摘要 鈦合金是一種“新”的金屬，它廣泛應用于航空航天、電力、化工等領域。鈦合金制品不僅尺寸精度高，而且具有優良的特性和高的穩定性。鈦合金屬于難鍛材，易產生裂紋，因此在鈦合金鍛件生產中最重要的就是對鍛造溫度和塑性變形進行適當的控制，模鍛成為制備鈦合金結構件的一種重要手段。

　　關鍵詞 鈦合金；性能；現狀；趨勢

　　鈦合金由于具有比強度高、使用范圍廣、抗腐蝕性好和良好的加工性能等，被廣泛應用于航空航天及其發動機結構中。世界鈦產業發展迅速，其中50%的市場份額屬于航空工業。從工業價值和資源壽命的發展前景來看，它僅次于鐵、鋁而被譽為正在崛起的“第三金屬”。由于鈦合金冷變形困難，模鍛成為制備鈦合金結構件的一種重要手段。由于在飛機上使用的鈦合金鍛件都比較大，因此特大型鈦合金鍛件的生產技術是必須解決的重大關鍵技術。

　　1.1 國內外鈦合金研究概況及發展趨勢

　　鈦是二戰后登上世界工業大舞臺的優質輕型高強度耐腐蝕結構材料、新型功能材料和重要的生物工程材料。美國的鈦材主要用于航空航天領域，日本的鈦材主要應用于一般民用工業及民品領域，中國的鈦材主要應用于化工、電力等民用領域。其中美、日兩國的產量約占世界鈦材料總量的70%。

　　鈦在美國宇航用途最大的方面主要分為軍用機及民用機的機體以及發動機上的使用。鈦合金用于發動機的壓氣機、風扇葉片、外殼、發動機艙、隔板、起落架等。美國F14、F15、F117、B2、F22軍機的用鈦比例分別為：24%，27%，25%，26%，42%，其中1架F15軍機用鈦達

　　30噸。在民用飛機中，1架波音747飛機用鈦達到42.7噸，SR71偵察機的機身幾乎全由鈦合金組成。鈦制元件在汽車行業也開始出現了，美國Timet公司在德國大眾汽車公司的新型Lupo FSI汽車上使用了鈦懸簧比標準FSI總重減輕81.6kg。近些年美國正在加快鈦合金在汽車領域方面的研究發展。

　　日本鈦應用的特點仍是在民用、化工、電力上。日本在20世紀80年代末就開始研制鈦合金精鑄高爾夫球頭并獲得良好的效果。在建筑業中，日本在1973年就建造了世界首例鈦屋頂，其中在真光明教堂屋頂上用鈦達90噸以上。現在在上百個建筑物都使用了鈦，使許多重污染地區、濱海地區的腐蝕問題得到很好的解決。近幾年，日本致力于在運輸工具中的鈦應用開發，而且在汽車用鈦方面發展最快，如2002年鈦在世界汽車工業中的應用達800噸，日本就占600噸。新開發的船舶、輪椅、家用熱水器用鈦也正在進行實用化實驗階段。

　　我國鈦工業是在黨和政府的關懷和指導下發展起來的。1954年開始制取海綿鈦的工藝研究，我國先后建立了以遵義鈦廠為代表的生產單位，以寶雞有色金屬加工廠為代表的鈦材加工單位，以北京有色金屬研究總院為代表的科研力量。近年來我國的鈦材產量增長飛速，1996年鈦產量1500噸，到2006年達到13879噸。中國的鈦材產量占世界鈦工業的比例上升到了10%。中國鈦材的消費以非航空應用為主，化工、冶金、電力及體育休閑領域占鈦材市場的70%以上。在鈦合金研究方面，西北有色金屬研究院自主研發的Ti-31，Ti-75，CT20等合金在艦船、航空航天領域以獲得重要工程應用。我國在船用鈦合金方面以實現合金系列化，可以生產低強、中強、高強的13種鈦合金。

　　目前，鈦合金材料主要的應用領域是航空航天、艦船等軍事部門，在汽車、火車、高樓外墻裝飾等民用領域的應用前景十分廣闊。要使鈦合金能夠廣泛應用，必須降低原材料成本，開發低成本生產工藝，開發新的海綿鈦生產工藝，開發可冷變形的鈦合金；采用先進的熔煉加工技術和設備，以提高生產效率。

