鈦及鈦合金研究與應(yīng)用的新進(jìn)展

鈦合金具有密度低、比強(qiáng)、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)。受到許多行業(yè)的高度重視。被稱為“第三金屬”（鋼鋁后）、“空間金屬”和“海洋金屬”。在國(guó)防、勞動(dòng)和軍事設(shè)備的快速發(fā)展和性能得到改善的“節(jié)能減排、綠色發(fā)展”以及“建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)”的政治支持下，其重要性和發(fā)展前景顯而易見。我國(guó)鈦及鈦合金研究及產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)65年發(fā)展,形成了冶煉、熔煉、加工、應(yīng)用全產(chǎn)業(yè)鏈,技術(shù)體系較完整,在航空航天、化工領(lǐng)域、醫(yī)療行業(yè)等領(lǐng)域獲得較廣泛應(yīng)用,基礎(chǔ)研究水平在國(guó)際上占有重要地位。廣闊的市場(chǎng)需求、良好的技術(shù)積累,毫無(wú)疑問(wèn),中國(guó)鈦合金研究和產(chǎn)業(yè)未來(lái)大有可為。由中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)主辦的“全國(guó)鈦及鈦合金學(xué)術(shù)交流會(huì)”自1973年在寶雞成功舉辦第一屆會(huì)議以來(lái),已先后成功舉辦了16屆,并發(fā)展成為我國(guó)鈦行業(yè)的科技盛會(huì)和鈦領(lǐng)域重要的產(chǎn)學(xué)研交流平臺(tái)。2019年4月14～17日,由南京工業(yè)大學(xué)等單位承辦的“第十七屆全國(guó)鈦及鈦合金學(xué)術(shù)交流會(huì)”在六朝古都南京成功召開。會(huì)議共進(jìn)行了11個(gè)大會(huì)特邀報(bào)告、41個(gè)分會(huì)特邀報(bào)告和192個(gè)口頭報(bào)告,報(bào)告人來(lái)自我國(guó)鈦合金冶金、材料、制造及應(yīng)用領(lǐng)域的近30家高校、15家研究院所和10家企業(yè)。相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜?、學(xué)者、碩博學(xué)生和工程師等600余人參加交流會(huì)。鈦行業(yè)的科技工作者們共同分享了近3年鈦行業(yè)基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究的最新進(jìn)展和可喜成果,交流探討了國(guó)內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài)和關(guān)鍵問(wèn)題,通過(guò)內(nèi)容豐富的交流以及不同學(xué)術(shù)思想的碰撞,啟發(fā)了思路,增強(qiáng)了合作?！吨袊?guó)材料進(jìn)展》雜志社是本屆學(xué)術(shù)交流會(huì)的協(xié)辦單位之一,并派編輯(筆者)參會(huì)學(xué)習(xí)。筆者了解到近3年我國(guó)在海綿鈦冶金、TiAl合金成形技術(shù)及應(yīng)用、高品質(zhì)鈦合金粉末制備、粉末冶金制備鈦合金大型構(gòu)件、鈦合金增材制造、鈦合金低成本制備加工技術(shù)、鈦基復(fù)合材料成形技術(shù)等鈦領(lǐng)域眾多方向有重大進(jìn)展。中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)賈明星理事長(zhǎng)在大會(huì)致辭中說(shuō),鈦合金在C919大飛機(jī)項(xiàng)目、4500米深潛器等重大工程的應(yīng)用,表明了我國(guó)鈦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展又上了一個(gè)新臺(tái)階。相信未來(lái),鈦及鈦合金高端化發(fā)展的速度會(huì)越來(lái)越快。同時(shí),筆者也了解到目前我國(guó)鈦合金成本仍然很高,產(chǎn)品性能不均一、不穩(wěn)定,應(yīng)用量仍然很少;基礎(chǔ)研究、數(shù)據(jù)積累仍然比較弱,應(yīng)用技術(shù)研究不足。鈦及鈦合金領(lǐng)域科研及產(chǎn)業(yè)發(fā)展任重道遠(yuǎn)。筆者借“第十七屆全國(guó)鈦及鈦合金學(xué)術(shù)交流會(huì)”召開的難得機(jī)會(huì),采訪了5位鈦及鈦合金領(lǐng)域的資深專家,為鈦領(lǐng)域同仁們介紹部分應(yīng)用研究方向取得的可喜成果,探討發(fā)展趨勢(shì)和重點(diǎn)。希望擴(kuò)大會(huì)議交流成果,增強(qiáng)鈦領(lǐng)域科研人員的信心并凝聚共識(shí),攜手專家、學(xué)者,助力鈦科技和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、繁榮發(fā)展。