钛合金近净成形技术研究进展

祁志旭；陈兴媚

（广东理工学院，肇庆526114）

0 引言

钛合金相比与钢材等高强度结构材料，其具有更小的密度，更高的比强度，是构件轻量化的热门材料。相比与同为轻量化结构材料的铝镁合金来说，钛合金具有更好的高温稳定性和耐腐蚀性，近年来被广泛应用于各大领域。钛合金按组成成分可分为α 型钛合金、β 型钛合金和α+β型钛合金。主要区别在于钛合金中不同元素的添加的基体组织成分有所差异，进而改变物理和化学性能，使之适用于不同工作环境[1]。α 型钛合金中添加了 Al、N、O、Sn 等 α相稳定元素[2]，同时Al 元素在α 型钛合金中能够起到固溶强化的作用，也使得合金的抗拉和蠕变强度增强；相对于其他钛合金α 钛合金具有良好的可焊性和韧性，适用于高温环境下使用。β 型钛合金中添加了Mo、V、Cr 等β 相稳定元素[2]，其合金为固溶处理后进行快速冷却保留β 相至室温的合金，合金的室温强度相比与其他类型合金有明显提升，适用于室温环境使用。α+β 型钛合金中同时包含α 和β 相稳定元素[2]，在室温下具有不同比例的α 相和β相，其综合性能较为优越，可加工性强，可在500～600℃下稳定工作。

钛合金因其轻质、高强度、耐腐蚀和良好的高温性能等特点，在航空航天、军工、汽车、医疗等领域具有广泛的应用前景。然而，钛合金由于其难加工性，很难实现利用传统加工技术（铸造、挤压和锻造等）进行钛合金材料的高效、低能耗和低成本的稳定生产；材料利用率低，造成大量的资源和能源的浪费，进而导致了钛合金制件的高成本，也极大限制了钛合金材料的发展和应用[3，4]。因此，发展低成本钛合金制件加工技术，提高钛合金材料的利用率成为当前的研究热点之一。

近净成形技术是指在零件成形后，只需要少量加工或不加工就可用作机械构件的成形技术。该技术制备的机械构件具有较高的尺寸和几何精度，以及较好的表面粗糙度。该技术以新能源、新材料和自动化信息技术等为基础，改造了传统的成形技术，使之成为高效、高精度、低成本的成形技术[5]。近净成形技术在钛合金制件的成形研究中占有重要地位，国内外围绕钛合金近净成形技术的研究也在不断的进行，并取得了一定的创新性成果。文章针对钛合金近净成形技术中的精密铸造成形、精密塑性成形、粉末冶金和新型成形技术的研究进行了综述，并对钛合金近净成形技术的发展进行了展望。

1 钛合金精密铸造技术

钛合金精密铸造技术能够很好的适应高精度、复杂钛合金薄壁构件的研制，20 世纪60 年代美国开始对钛合金精密铸造技术于展开研究，至今处于世界领先水平；我国的钛合金精密铸造技术起步相比与美国较晚，但经过多年的发展钛合金精密铸造的一些技术已达到国际先进水平[6]。

目前，国外对于中温中强钛合金精密铸造技术已经十分成熟，主要牌号为Ti-6-4 和BT20 等。高温高强钛合金空精密铸造技术仍存在诸多缺陷，比如铸件性能低、开裂倾向大等缺点。国内钛合金精密铸造工艺，其发展基本呈中温中强到高温高强的趋势，也相应开发了诸如ZTi55、ZTA35 等新型铸造高温高强钛合金，抗拉强度可达1.1GPa，使用温度为550～700℃[7]。但是这类高温钛合金同样存在开裂倾向高、焊接困难等缺点，铸造工艺仍然不够成熟。 随着对于钛合金铸件的大型化、复杂化和高性能化的发展需求，钛合金精密铸造技术结合先进熔炼、数值模拟和热等静压等新型技术已成为一种趋势。

