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大力發(fā)展鈦工業(yè)對(duì)鞏固國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有極其重大的戰(zhàn)略意義。本文對(duì)國(guó)外鈦合金的研究現(xiàn)狀及發(fā)展、國(guó)外鈦合金加工工藝研究及鈦合金的應(yīng)用等情況進(jìn)行了綜述。

鈦是50年代以后登上世界工業(yè)舞臺(tái)的年輕金屬，具有儲(chǔ)氫、超導(dǎo)、耐蝕、重量輕、形狀記憶、超彈和高阻尼等特殊功能，是新型的功能材料和重要的生物材料。從工業(yè)價(jià)值、資源壽命和發(fā)展前景看，它是繼鐵、鋁之后，被譽(yù)為正在崛起的“第三金屬”。大力發(fā)展鈦工業(yè)對(duì)鞏固國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有極其重大的戰(zhàn)略意義，世界各國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展表明，先進(jìn)的鈦工業(yè)是綜合國(guó)力的重要標(biāo)志。

鈦合金的研究與發(fā)展

國(guó)外鈦工業(yè)主要集中在美國(guó)、俄羅斯和日本三個(gè)國(guó)家。由于軍事需求減少，近10年來(lái)世界鈦材產(chǎn)量一直徘徊在5萬(wàn)噸左右。在生產(chǎn)技術(shù)方面，克勞爾法仍是生產(chǎn)海綿鈦的主導(dǎo)工藝。電子束冷床爐熔煉技術(shù)已在鈦鑄錠的制備上進(jìn)行了商業(yè)化應(yīng)用，大型鍛件和精密鍛造技術(shù)正在不斷地發(fā)展，激光成型等近凈成型技術(shù)正在不斷地得到應(yīng)用。一些常規(guī)加工技術(shù)如鍛造、軋制等已完全實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在鈦合金中的應(yīng)用解決了一些鈦合金的實(shí)際問(wèn)題。

有報(bào)道說(shuō)，鈦生產(chǎn)廠家發(fā)現(xiàn)鈦很難進(jìn)入其它市場(chǎng)的主要原因是價(jià)格太高。在美國(guó)，海綿鈦的平均價(jià)為3.8美元／磅，而在俄羅斯是3.2美元／磅。而且民用飛機(jī)制造工業(yè)還有一個(gè)周期問(wèn)題直接影響鈦的價(jià)格。FFC—?jiǎng)蚍ㄊ且环N新的生產(chǎn)鈦金屬或合金的低成本電解法。

世界上鈦的生產(chǎn)僅限于部分工業(yè)國(guó)家，海綿鈦只有美國(guó)、哈薩克斯坦、俄羅斯、日本和中國(guó)5國(guó)生產(chǎn)，大約有20多家海綿鈦廠；加工材有美、日、俄、英、德、法、意、中8國(guó)生產(chǎn)。全世界海綿鈦的生產(chǎn)能力約為11萬(wàn)噸，產(chǎn)量約8萬(wàn)噸。鈦鑄錠的熔煉能力為22萬(wàn)噸，鈦加工材的生產(chǎn)能力約為23萬(wàn)噸。

目前，世界鈦技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)為：鈦的低成本化制備、加工技術(shù)，包括海綿鈦生產(chǎn)、鈦合金材料設(shè)計(jì)及加工過(guò)程等的低成本化；大型優(yōu)質(zhì)鈦合金坯料制備技術(shù)，包括新型電子束和等離子冷床爐熔煉技術(shù)；高效、短流程鈦合金加工技術(shù)，包括單次冷床爐熔煉直接軋制技術(shù)，鈦帶連續(xù)加工技術(shù)生產(chǎn)等；近凈成型技術(shù)，包括激光成形、精密鑄造、精密模鍛、超塑成型／擴(kuò)散連接、噴射成形等；鈦的推廣應(yīng)用技術(shù)，包括生物醫(yī)用鈦、汽車用鈦、建筑用鈦等。

鈦合金加工工藝研究

1.鈦合金機(jī)加工特性分析

首先，鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)低，僅是鋼的1／4，鋁的1／13，銅的1／25。因切削區(qū)散熱慢，不利于熱平衡，在切削加工過(guò)程中，散熱和冷卻效果很差，易于在切削區(qū)形成高溫，加工后零件變形回彈大，造成切削刀具扭矩增大、刃口磨損快，耐用度降低。其次，鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)低，使切削熱積于切削刀附近的小面積區(qū)域內(nèi)不易散發(fā)，前刀面摩擦力加大，不易排屑，切削熱不易散發(fā)，加速刀具磨損。最后，鈦合金化學(xué)活性高，在高溫下加工易與刀具材料起反應(yīng)，形成溶敷、擴(kuò)散，造成粘刀、燒刀、斷刀等現(xiàn)象。

