiáng)、高損傷容限的鈦合金材料，且一般為采用大型整體鍛件機(jī)械加工而成，單件重量、尺寸和截面大。B747 飛機(jī)主起落架支架梁共8 個(gè)件號采用Ti-6Al-4V 鈦合金鍛件，單件重1724kg，長度6.2m，投影面積4.1m2。A380 飛機(jī)兩個(gè)六輪三軸小車式主起落架（總承重590t，壽命要求達(dá)到6 萬個(gè)起落架次）載重梁采用Ti-1023 鈦合金鍛件，長4.255m，重量3210kg。F-22 戰(zhàn)斗機(jī)四個(gè)大型整體框采用Ti-6Al-4V ELI 鈦合金鍛件，投影面積4.06 ～5.68m2，重量1895 ～2972kg。制造這些超大型的鈦合金整體鍛件，對鍛造用原材料的冶金質(zhì)量、鍛造設(shè)備噸位、鍛造工藝等均提出了嚴(yán)苛要求，一般需要100MN 級以上的壓機(jī)以及精湛的制坯、模鍛和熱處理工藝。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，現(xiàn)代先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)大約有三分之一重量的關(guān)鍵零部件選用優(yōu)質(zhì)、高性能的鈦合金材料，集中用于風(fēng)扇和壓氣機(jī)系統(tǒng)的輪盤、葉片、整體葉盤、離心葉輪、鼓筒、鼓筒軸、盤軸、機(jī)匣等零件。歐美系發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用的鈦合金材料主要有Ti-6Al-4V、Ti-811、Ti-17、Ti-6246、Ti-6242S 和IMI834 等； 俄 系發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用的鈦合金材料主要有BT6、BT3-1、BT8、BT9、BT25 和BT18y 等；我國發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用的主要鈦合金材料有TC4、TC6、TC11、TC17、TC25、TA11、TA19和Ti60 等，使用溫度均在600℃以下。除中介機(jī)匣一般采用TC4鈦合金鑄件外，其余各類零部件大多采用優(yōu)質(zhì)鍛件加工而成。

在發(fā)動(dòng)機(jī)高推重比、長壽命和低油耗目標(biāo)的驅(qū)使下，對耐熱性更優(yōu)的TiAl 合金和連續(xù)SiC 纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料(SiCf/Ti)提出了需求。等溫精鍛TiAl 合金低壓渦輪葉片(牌號：TNM)已應(yīng)用于PW 公司的PW1100G 齒輪傳動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。與鎳基高溫合金相比，使用TiAl 合金制造低壓渦輪葉片提供了極其顯著的減重效果，并突破了技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的雙重障礙。SiCf/Ti 復(fù)合材料有望應(yīng)用于高推重比軍用發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)整體葉環(huán)、軸等部件。增材制造、集成計(jì)算材料工程、數(shù)值模擬等技術(shù)的發(fā)展賦予了鈦合金新的生命力，為航空鈦合金材料及制件的設(shè)計(jì)、制造與應(yīng)用開創(chuàng)了新的思路。GE Additive 公司在2019 年6 月巴黎航展上宣布：對Arcam 電子束增材制造技術(shù)進(jìn)行重大投資，增材制造TiAl 合金低壓渦輪葉片將應(yīng)用于GE9X 發(fā)動(dòng)機(jī)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016 年全球航空領(lǐng)域鈦用量約為1.5×105t，預(yù)計(jì)到2026 年，航空領(lǐng)域?qū)︹伒男枨罅磕暝鲩L率約為5%，民用航空領(lǐng)域?qū)︹伜辖鹦枨罅砍什粩嗌仙厔?，而軍用飛機(jī)鈦用量比例則略呈下降趨勢。目前，中國航空用鈦與國外還存在顯著的差距。面對國際航空市場持續(xù)向上的發(fā)展態(tài)勢，高端航空鈦合金仍有巨大市場和發(fā)展?jié)摿?。近些年來，增材制造技術(shù)的快速發(fā)展也促進(jìn)了鈦合金生產(chǎn)量和使用量的增加。隨著優(yōu)質(zhì)鈦合金材料和鍛件產(chǎn)量的增長，對鍛件及其原材料的化學(xué)成分、高低倍組織、力學(xué)性能、缺陷控制等提出了極高的要求，并對原材料和鍛件的批次一致性和穩(wěn)定性控制也提出了苛刻要求。

