TC4/TA15/Ti80鈦合金材料在國內外的主要應用領域概述

一、國內外鈦合金發展概況

鈦合金是以鈦為基礎加入其他元素組成的合金。在近代工業中，鈦合金以其優良的高強度、耐蝕性及耐熱性等特點已成為高性能結構件的首選材料。此外，鈦具備生物相容性、超導、儲氫、形狀記憶等獨特功能，而被廣泛應用在醫療器械、化工、航天航空、艦船等領域。

目前，已有上百種鈦合金問世，其中最著名的合金有20～30種。鈦合金可以分為α合金、( α+β)合金、 β合金及金屬間化物鈦合金。近年來，新型鈦合金主要有4種類型：高溫鈦合金、高強高韌β型鈦合金、鈦鋁基合金及其復合材料與阻燃鈦合金。我國于1956年開始鈦及其合金的研究，60年代中期開始鈦材的工業化生產。常見的鈦合金為鑄造鈦合金及變形鈦合金。

二、鈦合金生產技術的發展現狀

鈦合金生產技術關系著鈦合金 的質量。鈦合金熔煉、鑄造、成型等技術在近年來得到了極大的發展。

1、鈦和鈦合金的熔煉技術

鈦及鈦合金的熔煉主要分為2類：真空自耗和真空非自耗熔煉，見表1。

在鈦和鈦合金的工業化生產中，最常用的技術是真空白耗電弧熔煉(Vacuum arc remelting，VAR)和冷床爐熔煉。

VAR技術在鈦合金熔煉中可以細化鑄錠組織，提高產品的純凈度。該技術在近年來的主要發展表現在以下幾個方面：①全自動VAR重溶工藝。先進的計算機技術的發展也應用到VAR工藝中，自動電控盒數據收集系統可以為特定的鑄錠和合金建立優良的熔煉模式。除此之外，還可以分析熔煉過程出現的問題，提高金屬成品率。②鑄錠尺寸大型化。大型VAR爐可熔煉質量達30t的鈦鑄錠，國外熔鈦用真空白耗電弧爐噸位大多為8~15t，我國近年來也實現了8～15t熔鈦噸位。③供電方式采用了同軸型供電方式，可以抵消磁場，防止產生偏析。④數值模擬技術的發展。國內外學者利用數值模擬方法研究VAR工藝取得一定的進展。國內學者探索了鑄錠溫度場的分布規律并建立了預測凝固組織形貌、鑄錠成分及缺陷分布的模型。

冷床爐熔煉是以等離子體(Plasma Arc)或電子束(ElectronBeam)為熱量來源，分別形成等離子體冷床爐及電子束冷床爐熔煉的2種工藝。電子束冷床爐熔煉與真空自耗電弧熔煉相比有許多優勢：①可以采用如殘料、散狀海綿鈦以及鈦屑等多種形式的原材料及經濟的原材料；② 可以除去鉬(Mo)、鎢(W)及鉭(Ta)等高密度雜質、氰化物等低密度雜質及易揮發性雜質，是純凈鈦合金材料的重要技術；③通過生產多種截面的鑄錠提高金屬的收得率。近幾年來，電子束冷床爐熔煉技術發展主要表現在以下幾個方面：①海綿鈦垛直接熔煉鈦錠；②數值模擬技術；③單次合金錠熔煉技術；④鑄錠表面熔修技術；④大型空心錠生產技術。

等離子束冷床熔煉技術利用集中、可控及穩定的等離子弧提供熱源的熔煉方法。等離子束冷床熔煉在熔煉鈦合金時，可以防止錳(Mn)、錫(sn)等具有較高揮發性元素揮發，精準控制鈦合金的元素含量；可以產生高速而旋轉的離子束，從而使鈦合金成分更加均勻。此外，等離子工作氣氛是接近大氣壓，因而不會受到原材料的限制；等離子冷爐床熔池大且較深，從而實現溶液充分擴散。等離子冷熔爐技術生產的鈦合金在美國軍用飛機的發動機上應用廣泛。我國也開展了等離子束冷床熔煉的相關研究，北京航空材料研究院安裝了美國Retech公司生產的離子束冷床爐，該設備生產的TC4和TIAL鑄錠在合金的雜質元素含量、夾雜物及合金化元素含量控制等方面均取得了較大的成功。開發一套高均質鈦合金鑄錠單次電子束冷床爐熔煉控制技術是我國未來鈦合金電子束冷床爐熔煉技術發展的趨勢所在 。