國(guó)外鈦及其合金加工的主要企業(yè)是美國(guó)Timet公司、RMI公司、俄羅斯的VSMPO公司，日本的神戶制鋼和住友公司，他們代表了世界鈦及其合金加工材生產(chǎn)技術(shù)的最高水平。

美國(guó)的鈦及其合金錠約60%以先進(jìn)的等離子或電子束冷床爐進(jìn)行生產(chǎn)，其扁形錠可直接軋制板材，美國(guó)RMI公司和Timet全面掌握丁TC4薄板(厚度為0.4毫米—0.5毫米)的生產(chǎn)技術(shù)，其產(chǎn)品已在波音和空客公司得到大量應(yīng)用。美國(guó)和俄羅斯采用擠壓、法生產(chǎn)鈦合金型材，已在飛機(jī)和艦艇上得到廣泛應(yīng)用，俄羅斯甚至可以用擠壓+脈沖緞打的方法生產(chǎn)薄壁鈦合金型材。

從鈦及其臺(tái)金錠到成品零部件，其成品率僅10%—20%，因此殘鈦及其合金的回收利用，就成了降低成本，擴(kuò)大應(yīng)用的關(guān)鍵。美國(guó)有5家專業(yè)的殘廢鈦料的回收處理企業(yè)，有專門的設(shè)備，專門的技術(shù)，大規(guī)模、高自動(dòng)化地從事殘廢鈦的回收處理，其產(chǎn)品通過(guò)航空級(jí)認(rèn)證，回收生產(chǎn)的鈦材可以重新用于航空產(chǎn)品的生產(chǎn)。

2.鈦合金特種加工技術(shù)

(1)激光加工技術(shù)

利用高功率密度的激光束照射工件，使材料熔化氣化而進(jìn)行穿孔、切割和焊接等的特種加工，英文簡(jiǎn)稱LBML—I。國(guó)外激光加工設(shè)備和工藝發(fā)展迅速，現(xiàn)已擁有100千瓦的大功率CO：激光器、千瓦級(jí)高光束質(zhì)量的Nd：YAG固體激光器，有的可配上光導(dǎo)纖維進(jìn)行多工位、遠(yuǎn)距離工作。激光加工設(shè)備功率大、自動(dòng)化程度高，已普遍采用CNC控制、多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，并裝有激光功率監(jiān)控、自動(dòng)聚焦、工業(yè)電視顯示等輔助系統(tǒng)。激光表面重熔是一種好的方法，可提高鈦的點(diǎn)蝕抗力，擴(kuò)大鈦在苛刻環(huán)境中的應(yīng)用范圍。

激光制孔的最小孔徑已達(dá)0.002毫米，成功地應(yīng)用自動(dòng)化六坐標(biāo)激光制孔專用設(shè)備加工航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、燃燒室氣膜孔，達(dá)到無(wú)再鑄層、無(wú)微裂紋的效果。

激光切割適用于由耐熱合金、鈦合金、復(fù)合材料制成的零件。目前薄材切割速度可達(dá)15米／分鐘，切縫窄，一般在0.1毫米—1毫米之間，熱影響區(qū)只有切縫寬的10%—20%，最大切割厚度可達(dá)45毫米，已廣泛應(yīng)用于飛機(jī)三維蒙皮、框架、艦船船身板架、直升機(jī)旋翼、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室等。

使用激光直接沉積制造先進(jìn)材料，激光直接制造實(shí)現(xiàn)了高能密度熱源，粉末金屬原料和在近凈成型中用計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器控制來(lái)生產(chǎn)大塊材料。粉末冶金和快速固化工藝相結(jié)合允許生產(chǎn)具有新成分和獨(dú)特性質(zhì)的大塊結(jié)構(gòu)材料。

(2)電子束加工技術(shù)

電子束加工是利用高能量的會(huì)聚電子束的熱效應(yīng)或電離效應(yīng)對(duì)材料進(jìn)行的加工。例如對(duì)材料表面進(jìn)行熱處理、焊接、刻蝕、鈷孔、熔煉或直接使材料升華。電子束加工技術(shù)在國(guó)際上日趨成熟，應(yīng)用范圍廣。國(guó)外定型生產(chǎn)的40kV—300kV的電子槍(以60kV、150kV為主)，已普遍采用CNC控制，多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，自動(dòng)化程度高。電子束焊接己成功地應(yīng)用在特種材料、異種材料、空間復(fù)雜曲線、變截面焊接等方面。目前正在研究焊縫自動(dòng)跟蹤、填絲焊接、非真空焊接等，最大焊接熔深可達(dá)300毫米，焊縫深寬比20：1。電子束焊已用于運(yùn)載火箭、航天飛機(jī)等主承力構(gòu)件大型結(jié)構(gòu)的組合焊接，以及飛機(jī)梁、框、起落架部件、發(fā)動(dòng)機(jī)整體轉(zhuǎn)子、機(jī)匣、功率軸等重要結(jié)構(gòu)件和核動(dòng)力裝置壓力容器的制造。如：F-22戰(zhàn)斗機(jī)采用先進(jìn)的電子束焊接，減輕了飛機(jī)重量，提高于整機(jī)的性能；“蘇—27”及其它系列飛機(jī)中的大量承力構(gòu)件，如起落架、承力隔框等，均采用了高壓電子束焊接技術(shù)。