(1)林均品教授、張繼教授談:國(guó)內(nèi)TiAl合金研究、應(yīng)用進(jìn)展(2)張緒虎副總師談:粉末冶金制備鈦合金大型構(gòu)件的進(jìn)展(3)呂維潔教授談:鈦基復(fù)合材料的大尺寸構(gòu)件精密熱加工成形技術(shù)的突破(4)常輝教授談:鈦合金低成本制備加工技術(shù)的進(jìn)展及趨勢(shì)(1)我國(guó)tial合金的現(xiàn)狀和現(xiàn)狀TiAl基金屬間化合物(也稱TiAl合金)是一種新型輕質(zhì)的高溫結(jié)構(gòu)材料,密度不到鎳基合金的50%,具有輕質(zhì)、高比強(qiáng)、高比剛,良好的高溫抗氧化性、蠕變抗力及阻燃性能等優(yōu)點(diǎn),使用溫度可達(dá)到650～900℃,成為當(dāng)代航空航天工業(yè)、兵器工業(yè)以及民用工業(yè)等領(lǐng)域的優(yōu)秀候選高溫結(jié)構(gòu)材料之一。目前工程用TiAl合金已形成兩個(gè)不同使用溫度的級(jí)別:高溫TiAl合金(高Nb-TiAl合金)和普通TiAl合金,基礎(chǔ)合金成分主要差別是在Nb含量上:Ti-48Al-2Nb為普通TiAl合金;Ti-45Al-(5～10)Nb為高Nb-TiAl合金。2006年,美國(guó)波音787/747民用飛機(jī)GEnx系列發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用4822-TiAl合金作低壓渦輪葉片;2016年A320的PW1100G-JM-JTF發(fā)動(dòng)機(jī)裝配了TNM變形TiAl合金制備的低壓渦輪葉片;日本、德國(guó)、美國(guó)等把TiAl合金成功應(yīng)用于汽車增壓渦輪葉片和排氣閥。編輯從“第十七屆全國(guó)鈦及鈦合金學(xué)術(shù)交流會(huì)”獲悉,國(guó)內(nèi)TiAl合金應(yīng)用研究取得不少突破和進(jìn)展,TiAl合金研究和應(yīng)用未來(lái)幾年會(huì)加速發(fā)展嗎?哪些方向應(yīng)用會(huì)率先發(fā)展起來(lái)呢?對(duì)此,編輯采訪了國(guó)內(nèi)TiAl合金領(lǐng)域兩位資深專家:北京科技大學(xué)林均品教授和鋼鐵研究總院張繼教授。編輯:林教授,國(guó)內(nèi)TiAl合金研究、應(yīng)用方面,近3年有哪些重大突破和進(jìn)展呢?林均品教授:大的進(jìn)展挺多,比如:1)北京科技大學(xué)牽頭的“973”計(jì)劃項(xiàng)目中,已開發(fā)出新一代高Nb-TiAl合金,使用溫度比普通TiAl合金可提高60～100℃。目前,已鑄造出航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片樣件,高Nb-TiAl增壓渦輪通過(guò)了臺(tái)架磨合試驗(yàn)。2)鋼鐵研究總院開發(fā)的二代TiAl合金Ti-47Al-2.5V-1.0Cr,應(yīng)用在車用增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上,已完成發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)壽命考核,正進(jìn)行車輛全路況試運(yùn)行。對(duì)比試驗(yàn)表明,渦輪減重顯著改善了陸裝動(dòng)力的加速響應(yīng)性和排放煙度,有望正式列裝;研制的工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)用低壓渦輪葉片已在西門子工業(yè)燃機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)完成掛片24000h,驗(yàn)證了表面和組織的長(zhǎng)期穩(wěn)定性水平。3)中科院金屬所制備的TiAl合金葉片,獲得英國(guó)羅羅航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司的精密鑄造技術(shù)質(zhì)量認(rèn)證證書。4)哈工大負(fù)責(zé)的“軍工973”項(xiàng)目將TiAl合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用推進(jìn)了一大步。編輯:請(qǐng)您談一下TiAl合金應(yīng)用的前景?您認(rèn)為,可能最先突破和實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的成形技術(shù)是什么呢?林均品教授:發(fā)展650～900℃使用的低密度、高比強(qiáng)的TiAl金屬間化合物新材料是我國(guó)航空、航天、運(yùn)輸、能源技術(shù)發(fā)展的迫切需求,對(duì)國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)建設(shè)意義重大。