2、鈦和鈦合金的其他技術

除了熔煉技術外，對鈦及鈦合金的技術還涉及到冶煉、熔鑄、鍛造等，具體應用技術見表2。

三、國內外鈦合金主要應用領域分析

當前國內外對鈦合金的應用主要集中在以下幾個領域：

1、航天航空領域

飛機機身、發動機及火箭部件中，鈦是不可或缺的“太空金屬”。美國應用鈦合金材料研發高性能飛機，如X一31、X-30等，效果非常顯著，飛機的M系數上升為原來的3倍左 右，而飛機的整體質量下降為原來的80％。俄羅斯生產鈦合金板材、鈦鍛件等應用于飛機制造的鈦合金原材料。我國神州號飛船的研發過程中大量應用到鈦合金。此外，國外也研制出高強鈦合金Ti-5553【Ti-5A1-5MO-5V-3鉻(Cr)】，Ti-55531【Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr-1鋯(Zr)】等。高強近β鈦合金Ti-5553可替代BT22和Ti一1023鈦合金應用于飛機的起落架上。國外成功研制出阻燃鈦合金以保障飛機發動機的安全性，其典型代表是美國的AlloyC(Ti一35V一15Cr)和英國的Ti—25V—15Cr_2A—0.2C合金，阻燃性能和力學性能良好，AlloyC已在軍用飛機發動機中得到實際應用 。

中國科學院金屬所、西北有色金屬研究院、北京航空材料研究院也分別研制出耐高溫、蠕變性能優異、具有良好力學性能的鈦合金。其中TB8(β21s)、TC18(BT22)高強鈦合金是理 想的航空結構材料，在飛機燃油箱集體、液壓系統、箔材方面應用廣泛。在阻燃鈦合金方面，西北有色院研制出具有自主知識產權的Til4阻燃鈦合金，及成本比AlloyC(Ti-35V-15Cr)阻燃鈦合金低的Ti40阻燃鈦合金。

2、船舶領域

船艦等設備長期浸泡在水中，在材料的使用上要求具有高耐腐蝕性、安全可靠、壽命長等特性。TA15鈦板由于強度范圍很寬、物理性能獨特及優異的機械性能、耐腐蝕性、抗沖擊 性等特性，在船艦上得到廣泛的應用。俄羅斯艦船鈦合金應用在泵、過濾器、補給管、滅火系統、壓力容器等設備中。美國海軍與美國Timet公司聯合開發的Timetal5111具有良好的斷裂韌性及抗應力腐蝕性能，又具有良好的室溫蠕變性能并且易焊接。這些高性能鈦合金應用于美國船艦的海水系統、冷卻系統、污水處理系統、電器元件等設備。

我國研制出不同強度級別的近α型船用耐蝕鈦合金Ti75、Ti31、Ti—B19、Ti91、Ti70、Ti80、TA15。西北有色金屬研究院研制的Ti75合金具有自主知識產權，與Ti31合金均具有良好的綜合性能，并都已獲得實際應用。此外，以寶雞有色金屬加工廠為主研制的Ti70和西北有色金屬研究院研制的Ti91具有良好的中強高塑、冷加工性能、透聲性能和可焊性。這些鈦合金在船舶、潛艇、探潛器方面具有廣泛的應用。

3、生物醫用領域

當前鈦合金已經廣泛應用在外科植入手術過程中。代表性鈦合金Ti一12MO-6Zr-2Fe是一種亞穩態合金，因其高強度和斷裂韌性、耐磨性、耐蝕性及彈性模量而適合用于矯形器件。用合金元素Zr、Pd、Nb、Sn、Ta來改善鈦合金力學性能、耐蝕性及生物相容性，這是開發生物鈦合金的主要途徑 。

