我国钛工业与技术进展及展望

常 辉， 周 廉，2， 王向东

(1. 南京工业大学 材料学院，南京210009;2. 西北有色金属研究院，西安710016;3. 中国钛协会，北京100016)

我国钛工业从1954年建立海绵钛攻关组开始发展到现在，已经历了60年的发展历程，到2013年我国海绵钛产能达到127000t，产量达到81171t，钛铸锭产能达到109000t，产量达到62216t，钛的消费量超过44000t［1］。同时，我国已经研究和开发的钛合金约60 余种，投入到实际生产和应用的钛合金有40 余种，包括20 余种α 及近α 钛合金，10 余种α+β 两相钛合金及近10 种β 和亚稳β 钛合金。并在海绵钛制备新技术、钛合金生产技术、成型技术等方面也取得了可喜的进步和成绩。

本文在简要介绍我国钛工业发展现状的基础上，重点综述我国在钛冶金、合金开发、钛合金塑性成型理论与技术、组织与性能及近净成形技术等方面的主要进展，进而展望我国未来钛工业的发展趋势和方向，以期对我国钛工业与技术的发展提供有益的帮助。

1 我国钛工业的发展现状［1，2］

图1 为我国自1996年至2013年海绵钛产能和产量的变化。可以看出，2003 ～2007年为我国海绵钛快速增长的第一阶段，其产能和产量的增长速率分别达到390% 和280%，产能从每年数千吨猛增至60000t 以上，而产量也从每年数千吨增加至将近50000t。2007 ～2012年为海绵钛快速增长的第二阶段，产能从2007年的64000t 增加至128500t，产能翻倍，产量也呈现出同比例增长，从2007年的45200t 增加至2012年的81451t，约为1.8 倍。2013年有所下降，海绵钛的产能为127000t 的规模，产量超过81000t。

图1 我国1996年到2013年海绵钛产能与产量的变化Fig.1 Changes of capacity and output of sponge titanium in recent years in China

在世界经济危机依然持续的状况下，我国钛加工材近5年总体上依然保持了约20%左右的增长，见图2。2013年我国钛加工材的产量达到了44453t，比2012年下降了约13%左右。加工材的产品结构以板材为主，如图3 所示。

从我国钛消费的角度看，2013年钛加工材的消费量超过41000t，图4 为我国2004年到2013年钛加工材消费量的变化情况，可以看出，至2012年，我国钛消费已持续7年以较快速度增长，特别是2009～2010年增长最迅速，消费净增长13000t，增长速率达到60%以上。但是，2013年，我国钛加工材的消费量有所下降。目前，化工领域的消费依然是钛加工材最为主要的消费领域，约占总消费量的53%，超过21000t。

图2 1996年到2013年我国钛加工材产量的变化情况Fig.2 Changes of titanium mill products of China

图3 2013年我国钛加工材的产品结构(总量:44453t)Fig.3 Structure of titanium mill products in China in 2013 (Total:44453 metric tons)

我国钛工业近10年来取得了飞快的发展，在产能和产量上已经占据了世界第一的位置，其中加工材约占世界2013年产量的35%以上。但与美国、俄罗斯以及日本相比，钛加工材在质量稳定性、产品的规格及品种等方面还有一定的差距，着力提高产品质量稳定性和完善产品规格将会是我国钛加工企业未来一段时间在钛加工技术方面的主要任务。另外，与国内其他冶金行业一样，我国钛工业目前也处于产能过剩的状态，2011 ～2013年钛加工材的产量不足钛铸锭产能的50%，已经出现部分海绵钛生产企业倒闭、骨干钛加工企业限产等现象。而与此同时，国内一些钢铁企业也开始进行钛合金的生产和加工，使产能过剩进一步加剧。为了确保我国钛工业的稳步发展，积极开展钛合金的进一步推广和应用，特别是在海洋工程领域的应用，将会极大的消化过剩的产能，促进和带动我国钛工业的稳步发展。

图4 我国2004年到2013年钛加工材消费量的变化Fig.4 Changes of consumption of titanium mill products of China in the past few years