國(guó)外真空電子束物理氣相沉積技術(shù)，已用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片高溫防腐隔熱陶瓷涂層，提高了涂層的抗熱沖擊性能及壽命。電子束刻蝕、電子束輻照固化樹(shù)脂基復(fù)合材料技術(shù)正處于研究階段。

(3)離子束及等離子體加工技術(shù)

聚焦離子束的工作原理是利用聚焦后的離子束掃描樣品表面，通過(guò)檢測(cè)從樣品中被激發(fā)出的二次電子，形成二次電子像進(jìn)行觀測(cè)。在掃描過(guò)程中，因?yàn)殡x子有著較大的質(zhì)量，同時(shí)可以對(duì)樣品進(jìn)行加工。

表面功能涂層具有高硬度、耐磨、抗蝕功能，可顯著提高零件的壽命，在工業(yè)上具有廣泛用途。美國(guó)及歐洲國(guó)家目前多數(shù)用微波ECR等離子體源制備各種功能涂層。等離子體熱噴涂技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入工程化應(yīng)用，廣泛應(yīng)用在航空、航天、船舶等關(guān)鍵零部件的耐磨涂層、封嚴(yán)涂層、熱障涂層和高溫防護(hù)層等。在鈦和鈦合金表面采用微波等離子CVD金剛石涂層，涂層具有較好的結(jié)合強(qiáng)度。

(4)電加工技術(shù)

電火花加工是在一定的液體介質(zhì)中，利用脈沖放電對(duì)導(dǎo)電材料的電蝕現(xiàn)象來(lái)蝕除材料，從而使零件的尺寸、形狀和表面質(zhì)量達(dá)到預(yù)定技術(shù)要求的一種加工方法。日本對(duì)鈦合金表面電火花放電著色進(jìn)行了研究。

國(guó)外電解加工應(yīng)用較廣，除葉片和整體葉輪外己擴(kuò)大到機(jī)匣、盤環(huán)零件和深小孔加工，用電解可加工出高精度金屬反射鏡面。目前，電解加工機(jī)床最大容量已達(dá)到5萬(wàn)安培，并已實(shí)現(xiàn)CNC控制和多參數(shù)自適應(yīng)控制。電火花加工氣膜孔采用多通道、納秒級(jí)超高頻脈沖電源和多電極同時(shí)加工的專用設(shè)備，加工效率2—3秒／孔，表面粗糙度Ra0.4um，通用高檔電火花成型及線切割已能提供微米級(jí)加工精度，可加工3um的微細(xì)軸和5L1m的孔。精密脈沖電解技術(shù)已達(dá)10um左右。電解與電火花復(fù)合加工，電解磨削、電火花磨削已用于生產(chǎn)。

鈦合金的最新加工技術(shù)有近凈成形技術(shù)、線摩擦焊接技術(shù)、超塑性成形技術(shù)、材料制備及加工過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)。

