我国航空钛合金材料及锻件的研究与发展（上）

文/蔡建明·中国航发北京航空材料研究院，中国锻压协会航空材料成形委员会

王洋·中国航空技术国际控股有限公司，中国锻压协会航空材料成形委员会

曾凡昌·中航工业集团老干部局，中国锻压协会航空材料成形委员会

航空钛合金发展与应用

钛合金以其低密度、高比强度、耐热、耐腐蚀等特性，在飞机和航空发动机上获得了快速且大量的应用，对于提高飞机和航空发动机的减重效益和服役性能效果显著。在20 世纪60 ～70 年代，钛合金经历了一个快速发展期，各航空大国如英国、美国、苏联和中国，开发了各具特色及系列化的航空钛合金材料，构筑了相应的航空钛合金材料体系，目前在役的大部分钛合金材料都是在这一时期研制并得到应用的。20 世纪80 年代以来，传统钛合金的性能潜力提升空间已有限，材料创新难度加大，更多的是通过与飞机和发动机的设计创新，特别是与工艺创新相融合来推动传统钛合金材料和应用的发展。

在民用飞机领域，钛合金用量一直呈上升趋势，如新近投入运营的波音公司B787 飞机，随着树脂基复合材料用量的增加，与复合材料具有良好相容性的钛合金也获得了大量应用，钛用量占机体结构重量的15%；空客公司A380 飞机的钛用量占机体结构重量的10%。军用飞机的用钛比例则更高，如美国第四代战斗机F-22 飞机的钛用量占结构重量的40%。采用钛合金制造飞机关键承力构件，除了利用钛合金高的比强度优势外，还可避免高强钢材料在几十年的使用寿命期内因海洋盐分环境引发的应力腐蚀问题。

军民用飞机一些重要的框、梁、接头、起落架等结构件广泛采用高强、高损伤容限的钛合金材料，且一般为采用大型整体锻件机械加工而成，单件重量、尺寸和截面大。B747 飞机主起落架支架梁共8 个件号采用Ti-6Al-4V 钛合金锻件，单件重1724kg，长度6.2m，投影面积4.1m2。A380 飞机两个六轮三轴小车式主起落架（总承重590t，寿命要求达到6 万个起落架次）载重梁采用Ti-1023 钛合金锻件，长4.255m，重量3210kg。F-22 战斗机四个大型整体框采用Ti-6Al-4V ELI 钛合金锻件，投影面积4.06 ～5.68m2，重量1895 ～2972kg。制造这些超大型的钛合金整体锻件，对锻造用原材料的冶金质量、锻造设备吨位、锻造工艺等均提出了严苛要求，一般需要100MN 级以上的压机以及精湛的制坯、模锻和热处理工艺。

在航空发动机领域，现代先进航空发动机大约有三分之一重量的关键零部件选用优质、高性能的钛合金材料，集中用于风扇和压气机系统的轮盘、叶片、整体叶盘、离心叶轮、鼓筒、鼓筒轴、盘轴、机匣等零件。欧美系发动机应用的钛合金材料主要有Ti-6Al-4V、Ti-811、Ti-17、Ti-6246、Ti-6242S 和IMI834 等； 俄 系发动机应用的钛合金材料主要有BT6、BT3-1、BT8、BT9、BT25 和BT18y 等；我国发动机应用的主要钛合金材料有TC4、TC6、TC11、TC17、TC25、TA11、TA19和Ti60 等，使用温度均在600℃以下。除中介机匣一般采用TC4钛合金铸件外，其余各类零部件大多采用优质锻件加工而成。

在发动机高推重比、长寿命和低油耗目标的驱使下，对耐热性更优的TiAl 合金和连续SiC 纤维增强钛基复合材料(SiCf/Ti)提出了需求。等温精锻TiAl 合金低压涡轮叶片(牌号：TNM)已应用于PW 公司的PW1100G 齿轮传动发动机。与镍基高温合金相比，使用TiAl 合金制造低压涡轮叶片提供了极其显著的减重效果，并突破了技术和经济的双重障碍。SiCf/Ti 复合材料有望应用于高推重比军用发动机压气机整体叶环、轴等部件。增材制造、集成计算材料工程、数值模拟等技术的发展赋予了钛合金新的生命力，为航空钛合金材料及制件的设计、制造与应用开创了新的思路。GE Additive 公司在2019 年6 月巴黎航展上宣布：对Arcam 电子束增材制造技术进行重大投资，增材制造TiAl 合金低压涡轮叶片将应用于GE9X 发动机。