近年來的各個國家分別研發出新型醫用鈦合金材料，例如美國生產的Ti13Nb13Zr、瑞士生產的Ti6A17Nb及日本生產的Ti15Zr4Nb4Ta2Pd等。我國在20世紀70年代，致力于開放生物醫用鈦合金材料。西北有色金屬研究院研制出在生物相容性、力學性能、工藝性能均領先于世界水平的新型醫用鈦合金TAMz。并在之后又研發出生物與力學相容性更優的第3代醫用鈦合金TLE及TLM。中國科學院金屬研究所研發Ti一2448(Ti一24Nb一4Zr一8Sn)顯著提高了骨骼與植人物的力學相容性。2008年2月以來，Ti2448合金醫療器件進入批量應用階段。

4、汽車工業

汽車輕量化是鈦材最具開發潛力的市場之一。鈦合金主要應用于汽車發動機零部件中，例如：連桿、彈簧、曲軸、緊固件等。

四、國內外鈦合金研究比較

終上所述，國內外鈦合金的應用水平基本是一致的，甚至國內在某些領域的研究和應用超過國外。例如在新型鈦合金的研究應用方面比國外活躍很多。但是，仍然存在一些差距：首先，由于國外在鈦合金的研究和應用時間較長，因此與國外相比，我國在傳統合金的深入研究方面落后于國外水平。其次，新型鈦合金的應用技術較為落后。軍用鈦比例與國外相比較小，民用鈦的領域較窄。美國戰機高達40％的用鈦量相比，我國戰機3％～10％的用鈦量明顯偏低。最后，基礎性研究薄弱，原創性和革命性的鈦材設計與工藝技術少 。

五、國內外鈦合金應用前景及研究建議

1、應用前景

全球鈦鐵礦、銳鈦礦和金紅石的資源總量超過20億t，全球鈦鐵礦儲量約為74億t，占全球鈦礦的92％，金紅石儲量約為4800萬t。全球鈦資源集中分布地點在中國、澳大利亞、南    非、加拿大等國。中國的鈦鐵礦儲量居世界第1位，占到全球鈦鐵礦儲量的28.6％。

綜合鈦資源的豐富儲量及其廣泛用途，我國鈦合金的應用前景將呈現以下幾點特征：①應用領域繼續拓展。將由航天航空和國防軍工領域進一步深入到民用領域。據悉，僅高爾夫 所消耗的鈦已超過1 000t。②鈦工業體系趨于成熟完整，鈦合金廣泛應用初具條件。中國已經具備完整的鈦工業體系，具有一定的鈦合金生產、加工技術。③ 中長期的發展勢頭良好。由于國內經濟、大型海洋、航空及體育等因素的影響，鈦合金的應用前景較好。

2、研究建議

我國鈦合金領域應在以下6個方面深化研究。①鈦的低成本化，低成本包括鈦的制備、加工、設計的技術低成本化，這是擴大鈦合金應用的前提；②高效、短流程鈦合金加工技術；③大型優質鈦合金坯料制備技術；④近凈成形技術；⑤鈦的推廣應用研究，鈦及鈦合金的應用的推廣仍然是研究的主要目的；⑥開發具有高性能、多功能及低成本的競爭力更強的鈦合金。

鈦合金是性能優異的主要材料，在經濟建設和國家安全中具有戰略意義。我國鈦合金材料工藝取得一定程度的發展，但是還存在許多問題亟需解決。例如，鈦合金生產技術還 有待發展，應用范圍有待拓展。在今后，要加強科研和應用推廣，從而加快我國鈦工業的發展。

參考文獻

【1】雷文光，趙永慶，韓棟，等．鈦及鈦合金熔煉技術發展現狀【J】．材料導報，2o16(05)：101-106，124．

【2】馬濟民，蔡建明，郝孟一，等．鈦合金等離子冷爐床熔煉技術的發展[J】．稀有金屬材料與工程，2005，34(s3)：11．

【3】趙永慶．國內外鈦合金研究的發展現狀及趨勢【J】．中國材料進展，2010(05)：1-8，24．

【4】楊銳，郝玉琳．高強度低模量醫用鈦合金Ti2448的研制與應用【J】．新材料產業，2009(9)：28-3．

【5】趙永慶．國內外鈦合金研究的發展現狀及趨勢[J】．中國材料進展，2010(05)：1-8，24．

【6】全球／中國鈦礦資源分布一中國鈦礦產量．中國環保在線．[2017-1-3]．

【7】 劉奇先，劉楊，高凱．鈦合金的研究進展 與應用【J】．航天制造技術，2011(04)：45-48，55．