鈦合金的應(yīng)用

美國(guó)、歐洲和俄羅斯的鈦加工材主要用于大型民航客機(jī)、軍用飛機(jī)、航天火箭、導(dǎo)彈、艦船、裝甲火炮、電力、化工、汽車等領(lǐng)域。其典型產(chǎn)品為飛機(jī)結(jié)構(gòu)件、鈦制動(dòng)機(jī)件、壓氣機(jī)葉片和基座、水翼、螺旋槳及軸、支架、浮球、魚(yú)雷發(fā)射裝置、高壓氣瓶和全鈦冷凝器等。為此，他們開(kāi)發(fā)了大型電子束或等離子冷床爐熔煉爐，大型型材生產(chǎn)線、大型鍛件生產(chǎn)線；俄羅斯上薩爾達(dá)公司擁有世界最大的75000噸水壓機(jī)，能生產(chǎn)重達(dá)3.1噸的鈦鍛件，單件重量770公斤以上的大型鑄件生產(chǎn)線等。在新型鈦合金方面，他們開(kāi)發(fā)了600℃的高溫鈦合金，英國(guó)的IMl834合金、美國(guó)的Ti—100鈦合金；高強(qiáng)鈦合金，如美國(guó)的Ti-1023、Ti-15-3、921S等；阻燃鈦合金AlloyC、Ti35V-15Cr、TiAl合金及低成本鈦合金，如美國(guó)Ti-4.5Fe6.8Mo.1.5Al等。日本鈦工業(yè)的民用技術(shù)走在了世界前列，如有經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最優(yōu)的海綿鈦企業(yè)，有亦鋼亦鈦的大卷重鈦帶生產(chǎn)線。其民用鈦制品遍及化工、石化、建筑、冶金、醫(yī)療(人體植入件、輪椅等)、交通(汽車、摩托車)，體育(高爾夫球具、網(wǎng)球拍、漁具，釣魚(yú)船等)、日用電子產(chǎn)品(照相機(jī)，手表、復(fù)印機(jī)、打字機(jī)、手機(jī)、手提電腦等)、炊具(刀、叉、鍋、鏟等)各個(gè)門類?！　∶裼煤娇展I(yè)是金屬鈦的主要消費(fèi)部門。據(jù)國(guó)外有權(quán)威的機(jī)構(gòu)估計(jì)，現(xiàn)在全球的金屬鈦年產(chǎn)量在5—6萬(wàn)噸之間。民用航空工業(yè)的用鈦量占40%，工業(yè)應(yīng)用占34%，軍事工業(yè)占16%，日常消費(fèi)晶的用鈦量占10%，據(jù)報(bào)道，工業(yè)用鈦的領(lǐng)域包括化學(xué)工業(yè)、電力工業(yè)、能源工業(yè)、石油和天然氣工業(yè)、海水淡化等方面。軍工用鈦，除了飛機(jī)制造外，還包括裝甲車、戰(zhàn)車。還有汽車制造、建筑、運(yùn)動(dòng)器材、器械和首飾品也是使用鈦的行業(yè)。

2002年以來(lái)鈦的一些新興市場(chǎng)，如汽車和石油、天然氣都表現(xiàn)出溫和增長(zhǎng)的跡象。就長(zhǎng)期來(lái)看，汽車業(yè)將是鈦應(yīng)用的一個(gè)更有保證的競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)域。鈦也正被用于濱海石油和天然氣開(kāi)發(fā)應(yīng)用中。高端消費(fèi)晶，如高爾夫球桿和網(wǎng)球拍都已是一個(gè)成熟的環(huán)節(jié)。鈦的另一熱點(diǎn)是在生物醫(yī)學(xué)部門，醫(yī)藥市場(chǎng)需求不像其它市場(chǎng)呈現(xiàn)出大起大落的周期性，由于社會(huì)老齡化問(wèn)題，醫(yī)藥市場(chǎng)每年正以5%—7%的速度增長(zhǎng)，鈦在醫(yī)藥市場(chǎng)中具有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景。這些新興市場(chǎng)的鈦消費(fèi)量在2001年為6000噸，2006年增加到10000噸。2007年，國(guó)際市場(chǎng)對(duì)鈦合金產(chǎn)品的需求繼續(xù)大幅增長(zhǎng)，航空領(lǐng)域?qū)⒊蔀槲磥?lái)幾年國(guó)際市場(chǎng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域.航空航天、“兩堿一鹽”、石化、電力、海洋石油、艦船以及體育休閑等鈦產(chǎn)品主要應(yīng)用市場(chǎng)將繼續(xù)保持旺盛需求，同時(shí)計(jì)算機(jī)等新的鈦需求增長(zhǎng)點(diǎn)也在不斷涌現(xiàn)，并呈上升趨勢(shì)。據(jù)日本先進(jìn)材料公司預(yù)測(cè)，到2010年，世界鈦加工材市場(chǎng)將擴(kuò)大到120000噸，海綿鈦的需求將達(dá)到150000—160000噸。

結(jié)束語(yǔ)

鈦工業(yè)目前最關(guān)心的問(wèn)題有兩點(diǎn)：一是如何開(kāi)發(fā)鈦的新應(yīng)用領(lǐng)域。二是如何采用先進(jìn)加ZT藝來(lái)降低鈦材生產(chǎn)成本。這也是最為關(guān)鍵的問(wèn)題。目前許多鈦專家正致力于此項(xiàng)研究。如用冷爐床一次熔煉方法(電子束或等離子)生產(chǎn)矩形板坯，再直接軋制成扁平材的工藝技術(shù)就是目前低成本鈦材生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。又如，生產(chǎn)汽車鈦閥門用的近凈成形、粉末冶金方法及制取海綿鈦的電解法也是考慮降低成本的方法。可以相信隨著鈦研究的不斷深入，鈦的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏訑U(kuò)展，并將獲得更大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。