据统计，2016 年全球航空领域钛用量约为1.5×105t，预计到2026 年，航空领域对钛的需求量年增长率约为5%，民用航空领域对钛合金需求量呈不断上升趋势，而军用飞机钛用量比例则略呈下降趋势。目前，中国航空用钛与国外还存在显著的差距。面对国际航空市场持续向上的发展态势，高端航空钛合金仍有巨大市场和发展潜力。近些年来，增材制造技术的快速发展也促进了钛合金生产量和使用量的增加。随着优质钛合金材料和锻件产量的增长，对锻件及其原材料的化学成分、高低倍组织、力学性能、缺陷控制等提出了极高的要求，并对原材料和锻件的批次一致性和稳定性控制也提出了苛刻要求。

优质钛合金铸锭熔炼技术发展

钛是一种高活性的金属，在熔融状态下会与除惰性气体(Ar、He)外的几乎所有固体、液体和气体发生反应。多孔海绵钛不能直接用作结构材料，必须经进一步的熔炼使其成为致密的铸锭，并经后续锻造、铸造或粉末冶金等工艺制成所需的产品。

20 世纪40 年代末，真空自耗电极电弧熔炼（VAR）技术已基本成熟，在熔炼工艺方面，复杂组元的航空级和转子级钛合金，一般采用三次VAR 工艺，以提高铸锭的成分均匀性，减少夹杂和偏析等缺陷，并提高批次质量一致性。对于含较多β 稳定元素(Mo、Cr、Fe 等) 的Ti-6246，Ti-17、Ti-1023 钛 合 金，在最后一次VAR 熔炼时需降低电流密度，通过控制熔炼和凝固速度，抑制产生严重的β 稳定元素枝晶偏析。目前，发展了一些适用于VAR 熔炼的、新的监控手段，如美国ATI 公司采用预防侧弧和电弧位置传感技术，操作者可以观察电弧运动和熔化物轮廓的三维影像。另外，新开发的一些熔炼模拟软件，能够对实际熔炼过程进行数值模拟。

除VAR 熔炼方法外，发展了适用于钛合金铸锭制备的冷炉床熔炼技术(CHM)，根据热源的不同分为两种，即电子束冷炉床熔炼(EBCHM)和等离子体冷炉床熔炼(PACHM)。实践表明，冷炉床熔炼在消除高密度夹杂物、低密度夹杂物及提高成分均匀性方面显著优于VAR 熔炼，从而实现钛合金材料“零缺陷”的纯净化制造，成为高性能、多组元、高纯钛合金生产必不可少的熔炼技术。目前，美国已实现了优质钛合金铸锭冷炉床熔炼的工业化生产，而且将冷炉床熔炼方法纳入材料标准，如GE 公司标准“优质β 锻的Ti-17 钛合金零件”规定：转动部件用钛合金优先采用C级材料，即冷炉床+真空自耗熔炼(HM+VAR)；C 级可以代替B 级(三次真空自耗熔炼)；其他标准“优质和标准质量的α+β 锻Ti-6Al-4V 钛合金零件”、“优质Ti-6Al-4V 钛合金叶片”、“优质α+β 锻Ti-6242 钛合金零件”等，也纳入了最高级别的“HM+VAR”材料。

电子束冷炉床熔炼技术是在密闭的真空炉室内部熔炼钛合金，近年来取得的技术进步有：改进炉床布局，获得不同形状的锭坯（方形扁锭、厚壁空心锭），提高了生产效率；采用熔炼数字化模拟技术，可以准确模拟熔池的三维形态、液固界面条件、侧壁界面条件、铸锭瞬态凝固阶段的温度预测。美国宇航材料标准组织制定了单次冷炉床生产钛合金的材料标准，即AMS6945（考虑到EBCHM 熔炼时高真空度条件下高蒸气压Al 元素的挥发，需适当增加Al 含量），使一次EBCHM 熔炼的Ti-6Al-4V 板材代替VAR 熔炼或“HM+VAR”的板材产品。