　　1.2 國外鍛造的現狀與發展

　　1.2.1 國外鍛造現狀

　　鍛壓是制造業中金屬成形及加工的一種重要手段，不但可賦予產品一定的結構形狀，而且能直接起到改善和提高產品組織性能的作用。鍛造技術在西方國家和日本發展的比較早，并且現在已經廣泛應用到軍用、民用等領域。尤其是在模鍛水平、大鍛件生產、熱模鍛工藝等多個方面發展非常迅速。在20世紀90年代時，在模鍛件比例方面：美國80%、法國90%、日本88%。在模鍛裝備水平方面：以精密剪切為主，熱模鍛壓力機占成形設備總數的50%以上，綜合自動線上生產的鍛件占鍛件總量40%以上。廢品率方面：重要的大鍛件是100%合格，模鍛件的廢品率都在0.5%以下。鍛造工藝自動化水平方面：美國有5085條鍛壓自動線，日本有900條以上。

　　現在我國鍛件年產量已居世界首位，是鍛件生產大國，但不是生產強國。我國模鍛件為270萬件，模鍛件占鍛件總產量的70%。近10年我國獨立鍛造企業在增多，民營、合營中小企業如雨后春筍般出現，許多鍛造專業生產線已經形成，鍛造企業逐步重視市場運作，已有鍛件成批出口。盡管如此，我國鍛造業與發達國家相比存在以下一些問題：

　　1）企業數量多，規模較小，管理落后。

　　2）鍛造工藝水平落后。

　　3）為轎車工業配套的小型精密鍛件、有色金屬鍛件能力不足。

　　4）裝備技術、能源技術落后，員工作業環境差，企業不符合環保要求。

　　5）CAD/CAM/CAE技術應用不夠廣泛。

　　6）鍛造產品專業化程度低。

　　1.2.2 鈦合金鍛造研究

　　鈦合金制品的應用不僅要求鍛件尺寸精度高，而且要求材料具有優良的特性和高的穩定性。鈦合金屬于難鍛材，易產生裂紋，因此在鈦合金鍛件生產中最重要的就是對鍛造溫度和塑性變形進行適當的控制。由于鈦合金冷變形困難，模鍛成為制備鈦合金結構件的一種重要手段。鈦合金傳統模鍛工藝包括常規鍛造，β鍛造，亞β鍛造。而傳統的鍛造過程中，因鈦合金的變形抗力對鍛造溫度非常敏感，為減少模具對工件的冷卻，鍛造速度要求很高，速度越高，變形抗力越大，鍛造載荷就越大，同時高速鍛錘使鍛件內金屬流動速度太快，毛坯內會產生強烈的內摩擦，發生局部溫度升高，鈦合金導熱性能較差，熱量較難迅速散開，造成局部過熱，出現粗大晶粒的過熱組織。

　　近些年來，準β鍛造、近β鍛造、等溫鍛造、熱模鍛造這些鈦合金模鍛工藝的新發展解決了傳統工藝的缺陷。準β鍛造工藝的主要特點是：通過控制鈦合金低倍晶粒度，從根本上解決網籃組織塑性偏低的難題，因此可以使大量正在應用的α和α+β型鈦合金的應用水平和使用壽命得到提高，同時大大降低生產成本和能耗。尤其是等溫鍛造的出現，解決了一系列以往難以解決的問題。等溫鍛造是指模具自始自終與工件保持相同的溫度，以低應變速率進行變形的一種鍛造方法。與常規鍛造相比，等溫鍛造有下列優點：

　　1）等溫鍛造可密切控制鍛件尺寸，能夠鍛出形狀復雜、精度高的鍛件，比常規鍛造更符合實際需要，節省了原料，大大減少了機加工，降低了成本。

　　2）鍛造載荷較小，設備噸位大大減少，使鍛造高溫合金成為

　　可能。

　　3）1步等溫鍛造工序可代替3-4步常規鍛造工序，減少了鍛造作業量，提高了效率。

　　4）容易控制加工參數，可利用材料的超塑變形特征，產品具有均

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　　勻一致的微觀組織。

　　目前發達國家等溫鍛造硬件已經相當成熟，我國經過幾十年的發展，等溫鍛造逐漸在我國的航空航天工業得到應用。寶鋼、西北工業大學、南昌航空大學、原機械部機電所等單位利用等溫鍛造工藝已經生產了多種TC4、TC11合金的航空精鍛件。隨著CAD/CAE/CAM一體化、人工智能技術和有限元技術的發展，鈦合金的等溫鍛造不僅可以降低成本，而且使成形復雜形狀的精密鍛件成為可能。熱模鍛造作為另一種近凈成形手段，有著與等溫鍛造鈦合金相似的優勢，而成本要明顯低于后者，因而具有很大的發展潛力。

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