1、航空钛合金发展与利用

钛合金以其低密度、高比强度、 耐耐侵蚀等个性， 在飞机和航空发起机上获得了急剧且大量的利用， 对于提高飞机和航空发起机的减沉效益和服役机能成效显著。在20世纪60 ~ 70年代，钛合金经历了一个急剧发展期，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资料，构筑了相应的航空钛合金资料系统，目前在役的大部门钛合金资料都是在这一时期研造并得到利用的。20世纪80年代以来，传统钛合金的机能潜力提升空间已有限，资料创新难度加大。更多的是通过与飞机和发起机的设计创新，出格是与工艺创新相融合来推动传统钛合金资料和利用的发展。

在民用飞机领域，钛合金用量一向呈上升趋向，如新近投入运营的波音公司B787飞机。随着树脂基复合伙料用量的增长，与复合伙料拥有优良相容性迪胙合金也获得了大量利用。钛用量占机体结构沉量的15% : 空客公司A380飞机迪胙用量占机体结构沉量的10%。军用飞机的用钛比例则更高，如美国第四代战斗机F- 22飞机迪胙用量占结构沉量的40% 。选取钛合金造作飞机关键承力构件，除了利用钛合金高的比强杜着势表，还可预防高强钢资料在几十年的使用寿命期内因海洋盐分环境引发的应力侵蚀问题。

军民用飞机一些沉要的框、梁、接头、起落架等结构件宽泛选取高强、高危险容限迪胙合金资料，且通常为选取大型整体锻件机械加工而成，单件沉量，尺寸和截面大。B747飞机主起落架支架梁共8个件号选取Ti-6Al-4V 钛合金锻，单件沉1724kg，长度6.2m，投影面积4.1m²。

A380飞机两个六轮三轴幼车式主起落架(总承沉590t ， 寿命要求达到6 万个起落架次）载沉梁选取Ti- 1023钛合金锻件，长4，255m , 沉量3210kg。F—22战斗机四个大型整体框选取Ti-6Vl-4V ELI钛合金锻件， 投影面积4.06 ~ 5.68m²， 沉量1895~2972kg。造作这些超大型迪胙合金整体锻件，对铸造用原资料的冶金质量、铸造设备吨位、铸造工艺等均提出了严苛要求，通常必要100MN级以上的压机以及精湛的造坯、模锻和热处置工艺。

在航空发起机领域，现代先进航空发起机约莫有三分之一沉量的关键零部件选用优质、高机能迪胙合金资料，集中用于电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。欧美系发起机利用迪胙合金资料重要有 Ti—6Al- 4V 、Ti-811、Ti-17、Ti- 6246、Ti-6242S 和 IMI834等
； 俄系发起机利用迪胙合金资料重要有BT6，BT3-1、BT8 、BT9， BT25 和 BT18y 等：我国发起机利用的重要钛合金资料有TC4，TC6，TC11，TC17，TC25，TA11，TA19和Ti60等，使用温度均在600℃以下。除中介机匣通常选取TC4钛合金铸件表，其余各类零部件大多选取优质锻件加工而成。

在发起机高推沉比、长命命和低油耗指标的驱策下，对耐热性更优的TiAl合金和陆续S iC纤维加强钛基复合伙料（SiC,/T i)提出了需要。等温精锻TiAl合金低压涡轮叶片（商标： TNM) 已利用于PW公司的PW1100G 齿轮传动发起机。与镍基高温合金相比， 使用TiAl合金造作低压涡轮叶片提供了极其显著的减沉成效，并突破了技术和经济的双沉阻碍。SiCf/Ti复合伙料有望利用于高推沉比军用发起机压气机整体叶环、轴等部件。增材造作、集成推算资料工程、数值仿照等技术的发展赋予了钛合金新的性命力，为航空钛合金资料及造件的设计、造作与利用开创了新的思路。GE Additive公司在2019 年6月巴黎航展上颁发：对Arcam电子束增材造作技术进行沉大投资，增材造作TiAl合金低压涡轮叶片将利用于GE9X 发起机。

据统计，2016年全球航空领域钛用量约为1.5×105t , 预计到2026年，航空领域对钛的需要量年增长率约为5% , 民用航空领域对钛合金需要量呈不休上升趋向，而军用飞机钛用量比例则略呈降落趋向。目前， 中国航空用钛与国表还存在显著的差距。