TiAl合金是一類全新材料,與鎳基高溫合金相比減重約50%,其應(yīng)用將使我國(guó)高端制造產(chǎn)品的設(shè)計(jì)全新改變,有更新?lián)Q代和突破性意義,經(jīng)濟(jì)效益巨大。最先突破和實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的成形技術(shù)將是鑄造和等溫鍛造。編輯:TiAl合金在我國(guó)還沒(méi)有形成產(chǎn)業(yè)化及工程應(yīng)用,主要原因是什么呢?林均品教授:主要有兩方面的原因。首先是一些關(guān)鍵技術(shù)還沒(méi)有突破:如TiAl合金零部件的低成本化制造;大型薄壁復(fù)雜TiAl合金構(gòu)件凝固組織控制及整體熔模精密鑄造技術(shù);TiAl合金擠壓、近等溫鍛造、葉片模鍛技術(shù),大尺寸板材制備技術(shù),連接及超塑成形技術(shù);高性能低含氧量球形超細(xì)TiAl合金粉末制備及3D打印技術(shù)等。還有就是數(shù)據(jù)庫(kù)及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的缺乏。當(dāng)前制約TiAl合金在我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的主要原因是缺乏金屬間化合物材料構(gòu)件設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和使用經(jīng)驗(yàn),特別是對(duì)金屬間化合物材料室溫塑性和斷裂韌性的要求、及其與蠕變和疲勞性能的匹配情況不明確。國(guó)外已經(jīng)擁有TiAl合金的性能評(píng)價(jià)方法、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和數(shù)據(jù)庫(kù),但對(duì)我國(guó)進(jìn)行技術(shù)保密和封鎖,因此建立我國(guó)針對(duì)典型牌號(hào)TiAl合金的性能表征、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和數(shù)據(jù)庫(kù)至關(guān)重要。編輯:張教授,您帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)TiAl合金應(yīng)用方面率先取得較大進(jìn)展,研制的TiAl精密鑄造件應(yīng)用在重型車輛用增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上,已完成發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)壽命考核,正進(jìn)行車輛全路況試運(yùn)行,對(duì)重型車輛性能提升、環(huán)保性有很大意義。從報(bào)告中得知,整個(gè)推進(jìn)應(yīng)用的過(guò)程非常復(fù)雜、非常不容易,您可以給我們簡(jiǎn)單介紹下嗎?張繼教授:是的,我們完成了從部件考核、發(fā)動(dòng)機(jī)考核、到整車考核一個(gè)全流程試驗(yàn),這個(gè)過(guò)程不光要解決材料自身的問(wèn)題,還涉及部件加工、TiAl與鋼軸連接、軸系動(dòng)平衡調(diào)整等問(wèn)題,需要很多新知識(shí)、新技術(shù),需要材料研究人員和設(shè)計(jì)、制造及組裝部門不斷加強(qiáng)溝通、協(xié)同創(chuàng)新。編輯:TiAl合金未來(lái)哪些方向會(huì)獲得更多應(yīng)用?張繼教授:從國(guó)外和國(guó)內(nèi)看,TiAl鑄造件應(yīng)該會(huì)更快取得應(yīng)用。像TiAl合金鑄造件主要用在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室和發(fā)動(dòng)機(jī)后段,風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)小一些;而鍛造件將應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)前端,性能要求更高,風(fēng)險(xiǎn)更大,考核試驗(yàn)的過(guò)程會(huì)更長(zhǎng)些。編輯:TiAl鑄造件或TiAl合金的市場(chǎng)規(guī)模大嗎?會(huì)對(duì)高端鈦材的用量提升貢獻(xiàn)多少?張繼教授:TiAl合金鑄件成本仍很高,是高溫合金鑄件的4倍左右,主要高在工藝成本。未來(lái)主要民用領(lǐng)域應(yīng)用是民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)和特殊用途車輛的渦輪增壓柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)等,形成批量仍需一定的時(shí)間。