優(yōu)質(zhì)鈦合金鑄錠熔煉技術(shù)發(fā)展

鈦是一種高活性的金屬，在熔融狀態(tài)下會(huì)與除惰性氣體(Ar、He)外的幾乎所有固體、液體和氣體發(fā)生反應(yīng)。多孔海綿鈦不能直接用作結(jié)構(gòu)材料，必須經(jīng)進(jìn)一步的熔煉使其成為致密的鑄錠，并經(jīng)后續(xù)鍛造、鑄造或粉末冶金等工藝制成所需的產(chǎn)品。

20 世紀(jì)40 年代末，真空自耗電極電弧熔煉（VAR）技術(shù)已基本成熟，在熔煉工藝方面，復(fù)雜組元的航空級和轉(zhuǎn)子級鈦合金，一般采用三次VAR 工藝，以提高鑄錠的成分均勻性，減少夾雜和偏析等缺陷，并提高批次質(zhì)量一致性。對于含較多β 穩(wěn)定元素(Mo、Cr、Fe 等) 的Ti-6246，Ti-17、Ti-1023 鈦 合 金，在最后一次VAR 熔煉時(shí)需降低電流密度，通過控制熔煉和凝固速度，抑制產(chǎn)生嚴(yán)重的β 穩(wěn)定元素枝晶偏析。目前，發(fā)展了一些適用于VAR 熔煉的、新的監(jiān)控手段，如美國ATI 公司采用預(yù)防側(cè)弧和電弧位置傳感技術(shù)，操作者可以觀察電弧運(yùn)動(dòng)和熔化物輪廓的三維影像。另外，新開發(fā)的一些熔煉模擬軟件，能夠?qū)?shí)際熔煉過程進(jìn)行數(shù)值模擬。

除VAR 熔煉方法外，發(fā)展了適用于鈦合金鑄錠制備的冷爐床熔煉技術(shù)(CHM)，根據(jù)熱源的不同分為兩種，即電子束冷爐床熔煉(EBCHM)和等離子體冷爐床熔煉(PACHM)。實(shí)踐表明，冷爐床熔煉在消除高密度夾雜物、低密度夾雜物及提高成分均勻性方面顯著優(yōu)于VAR 熔煉，從而實(shí)現(xiàn)鈦合金材料“零缺陷”的純凈化制造，成為高性能、多組元、高純鈦合金生產(chǎn)必不可少的熔煉技術(shù)。目前，美國已實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)鈦合金鑄錠冷爐床熔煉的工業(yè)化生產(chǎn)，而且將冷爐床熔煉方法納入材料標(biāo)準(zhǔn)，如GE 公司標(biāo)準(zhǔn)“優(yōu)質(zhì)β 鍛的Ti-17 鈦合金零件”規(guī)定：轉(zhuǎn)動(dòng)部件用鈦合金優(yōu)先采用C級材料，即冷爐床+真空自耗熔煉(HM+VAR)；C 級可以代替B 級(三次真空自耗熔煉)；其他標(biāo)準(zhǔn)“優(yōu)質(zhì)和標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量的α+β 鍛Ti-6Al-4V 鈦合金零件”、“優(yōu)質(zhì)Ti-6Al-4V 鈦合金葉片”、“優(yōu)質(zhì)α+β 鍛Ti-6242 鈦合金零件”等，也納入了最高級別的“HM+VAR”材料。