2 钛的研究与技术进展

2.1 钛冶金技术

目前工业生产金属钛的方法主要为Kroll 法，我国遵义钛厂、洛阳双瑞、朝阳金达等企业近年来已经在能耗、污染及成本降低等方面进行了大量的研究工作，使Kroll 法向大型化、连续化、自动化方面的发展有了较大的进展。另一方面，开发更为高效和成本低廉的金属钛制备技术是目前世界钛冶金科学家普遍关注的重要方向，我国在新的钛提取冶金方面也进行了有益研究。

目前世界上电解二氧化钛制备钛金属的研究(FFC 工艺)处于实验室研究阶段，达到商业化生产尚需开展更多的研究工作。国内杜继红、施瑞盟等［3，4］采用熔盐电解法成功制备Ti，Zr 及Ti-Zr，Ti-Fe 等金属与合金，并采用在阴极中加入CaO 或CaCO3和预制阴极来提高阴极的导电性和孔隙率，获得很好的效果。Wang 等［5］也深入研究了在NaCl-NaCl 溶液中电解精炼TiN 制备钛金属的研究，结果表明通过该方法可以制备出纯钛金属粉末。袁铁锤［6］以海绵钛为可溶阳极，纯钛板为阴极，NaCl-KCl-TiClx 混合熔盐作电解质，在900 ～980℃温度范围内进行熔盐电解，研究了加料温度、电解温度、可溶钛浓度以及阴极电流密度等因素对阴极产品杂质含量的影响。

钛金属制备新技术是未来钛冶金的重要方向，是大幅降低钛及钛合金成本、提高金属钛冶金质量等的关键所在，应当给予充分的重视。

2.2 新合金设计及开发

表1 为近年来我国面向不同的应用领域而设计和开发的新型钛合金。

在航空用钛合金方面，随着航空航天飞行器对高减重、长寿命、低成本的要求越来越高，轻质、高强高韧、高损伤容限型结构钛合金成为重要的发展方向。最为成功和典型的合金为TC21 和TC4-DT 合金，已取得成功应用［7，8］。其中TC21 钛合金是我国首个具有完全自主知识产权的航空钛合金，强度达1100MPa 以上，断裂韧度70MPa·m1/2，具有优异的焊接性能、损伤容限性能和抗疲劳性能，与美国的Ti-62222s 和俄罗斯的BT20 相比，其综合性能更加优异，适合制造航空重要承力部件［8］。

近几年国内在航空发动机材料方面的研究也取得一定进展，其中最引人瞩目的就是600℃高温钛合金(Ti600，Ti60，TG6，BTi-6431)和阻燃钛合金(Ti40 合金)［9～14］，其中Ti600 合金的600℃强度可达740MPa 以上，同时保持16%以上伸长率和30%以上的断面收缩率，蠕变残余变形为0.03%，为达到实质性的应用，高温钛合金还需进一步改进性能的稳定性及热加工性等。

表1 近年我国开发的一些新型钛合金［2］Table 1 New titanium alloys for various purpose in China［2］

在医用钛合金方面，中科院金属研究所开发的Ti-2448 合金已经取得较为成功的应用［15］。该合金的弹性模量可以达到20 ～50GPa，与人体骨骼具有优异的力学相容性，用该合金生产的人体植入器件已经通过了国家相关检验注册，开始进入批量生产阶段，是我国创新研制的具有自主知识产权第一个批量应用的生物钛合金。

为适应不同的应用领域，新型钛合金的研发一直是我国最为活跃的研究方向之一，从合金研发数量的角度，我国应该处于世界领先地位。伴随着计算机技术的应用，传统的合金研发方式将会得到极大改变。在这种情况下更应该重视传统合金的性能的挖掘和提升，在不改变合金体系的基础上通过工艺创新或微量元素添加扩大其在不同领域和部位的应用。