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，增材造作技术的急剧发展也推进了钛合金出产量和使用量的增长。随着优质钛合金资料和锻件产量的增长，对锻件及其原资料的化学成分、凹凸倍组织，力学机能，缺点节造等提出了极高的要求，并对原资料和锻件的批次一致性和不变性节造也提出了刻薄要求。

2、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（A r、He) 表的险些所有固体、液体和气体产生反映。多孔海绵钛不能直接用作结构资料，必须经进一步的熔炼使其成为致密的铸锭，并经后续铸造、铸造或粉末冶金等工艺造成所需的产品。

20世纪40年代末，真空自耗电极电弧熔炼（VAR)技术已根基成熟，在熔炼工艺方面，复杂组元的航空级和转子级钛合金，通常选取三次VAR工艺，以提高铸锭的成吩旖均性，削减同化和偏析等缺点，并提高批次质量一致性。对于含较多P 不变元素（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，通过节造熔炼和凝固速度，抑造产生严沉的卩不变元素枝晶偏析。目前，发展了一些合用于VAR熔炼的、新的监控伎俩，如美国A T I公司选取预防侧弧和电弧地位传感技术，操作者能够观察电弧活动和溶解物概括的三维影像。另表， 新开发的一些熔炼仿照软件，可能对现实熔炼过程进行数值仿照。

除VAR熔炼步骤表，发展了合用于钛合金铸锭造备的冷炉床熔炼技术（CHM) , 凭据热源的分歧分为两种， 即电子束冷炉床熔炼（EBCHM) 和等离子体冷炉床熔炼（PACHM)。实际批注，冷炉床熔炼在解除高密度同化物、低密度同化物及提高成吩旖均性方面显著优于VAR熔炼，从而实现钛合金资料"零缺点"的纯净化造作。成为高机能，多组元，高纯钛合金出产必不成少的熔炼技术。目前，美国已实现了优质钛合金铸锭冷炉床熔炼的工业化出产，并且将冷炉床熔炼步骤纳入资料尺度， 如GE公司尺度" 优质β锻的Ti-17钛合金零件"划定：动弹部件用钛合金优先选取C 级资料，即冷炉床+ 真空自耗熔炼（HM+ VAR):C 级能够包办B 级（三次真空自耗熔炼）：其他尺度" 优质和尺度质量的α+β锻Ti-6 Al-4V 钛合金零件" 、" 优质Ti-6Al-4V 钛合金叶片" 、"优质α+β 锻Ti一6242钛合金零件"等，也纳入了第一流此外"HM+ V A F T 资料。

电子束冷炉床熔炼技术是在密关的真空炉室内部熔炼钛合金，近年来获得的技术进取有：改进炉床布局，获得分歧状态的锭坯（方形扁锭，厚壁空心锭）,提高了出产效能
；选取熔炼数字化仿照技术,能够正确仿照熔池的三维状态、液固界面前提,侧壁界面前提、铸锭瞬态凝固阶段的温度预测。美国宇航资料尺度组织造订了单次冷炉床出产钛合金的资料尺度。

即AMS6945 (思考到EBCHM熔炼时高真空度前提下高蒸气压A I元素的挥发，需适当增长A I含量），使- 次EBCHM熔炼的Ti-6 Al-4V 板材包办VAR熔炼或"HM+ VAR" 的板材产品。

电子束冷炉床熔炼的另一沉要用处是钛残料的回收利用。T IM E T公司推出了一项称为"T o ll M elting"的回收业务，可以为客户提供迪胙肩残料进行关环回收。选取EBCHM熔炼转化成铸锭或中央坯料，确
？突У脑柿铣列禄氐阶约旱牟饭└粗，实现关环治理，进一步降低成本。2015年，VSMPO装置了—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，我国在近十余年内设备了近10台电子束冷炉床熔炼炉，别离在宝钛集团，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，别离为中国航发北京航空资料钻研院，中国科学院金属钻研所和宝钢特钢所占有。等离子体冷炉床熔炼必要惰性气体A r或H e作为热源介质， He是最佳的等离子体介质，使用H e气获得的热效能高，但因我国不足He气资源， He气高昂的价值导致熔炼成本过高，工业出产时受到限度。而选取~ 气获得的热效能低， 溶体过热度幼，影响熔炼速度，导致等离子体冷炉床溶炼技术在我国发展缓慢。