2 钛合金精密塑性成形技术

2.1 钛合金精密锻造技术

钛合金精密锻造技术是一种通过改变锻造工艺来提高钛合金构件使用性能的常规近净成形技术，包括精密模锻、近等温锻和辊锻等技术。精密模锻和普通模锻相比，能够获得表面质量较好，尺寸精度高的锻件。美国采用精密锻造工艺，成功研制了Ti-6Al-4V 钛合金压力容器类构件，并且在大力神Ⅲ过渡级发动机上得到应用[8]。我国利用精密模锻技术也成功研制出TA7ELI 钛合金20L 低温气瓶，并在相关运载火箭增压系统中得到大量的应用[9]。近等温锻造技术主要针对低塑性、难变形材料的锻造，该技术相比于等温锻造技术降低了对模具材料的苛刻要求，扩大了等温锻造技术的适用范围；并且可以为锻件由于变形产生的热量提供散热途径。由于近等温锻造的锻造温度较窄，磨具与坯料之间存在温差，尤其适用于钛合金薄壁、高筋锻件的锻造。安大航空锻造公司实现了在大气环境下近等温模锻锻件的成形，且使用的压力机吨位相比于普通锻造大大降低，锻件组织均匀细小[10]。辊锻是在一对反向旋转的模具作用下材料发生塑性变形，进而得到所需锻件的塑性成形技术。该技术具有材料利用率高，产品质量优良、以实现自动化和生产效率高等一系列优点，在航空航天、汽车、兵器等行业得到广泛应用。例如飞机发动机用曲轴、发动机叶片、连杆等构件的制作，都普遍采用了辊锻工艺。许东方[11]利用DEFORM 软件对钛合金棒材辊锻工艺进行模拟，分析了各道次中坯料的温度场、应力应变场和模具载荷等参数的变化规律，优化了生产工艺。

2.2 钛合金精密旋压技术

精密旋压技术结合了锻造、挤压、弯曲、拉伸等工艺的优势，能够实现少切削或者无切削加工。该技术适合于高精度、轻质空心回转体构件的生产。对于钛合金回转型薄壁构件，精密旋压技术可作为首选工艺[12]。目前国外已经能够实现对钛合金大型薄壁构件的精密化、无模化的快速旋压、轧-旋、锻-旋和挤-旋成形。德国MT 公司利用强力快速旋压技术成功生产出大直径高强Ti-15V-3Cr 钛合金卫星推进系统贮箱[13]。美国利用无模旋压技术成功制造了大直径Ti-6Al-4V 钛合金贮箱封头，实现了单道次90%冷旋压变形量[14]。我国对于钛合金精密旋压技术也在不断的发展和创新，大量钛合金旋压制品应用于航空航天领域。李益生[15]等对铸造钛合金管坯进行旋压研究，通过对钛合金管坯的表面结构、旋压温度等参数的规律变化研究确定旋压工艺参数，为相关技术研究提供了参考。朱慧安[16]等对TC21 钛合金筒形热旋压工艺进行模拟研究，通过改变旋压温度、进给速度和主轴转速等参数，研究了钛合金筒形成型性能的变化规律，并给出了TC21 钛合金筒旋压成形的最佳工艺参数。钛合金精密旋压技术受制于温度场的分布均匀性、回弹效应和扩散效应等因素的影响，国内利用钛合金精密旋压技术生产钛合金构件时基本采用有模成形工艺，对钛合金连续复合成形和精密快速旋压成形还处于起步阶段。

3 钛合金粉末近净成形技术

钛合金粉末近净成形是由钛合金粉直接成形，制取机械构件的工艺，利用该成形技术制备的钛合金工件的组织成分稳定且均匀。目前钛合金粉末近净成形依然以压制成形和热等静压成形为主，随着对粉末近净成形技术的研究深入，研究者也在不断的优化原有工艺，研究新的制备方法，例如对烧结工艺的改进，增材制造技术的应用等[17]。

3.1 钛合金粉末压制成形

钛合金粉末压制成形技术是利用模具将粉末压制成形，再进行烧结，进而形成钛合金制品的一种低成本制备高性能钛合金机械构件的成形技术。对于钛合金粉末压制成形工艺的研究主要是通过对压制速度的改变和烧结工艺的优化来提升制件的机械性能。

高速压制技术于2001 年由瑞典Hoaganas 公司推出，之后国内外研究者对于该项技术展开了大量的研究[18]。Dil Faraz Khan[19]等利用高速压制技术制取了Ti-6Al-4V钛合金成形制品，研究表明，冲击力的增加，压坯的机械性能和密度均呈现增加趋势。何杰[20]等研究了Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr 钛合金高速压制性能和烧结性能，表明生坯密度随冲击能量的增加而增加，烧结密度随冲击能量的增加以及烧结时间的延长而增加，并分别给出了获得最大烧结密度、硬度和抗拉强度的冲击能量和烧结时间。

不同的烧结工艺直接影响钛合金制件的烧结性能，对于钛合金粉末烧结工艺一般有常规真空烧结、氢气烧结等。真空烧结的致密化主要依赖于原子的自扩散，烧结温度通常要高于β 相变点50～300℃，烧结致密度主要由烧结温度和粉末粒度决定，其中烧结温度起主要作用[17]。氢气烧结是指在氢气气氛下进行钛合金粉末制品的烧结工艺，通过氢气的热处理可增加钛合金构件的热塑性，起到晶粒细化的作用。Fang[21]等开发了氢气烧结工艺，并成功利用改变氢气含量来控制烧结态组织。