2.3 塑性变形理论和控制技术

为解决强度、塑性、韧性和疲劳性能的良好匹配问题，我国科研工作者进行了卓有成效的工作，主要体现在以下三个方面。

(1)近β 锻造技术:周义刚等［16］研究发展了相变点以下10 ～15℃的近β 锻造技术，从而得到20%等轴α+50% ～60%条状α 构成的网篮+β 转变基体的三态组织，集等轴组织和网篮组织的性能优势于一身。近β 锻造适用于(α +β)型合金，还可用于α、近α 和近β 型合金。该锻造工艺已用于制造飞机发动机盘件、飞机和导弹等的重要结构件。

(2)准β 锻造技术:朱知寿等［77］为解决网篮组织塑性偏低的难题，研究和发展了准β 锻造技术来控制钛合金晶粒度，从而提高钛合金使用寿命。如TC6 钛合金，与普通锻造及近β 锻造工艺相比，准β锻造工艺得到的锻件K1C可提高25%以上，光滑疲劳极限可提高14%以上［14］。

(3)等温局部加载成型技术:杨大伟等［18］融合局部加载成形和等温成形两者的优势开发一种等温局部加载成形的先进塑性成形技术，可对高精度锻件实现不均匀变形控制及组织控制，该技术已成功运用于TA15 钛合金大型隔框锻件。

这三项变形理论和技术已经成功地应用于钛合金大型锻件的生产过程当中，为钛合金锻件的性能优化和提高起到了很好地作用，未来将会得到进一步的推广和应用。

2.4 相变、组织和性能研究

钛合金组织决定了其性能，相变、组织和性能之间的关系研究始终是钛合金研究领域的研究热点。采用计算机模拟和实验研究相结合是目前钛合金相变、组织研究的重要手段。目前，我国钛合金相变、组织和性能的研究主要集中在两个方面。

2.4.1 钛合金在塑性变形过程中的相变与组织演变

在这方面，我国科技工作者主要针对TC4，TC6，TC17，TA15 等合金变形过程中的微观组织模拟和实验验证进行了大量的研究。史延沛等［19］采用钛合金高温变形时内变量微观组织模拟，结合有限元法对TC4 合金叶片等温锻过程中初生α 相晶粒尺寸演变进行模拟，研究TC4 钛合金叶片在等温锻过程中初生α 相的分布及晶粒尺寸的变化;邵一涛等［20］采用BP 人工神经网络方法建立TC17 钛合金组织与性能的关系模拟，解决传统BP 人工神经网络训练高精度和预测低精度的过拟合现象;李淼泉等［21］将有限元法与Yada 微观组织模型结合，对TC6 合金叶片的等温锻造过程中初生α 晶粒尺寸的演变进行数值模拟，并给出TC6 合金叶片在等温锻造过程中初生α 相的分布及晶粒尺寸的变化。王刚等［22］采用相场方法，模拟Ti-6Al-4V 合金中片层组织的形成及演化，以热力学数据库和动力学数据库为输入，通过计算定量预测β 晶界上已存在初生α 相时合金组织随时间的变化规律。

2.4.2 钛合金在热处理过程中的相变行为、组织演变及其对性能的影响

朱知寿等［23］较详细地研究了TC21 钛合金锻件锻后热处理工艺对显微组织形成的影响，得到双重退火后初生α 相数量、形貌以及网篮组织形貌特征的变化规律，为确保锻件获得高强、高韧和损伤容限性能提供了工艺依据。Wang 等［24，25］用末端淬火法研究TC21 合金自β 相区冷却时速率对合金相和显微组织的影响，获得形成正交马氏体α″、块状转变及魏氏组织的临界冷却速率;另外还研究TC21 合金经1000℃固溶30min 淬火后所形成的α″马氏体在550 ～850℃等温过程中的分解机制及组织演变规律。党薇等［26］研究TC21 合金自β 相区以≤5℃/min 的冷速冷却时相及微观组织变化。Chang 等［27］通过原位电阻法和同步X 射线衍射等技术较为系统地研究了Ti-B19 亚稳β 钛合金等温、变温过程中的相变动力学及组织演变规律，揭示了等温处理的加热速率及自β 相区冷却时的冷却速率对等温相变动力学及组织演变的重要影响作用，为亚稳β 钛合金热处理工艺的制定提供了重要的依据和参考。