電子束冷爐床熔煉技術(shù)是在密閉的真空爐室內(nèi)部熔煉鈦合金，近年來取得的技術(shù)進(jìn)步有：改進(jìn)爐床布局，獲得不同形狀的錠坯（方形扁錠、厚壁空心錠），提高了生產(chǎn)效率；采用熔煉數(shù)字化模擬技術(shù)，可以準(zhǔn)確模擬熔池的三維形態(tài)、液固界面條件、側(cè)壁界面條件、鑄錠瞬態(tài)凝固階段的溫度預(yù)測。美國宇航材料標(biāo)準(zhǔn)組織制定了單次冷爐床生產(chǎn)鈦合金的材料標(biāo)準(zhǔn)，即AMS6945（考慮到EBCHM 熔煉時(shí)高真空度條件下高蒸氣壓Al 元素的揮發(fā)，需適當(dāng)增加Al 含量），使一次EBCHM 熔煉的Ti-6Al-4V 板材代替VAR 熔煉或“HM+VAR”的板材產(chǎn)品。

電子束冷爐床熔煉的另一重要用途是鈦殘料的回收利用。TIMET 公司推出了一項(xiàng)稱為“Toll Melting”的回收業(yè)務(wù)，可以為客戶提供的鈦屑?xì)埩线M(jìn)行閉環(huán)回收，采用EBCHM 熔煉轉(zhuǎn)化成鑄錠或中間坯料，確?？蛻舻脑牧现匦禄氐阶约旱漠a(chǎn)品供應(yīng)鏈中，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)管理，進(jìn)一步降低成本。2015 年，VSMPO 安裝了一臺(tái)凝殼弧熔煉爐(SAR：skull arc melting)，實(shí)現(xiàn)了高附加值鈦殘料（鈦屑、塊料）的回收利用，獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國在近十余年內(nèi)裝備了近10 臺(tái)電子束冷爐床熔煉爐，分別在寶鈦集團(tuán)、寶鋼集團(tuán)、洛陽雙瑞萬基、云南鈦業(yè)、青海聚能鈦業(yè)、攀枝花云鈦實(shí)業(yè)、陜西天成航材等企業(yè)。

我國的等離子體冷爐床熔煉爐僅有3 臺(tái)，分別為中國航發(fā)北京航空材料研究院、中國科學(xué)院金屬研究所和寶鋼特鋼所擁有。等離子體冷爐床熔煉需要惰性氣體Ar 或He 作為熱源介質(zhì)，He 是最佳的等離子體介質(zhì)，使用He 氣獲得的熱效率高，但因我國缺乏He氣資源，He 氣高昂的價(jià)格導(dǎo)致熔煉成本過高，工業(yè)生產(chǎn)時(shí)受到限制。而采用Ar 氣獲得的熱效率低，熔體過熱度小，影響熔煉速率，導(dǎo)致等離子體冷爐床熔煉技術(shù)在我國發(fā)展遲緩。

目前，國內(nèi)航空級和轉(zhuǎn)子級用鈦合金棒材和鍛件標(biāo)準(zhǔn)（包括國軍標(biāo)、航標(biāo)）尚未納入冷爐床熔煉方法，應(yīng)充分利用國內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)所、工程化應(yīng)用研究院所、鈦材生產(chǎn)商、鍛件生產(chǎn)商、主機(jī)廠等單位的綜合優(yōu)勢資源，組成聯(lián)合工作組，推動(dòng)冷爐床熔煉技術(shù)在航空級優(yōu)質(zhì)鈦合金材料制造中的應(yīng)用。