TiAl系合金中目前Ti2AlNb的應(yīng)用已經(jīng)成一定批量,現(xiàn)一年能到10噸左右,會(huì)對(duì)鈦材用量提升有所貢獻(xiàn)。(2)原位自生顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的制備和完善上海交通大學(xué)呂維潔教授在“第十七屆全國(guó)鈦會(huì)-金屬間化合物與鈦基復(fù)合材料分會(huì)”邀請(qǐng)報(bào)告中介紹到,他們團(tuán)隊(duì)在微納復(fù)合強(qiáng)化鈦基復(fù)合材料精密熱加工成形技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究方面取得多項(xiàng)成果,并且已制備出直徑達(dá)600mm的精密構(gòu)件,在航天、兵器領(lǐng)域獲得應(yīng)用,使高性能鈦基復(fù)合材料向工程化應(yīng)用邁出一大步。編輯:您可以介紹下微納復(fù)合強(qiáng)化鈦基復(fù)合材料,及其此次大尺寸構(gòu)件精密成形加工技術(shù)突破的重要意義嗎?呂維潔教授:高性能鈦合金材料是國(guó)家在重大裝備制造中布局的重中之重,而原位自生顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料是在鈦合金基礎(chǔ)上,通過(guò)添加多元多尺度增強(qiáng)相發(fā)展出來(lái)的一類特殊新材料,突破了傳統(tǒng)鈦材強(qiáng)度低、模量小和耐熱性差的臼殼,應(yīng)用領(lǐng)域(航空、航天、兵器等)和前景非常巨大。但是,制約鈦基復(fù)合材料發(fā)展和規(guī)?；こ虘?yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題仍然存在3點(diǎn):復(fù)合調(diào)控難、組織優(yōu)化難、形變加工難。我們團(tuán)隊(duì)提出了鈦基復(fù)合材料“控形、控型和控性”以及“微納復(fù)合強(qiáng)化”的設(shè)計(jì)思想,從“設(shè)計(jì)復(fù)合-復(fù)合響應(yīng)-變形加工”三方面,解決了原位自生鈦基復(fù)合材料中有效增強(qiáng)體種類、尺寸、形態(tài)、分布等難以有效控制的難題,實(shí)現(xiàn)了多元多相高性能鈦基復(fù)合材料的可控制備,研制出的鈦基復(fù)合材料具有非常優(yōu)異的高強(qiáng)高模和耐高溫特性。然而,鈦基復(fù)合材料由于存在陶瓷顆粒相,使其大尺寸構(gòu)件精密成形加工非常困難,也是該材料大型構(gòu)件成型和應(yīng)用的瓶頸。針對(duì)復(fù)合材料精密成型難等關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題,近幾年我們開展了熱加工成形和工程應(yīng)用的關(guān)鍵基礎(chǔ)理論和應(yīng)用研究,構(gòu)筑了微納復(fù)合強(qiáng)化鈦基復(fù)合材料超塑性加工判據(jù),解決了鈦基復(fù)合材料的大變形難題,為高性能鍛件研制供了實(shí)踐依據(jù),實(shí)現(xiàn)了高性能鈦基復(fù)合材料精密熱加工成形技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)理論創(chuàng)新。編輯:鈦基復(fù)合材料未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)和重要問(wèn)題,您認(rèn)為有哪些?呂維潔教授:鈦基復(fù)合材料研究,未來(lái)既要深入拓展材料的基礎(chǔ)研究,但也要持續(xù)擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域和工程化規(guī)模,形成研發(fā)-應(yīng)用-發(fā)展的良性循環(huán)。其預(yù)期的增長(zhǎng)點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)包括復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、多元多尺度復(fù)合強(qiáng)韌化、納米力學(xué)及構(gòu)件服役性能評(píng)價(jià),以及復(fù)雜構(gòu)件的智能精密成形技術(shù)等方面。(3)金精密成型技術(shù)應(yīng)具有創(chuàng)新性中國(guó)航天科技集團(tuán)航天材料及工藝研究所張緒虎副總師在“第十七屆全國(guó)鈦及鈦合金學(xué)術(shù)交流會(huì)”大會(huì)報(bào)告上,作了題為“航天鈦合金材料及構(gòu)件精密成型技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)”的精彩大會(huì)報(bào)告。