3.2 钛合金粉末热等静压成形

钛合金粉末热等静压成形工艺是降低钛合金制件加工成本，增加钛合金材料利用率的有效方法之一，利用热等静压成形技术制取的钛合金制件致密度高且密度分布均匀，材料内部显微孔隙几乎为零，相比于钛合金锻铸件，其组织更加均匀，内应力小，力学性能也是各项同性。并且该技术适用于制取各种复杂形状的钛合金制件。刘文彬[22]等研究了热等静压温度/升温速率和保温时间等参数对钛合金材料显微组织和力学性能的影响，结果表明，延长热等静压保温时间有利于钛合金制件的塑性和强度的提升，同时得到了合金综合力学性能最佳的温度。刘德辉[23]等对Ti-6Al-4V 钛合金粉末致密化进行模拟，研究了钛合金粉末在热等静压过程中整体的致密化趋势，研究表明粉末在热等静压过程中除包套端盖和侧壁夹角处相对密度较低，其他区域相对密度相差不大，模拟结果与实验结果基本一致。

4 钛合金新型成形技术

4.1 钛合金超塑性成形技术

钛合金超塑成形技术适用于制取结构复杂的薄壁结构件，该技术成形精度高且基本无回弹和残余应力。目前在钛合金超塑成形材料方面已经不局限于常规钛合金材料的超塑成形，对于金属间化合物和钛基复合材料的超塑成形也形成了大量的研究成果，并且形成了多种超塑专用钛合金，比如超细晶Ti-6Al-4V、SP700 等[24,25]。在钛合金超塑成形工艺方面已经实现了单层构件、多层构件、桁架等异型构件的生产，例如微石[26]等利用超塑性正反胀技术成功制取TC4 钛合金环形气瓶，其环向和径向误差分别为±0.2mm 和±0.3mm，基本达到净成形水平。

4.2 钛合金增材制造技术

钛合金增材制造技术是集设计与制造一体化，不依赖于模具的数字化制造技术。该技术适用于制备高精度、结构复杂的钛合金构件，并且制取的钛合金构件具有较好的物理和化学性能。按照钛合金增材制造的热源不同，可以将之分为激光/电子束增材制造和电弧熔丝增材制造。

激光/电子束增材制造主要基于粉末（焊丝）的选区熔化或熔化沉淀的方式成形[27]，利用激光选区熔化（SLM）技术对于Ti-6Al-4V 钛合金粉末成形比较容易实现，对于其他元素钛合金的SLM 成形可能还需要进一步的研究。通过对热处理、成形过程的含氧量等参数的控制来提升钛合金的力学性能[28]。利用激光选区熔化沉淀成形技术（LMD）制备的成形件，其力学性能可满足锻件的最低标准，通过对锻件的热处理也可以是钛合金制件达到某些特定需求[29]。电子束选区熔化成形技术（EBM）在Ti-6Al-4V 钛合金粉末成形中应用相对较为广泛，主要是针对工艺参数的改变对成形件性能影响的研究[30]。对于电子束熔丝沉淀成形技术（EBF3）的研究主要集中在对成形件变形控制方面，借助有限元分析软件研究工艺参数的变化对成形件力学性能和变形量的影响[31]。

电弧熔丝增材制造技术相比与其他增材制造方式，其操作性更强，成本更低，是采用焊丝进行增材制造的一种成形技术。目前该技术制取的钛合金零件所面临的问题主要是由于热梯度和传热速率较低导致制件组织分布不均的问题，研究者通过对焊接工艺参数[32]、电弧形式[33]等的改变，也获得了一些组织较为均匀和力学性能良好的钛合金制件。

5 结语

针对我国未来工业制造领域的发展需求，钛合金近净成形技术将是未来制造技术不可或缺的关键性技术，仍然有进一步研究和发展的需求。

①钛合金精密铸造技术在高温高强合金铸造方面仍然需要大量的研究，解决构件开裂倾向高、焊接困难等问题是关键，结合先进熔炼、数值模拟和热等静压等新型技术也是一种趋势。

②钛合金精密旋压成形技术可能会以实现构件的批量生产为研究目标之一，并进一步对旋压尺寸精度控制和仿真模拟进行研究。

③钛合金粉末近净成形技术中将继续对钛合金粉末制备技术以及烧结工艺进行研究，对粉末冶金数值模拟可能也会成为研究的重点之一，以促进钛合金粉末冶金数值模拟的理论基础的完善。