电子束冷炉床熔炼的另一重要用途是钛残料的回收利用。TIMET 公司推出了一项称为“Toll Melting”的回收业务，可以为客户提供的钛屑残料进行闭环回收，采用EBCHM 熔炼转化成铸锭或中间坯料，确保客户的原材料重新回到自己的产品供应链中，实现闭环管理，进一步降低成本。2015 年，VSMPO 安装了一台凝壳弧熔炼炉(SAR：skull arc melting)，实现了高附加值钛残料（钛屑、块料）的回收利用，获得巨大的经济效益。据统计，我国在近十余年内装备了近10 台电子束冷炉床熔炼炉，分别在宝钛集团、宝钢集团、洛阳双瑞万基、云南钛业、青海聚能钛业、攀枝花云钛实业、陕西天成航材等企业。

我国的等离子体冷炉床熔炼炉仅有3 台，分别为中国航发北京航空材料研究院、中国科学院金属研究所和宝钢特钢所拥有。等离子体冷炉床熔炼需要惰性气体Ar 或He 作为热源介质，He 是最佳的等离子体介质，使用He 气获得的热效率高，但因我国缺乏He气资源，He 气高昂的价格导致熔炼成本过高，工业生产时受到限制。而采用Ar 气获得的热效率低，熔体过热度小，影响熔炼速率，导致等离子体冷炉床熔炼技术在我国发展迟缓。

目前，国内航空级和转子级用钛合金棒材和锻件标准（包括国军标、航标）尚未纳入冷炉床熔炼方法，应充分利用国内航空发动机设计所、工程化应用研究院所、钛材生产商、锻件生产商、主机厂等单位的综合优势资源，组成联合工作组，推动冷炉床熔炼技术在航空级优质钛合金材料制造中的应用。

优质钛合金棒材制造技术发展

随着国内钛合金需求量的猛增，已有的钛加工企业进行了持续的技术改造和扩大生产规模，如宝钛集团于2012 年投入运行了从德国Pahnke 公司引进的10000t 快锻机，用于大型铸锭的开坯、改锻及大规格棒材的制备，使其φ300mm 以上大规格棒材的生产能力有了大幅提升，同时与2500t 快锻机相匹配使用，基本覆盖了所有规格大棒材的生产需要。在钛材强劲需求的牵引之下，国内建立了一批新的钛材生产企业，如西部超导、金天钛业、天成航材、新疆湘晟等，从事钛锭熔炼以及钛加工材（如棒、板、丝材）的生产。

⑴西部超导拥有3t、5t、8t 真空自耗电弧炉及与之相配套的混布料系统，建立了φ360 ～φ920mm航空用钛合金铸锭生产线；拥有8MN、16MN、45MN、80MN 快锻机及小规格棒材生产用的径向精锻机，可实现不同规格钛合金棒材的专业化生产，最大规格达φ500mm，可满足飞机和航空发动机各类锻件制造所需。

⑵金天钛业拥有1 台40/45MN 快锻机，具备年产10000t 钛合金大规格棒材的生产能力，有一台SKK17 径向精锻机，具备年产2500t 钛合金小规格棒材的能力。

⑶天成航材建立了以3150kW 冷床炉和10t 双工位真空自耗炉为基础的钛合金铸锭双联熔炼工艺生产线以及80MN 快锻机和大型BD1350/BD850 连轧机组相配合的棒材生产线，有望显著降低钛材的生产成本，提高棒材的组织性能的一致性和批次稳定性。先进的快锻机具有主机—操作机联动及工艺参数的在线输入和自动执行能力，显著提高棒材表面质量和尺寸精度。

⑷新疆湘晟作为一家新成立的钛专业化公司，拥有“煤—电—钛矿—海绵钛—钛加工材—钛制品”全产业链体系，配备了3t、10t 真空自耗电弧炉和进口全自动配混料装置，拥有50MN 快锻液压机和80MN油压机，可以生产最大规格φ400mm 的钛合金棒材。

近些年来，我国各家钛材生产企业建立的熔炼、锻造及与之相配套的装备，可基本满足我国航空重点型号对钛合金不同规格优质棒材的生产所需。由于历史原因，我国在产的钛合金牌号多，单个牌号钛材生产量少，使用经验不足，棒材的批次稳定性及质量一致性等方面亟待提高。国内钛材生产企业尚未全面得到国际知名航空制造商如波音、空客、GE、RR、PW的原材料供应资格批准，只是个别单位的个别牌号得到了试用批准。国内钛材生产企业需要建立与国际接轨及与锻件生产相衔接的生产与质量管理体系，努力成为具有国际市场竞争力的供应商。