就鈦合金材料在航天領(lǐng)域應(yīng)用研究的進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì),編輯采訪了張緒虎副總師。編輯:張副總師,請(qǐng)您談下鈦合金精密成型技術(shù)方面,國(guó)內(nèi)取得的進(jìn)展?張副總師:航天用鈦合金有變形構(gòu)件、鑄造構(gòu)件,還有粉末冶金構(gòu)件,相比而言,粉末冶金技術(shù)及應(yīng)用近年取得較大進(jìn)展。這主要是因?yàn)槲覈?guó)的鈦合金制粉技術(shù)取得突破和較大進(jìn)展,國(guó)內(nèi)很多企業(yè)可以提供高品質(zhì)、多品種的3D打印鈦合金粉和粉末冶金用鈦合金粉,可以保證國(guó)內(nèi)鈦合金粉末冶金構(gòu)件的各種材料需求。編輯:粉末冶金技術(shù)具有哪些特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)呢?張副總師:粉末冶金技術(shù)制備的結(jié)構(gòu)件,性能可達(dá)到鍛件的性能水平,并且性能均一性好、制備過(guò)程短。產(chǎn)業(yè)化前景很好,優(yōu)勢(shì)明顯。編輯:除了高品質(zhì)粉末,采用粉末冶金技術(shù)制備高性能航天領(lǐng)域鈦合金構(gòu)件,還需要解決什么關(guān)鍵技術(shù)難題呢?張副總師:我們單位經(jīng)過(guò)幾個(gè)“五年計(jì)劃”的實(shí)施和研究積累,還解決了大型構(gòu)件熱等靜壓技術(shù)、應(yīng)力控制技術(shù)、大型復(fù)雜構(gòu)件粉末冶金制備技術(shù)、型模去除技術(shù)等,可以實(shí)現(xiàn)大批量、穩(wěn)定生產(chǎn)。隨著技術(shù)的積累和進(jìn)步,粉末冶金技術(shù)制備構(gòu)件的高性能、低成本優(yōu)勢(shì)將日益凸顯出來(lái),航空航天領(lǐng)域的市場(chǎng)規(guī)模很大。(4)我國(guó)鈦合金低成本制備加工技術(shù)的應(yīng)用和進(jìn)展南京工業(yè)大學(xué)常輝教授在題為“鈦合金低成本制備加工技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)”的大會(huì)報(bào)告中介紹說(shuō),2017年,我國(guó)鈦錠年產(chǎn)能有146700噸,而加工材產(chǎn)量只有55400噸左右,消費(fèi)量只有55130噸,綜合產(chǎn)能利用率僅為37.6%,消費(fèi)不足,產(chǎn)能過(guò)剩。這主要是因?yàn)殁伜辖鸬某杀具€是太高,是鋼鐵價(jià)格的近17倍左右,是鋁合金價(jià)格的4.5倍左右。據(jù)美國(guó)波音公司統(tǒng)計(jì)分析,航空鈦合金材料從原料到成品入庫(kù)的總成本中,海綿鈦原材料成本占46%,熔煉、加工成形、熱處理、檢驗(yàn)等成本占54%。加快研究、突破鈦合金低成本制備加工技術(shù)、大力推動(dòng)鈦合金在我國(guó)相關(guān)重大工程中的廣泛應(yīng)用,是我國(guó)鈦合金研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。對(duì)此,編輯采訪了國(guó)內(nèi)鈦合金領(lǐng)域知名專家常輝教授,請(qǐng)他介紹下鈦合金低成本制備加工技術(shù)的重要性及其途徑。編輯:常教授,您認(rèn)為國(guó)內(nèi)鈦合金研究、應(yīng)用與國(guó)外的差距有哪些?可否談下鈦合金低成本制備加工技術(shù)的重要性?常輝教授:差距主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:其一是鈦合金基礎(chǔ)研究水平差距較大,國(guó)外的研究比較深入和系統(tǒng),數(shù)據(jù)積累非常豐富。其二是鈦合金產(chǎn)品的一致性和穩(wěn)定性有較大差距。這種差距一方面是由于管理方面的問(wèn)題,但更重要的是工藝穩(wěn)定性和一致性的控制水平有較大差距。其三是采用諸如材料基因組工程技術(shù)或材料集成計(jì)算工程技術(shù),來(lái)研究鈦合金全流程制備加工過(guò)程中成分-組織-性能-服役性能之間關(guān)系,在這一前沿方向我們已經(jīng)落后了。另外,就是鈦合金的應(yīng)用技術(shù)研究比較落后,對(duì)鈦合金的應(yīng)用造成影響。研究和提出鈦合金的低成本化途徑和方法,是擴(kuò)大鈦合金用途和用量的根本途徑,也是目前我國(guó)鈦工業(yè)發(fā)展到現(xiàn)在的一個(gè)比較突出的問(wèn)題。發(fā)展鈦合金低成本制備加工技術(shù)對(duì)進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)鈦合金產(chǎn)業(yè)向更高水平發(fā)展、鈦合金制備加工技術(shù)的升級(jí)和換