这些研究工作为钛合金进一步揭示钛合金相变机理、控制组织演变过程提供了有益的参考，同时也丰富了钛合金相变、组织特征及性能的数据库，为组织模拟提供了基础数据。

2.5 钛合金近净成形技术

随着钛合金低成本化的要求越来越强烈，通过一次加工就可以接近零部件尺寸的近净成形加工技术得到钛科技工作者的普遍重视，这包括传统的精密铸造技术、粉末冶金技术等，同时增材制造技术(俗称3D 打印技术)等新技术更是受到前所未有的关注和发展。这里重点介绍粉末冶金技术和增材制造技术的一些进展情况。

随着航天技术的发展，对钛合金粉末冶金件的需求日益迫切。张绪虎等［28，29］针对航天相关需求，开展了TC4，TA15，TC11 及TA7ELI 等钛合金粉末件的研制，取得了令人瞩目的成果。其TC4 钛合金粉末冶金薄壁筒形件的最大外径达到670mm，壁厚2mm，材料的利用率达到了65%以上，很好地实现了钛合金航天件的低成本制造。另外，TC4 合金骨架、TA15 大尺寸水平翼骨架及TC11 耐高温整体网格舱体等研制已实验考核，有的已进入批量试制阶段。开发的发动机低温用TA5ELI 钛合金叶轮的低温和室温拉伸性能已超过了锻件的性能，满足设计要求。应该说这是目前我国钛合金粉末冶金近净成形技术取得的重大突破性进展，也是粉末冶金近净成形技术工程应用取得的实质性突破。

增材制造是近年来非常活跃的数字化零部件制造技术，其在钛合金航空航天零部件的制造方面表现出了很好地应用前景。该技术的优势在于加工周期短、材料利用率高(可达90%以上)、可制造结构非常复杂的零部件等。目前适合制造高性能钛合金零部件的增材制造技术主要包括以激光或电子束为能量源、以钛合金粉末或丝材为原料的送粉、铺粉以及送丝等成型技术。王华明等［30］等开发出真空腔尺寸达4000mm×3000mm ×2000mm 的激光快速成型装备，突破了内应力离散控制、凝固组织控制、内部缺陷控制及特种热处理等技术，制备了1730mm×250mm ×230mm TA15 钛合金飞机主承力梁，并得到了装机应用。黄卫东等在激光立体成型技术方面也取得了显著进展，为国产C919 飞机打印的长达3m 的大型钛合金中央翼缘条受到普遍关注［31］。鉴于其卓有成效的科研成果，欧洲空客公司已于2014年3月与黄卫东团队签署了合作协议，共同开发激光立体成型技术在航空领域的应用［32］。

目前，钛合金增材制造技术已经受到航空和医疗领域的充分重视，随着高洁净、高均匀钛合金粉末制备技术及高精度计算机集成控制技术等的进一步发展，高性能复杂钛合金航空航天部件及医疗植入件的增材制造将会迎来非常广阔的前景。

3 结束语

我国钛工业在高速发展近十年后，已呈现出产能过剩的不利局面，但保持相对较大的产能对于我国国防建设和国民经济重要领域的发展却具有非常重要的战略意义。因此如何消化过剩产能，使我国钛工业保持良好健康的发展，是钛科技工作者非常重要的使命，为此建议如下.

(1)重视钛及钛合金应用技术的研究和开发，特别是应用量十分巨大的海洋工程用钛应用技术，更进一步扩大钛合金的使用范围和数量。

(2)积极开展钛合金低成本化技术研究，在保持良好性能的同时，着力降低钛合金加工和制造成本，为钛合金扩大应用提供基础。

(3)要充分重视钛合金基础研究和性能数据积累，为钛合金工艺改进、成材率提高、产品规格完善以及钛合金研发的原始创新提供支撑。

(4)加大钛合金设计和加工过程的计算机模拟技术研究，将钛合金作为“材料基因组”计划的重要组成部分，建立钛合金成分、加工工艺、组织和性能之间的数字化关系，为钛合金性能稳定性提供有益的帮助，并缩短新型钛合金研发周期。

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