優(yōu)質(zhì)鈦合金棒材制造技術(shù)發(fā)展

隨著國內(nèi)鈦合金需求量的猛增，已有的鈦加工企業(yè)進(jìn)行了持續(xù)的技術(shù)改造和擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，如寶鈦集團(tuán)于2012 年投入運(yùn)行了從德國Pahnke 公司引進(jìn)的10000t 快鍛機(jī)，用于大型鑄錠的開坯、改鍛及大規(guī)格棒材的制備，使其φ300mm 以上大規(guī)格棒材的生產(chǎn)能力有了大幅提升，同時(shí)與2500t 快鍛機(jī)相匹配使用，基本覆蓋了所有規(guī)格大棒材的生產(chǎn)需要。在鈦材強(qiáng)勁需求的牽引之下，國內(nèi)建立了一批新的鈦材生產(chǎn)企業(yè)，如西部超導(dǎo)、金天鈦業(yè)、天成航材、新疆湘晟等，從事鈦錠熔煉以及鈦加工材（如棒、板、絲材）的生產(chǎn)。

⑴西部超導(dǎo)擁有3t、5t、8t 真空自耗電弧爐及與之相配套的混布料系統(tǒng)，建立了φ360 ～φ920mm航空用鈦合金鑄錠生產(chǎn)線；擁有8MN、16MN、45MN、80MN 快鍛機(jī)及小規(guī)格棒材生產(chǎn)用的徑向精鍛機(jī)，可實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格鈦合金棒材的專業(yè)化生產(chǎn)，最大規(guī)格達(dá)φ500mm，可滿足飛機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)各類鍛件制造所需。

⑵金天鈦業(yè)擁有1 臺(tái)40/45MN 快鍛機(jī)，具備年產(chǎn)10000t 鈦合金大規(guī)格棒材的生產(chǎn)能力，有一臺(tái)SKK17 徑向精鍛機(jī)，具備年產(chǎn)2500t 鈦合金小規(guī)格棒材的能力。

⑶天成航材建立了以3150kW 冷床爐和10t 雙工位真空自耗爐為基礎(chǔ)的鈦合金鑄錠雙聯(lián)熔煉工藝生產(chǎn)線以及80MN 快鍛機(jī)和大型BD1350/BD850 連軋機(jī)組相配合的棒材生產(chǎn)線，有望顯著降低鈦材的生產(chǎn)成本，提高棒材的組織性能的一致性和批次穩(wěn)定性。先進(jìn)的快鍛機(jī)具有主機(jī)—操作機(jī)聯(lián)動(dòng)及工藝參數(shù)的在線輸入和自動(dòng)執(zhí)行能力，顯著提高棒材表面質(zhì)量和尺寸精度。

⑷新疆湘晟作為一家新成立的鈦專業(yè)化公司，擁有“煤—電—鈦礦—海綿鈦—鈦加工材—鈦制品”全產(chǎn)業(yè)鏈體系，配備了3t、10t 真空自耗電弧爐和進(jìn)口全自動(dòng)配混料裝置，擁有50MN 快鍛液壓機(jī)和80MN油壓機(jī)，可以生產(chǎn)最大規(guī)格φ400mm 的鈦合金棒材。

近些年來，我國各家鈦材生產(chǎn)企業(yè)建立的熔煉、鍛造及與之相配套的裝備，可基本滿足我國航空重點(diǎn)型號對鈦合金不同規(guī)格優(yōu)質(zhì)棒材的生產(chǎn)所需。由于歷史原因，我國在產(chǎn)的鈦合金牌號多，單個(gè)牌號鈦材生產(chǎn)量少，使用經(jīng)驗(yàn)不足，棒材的批次穩(wěn)定性及質(zhì)量一致性等方面亟待提高。國內(nèi)鈦材生產(chǎn)企業(yè)尚未全面得到國際知名航空制造商如波音、空客、GE、RR、PW的原材料供應(yīng)資格批準(zhǔn)，只是個(gè)別單位的個(gè)別牌號得到了試用批準(zhǔn)。國內(nèi)鈦材生產(chǎn)企業(yè)需要建立與國際接軌及與鍛件生產(chǎn)相銜接的生產(chǎn)與質(zhì)量管理體系，努力成為具有國際市場競爭力的供應(yīng)商。