目前，国内航空级和转子级用钛合金棒材和锻件尺度（蕴含国军标、航标）尚未纳入冷炉床熔炼步骤。应充分利用国内航空发起机设计所，工程化利用钻研院所，钛材出产商，锻件出产商、主机厂等单元的综合优势资源，组成结合工作组，推动冷炉床熔炼技术在航空级优质钛合金资料造作中的利用。

3、优质钛合金棒材造作技术发展

随着国内钛合金需要量的猛增，已有迪胙加工企业进行了持续的技术刷新和扩大产规模， 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造备， 使其必300mm 以上大规格棒材的出产能力有了大幅提升，同时与2500t 快锻机相匹配使用，根基覆盖了所有规格大棒材的出产必要。在钛材强劲需要的牵引之下，国内成立了一批新迪胙材出产企业，如西部超导、金天钛业、天成航材、新疆湘晟等，从事钛锭熔炼以脊加工材（如棒、板、丝材）的出产。

⑴西部超导占有3t 、5t 、8t 真空自耗电弧炉及与之相配套的混布料系统，成立了φ360 ~ φ920mm航空用钛合金铸锭出产线
； 占有8MN、16MN、45MN、80MN快锻机及幼规格棒材出产用的径向精锻机，可实现分歧规格钛合金棒材的专业化出产，最大规格达φ500mm， 可满足飞机和航空发起机各类锻件造作所需。

⑵ 金天钛业占有1 台40/45MN快锻机，具备年产10000t 钛合金大规格棒材的出产能力，有一台SKK1 7径向精锻机，具备年产2500t 钛合金幼规格棒材的能力。

⑶天成航材成立了以3150KW冷床炉和10t 双工位真空自耗炉为基础迪胙合金铸锭双联熔炼工艺出产线以及80MN快锻机和大型BD1350/BD8 5 0连轧机组相共同的棒材出产线，有望显著降低钛材的出产成本。提高棒材的组织机能的一致性和批次不变性。先进的快锻机拥有主机一操作机联动及工艺参数的在线输入和自动执行能力，显著提高棒材表表质量和尺寸精度。

⑷新疆湘晟作为一家新成立迪胙专业化公司，占有" 煤一电一钛矿一海绵钛一钛加工材一钛制品"全产业链系统，建设了 3t， 10t 真空自耗电弧炉和进口全自动配混料装置，占有50MN快锻液压机和80MN油压机，能够出产最大规格4400mm的钛合金棒材。

近些年来，我国各家钛材出产企业成立的熔炼、铸造及与之相配套的设备，可根基满足我国航空沉点型号对钛合金分歧规格优质棒材的出产所需。由于汗青原因，我国在产迪胙合金商标多，单个商标钛材出产量少，使用经验不及，钛合金棒材的批次不变性及质量一致性等方面亟待提高。国内钛材出产企业尚未全面得到国际驰名航空造作商如波音，空客、GE、RR， PW 的原资料供给资格核准，只是个别单元的个别商标得到了试用核准。国内钛材出产企业必要成立与国际接轨及与锻件出产相衔接的出产与质量治理系统，致力成为拥有国际市场竞争力的供给商。

4、优质航空钛合金锻件造作工艺技术发展

高质量的航空锻件重要有航空发起机电扇和压气机系统的盘、机匣， 整体叶盘， 盘轴、叶片锻件以及飞机结构的框、梁、接头、起落架锻件等。随着航空发起机和飞机结构设计的技术进取，航空锻件向大型化、整体化、精密化方向发展，推动着锻压设备及其配套设备的发展与技术进取。为适应优质精密航空锻件及难变形资料的铸造必要，发展了如等温铸造，热模铸造，分段铸造等新工艺技术及相应的模具设计造作和质量节造技术。

航空系统内从事航空大、钟注幼型钛合金锻件的出产企业重要有：中航沉机旗下的陕西宏远，贵州安大、景航航空锻铸，三门峡卓越以及集团旗下的部门飞机和发起机公司。在航空系统内部，大型钛合金锻件出产用的模锻设备除专业化铸造厂有80~100MN液压机表，近年来，陕西宏远设备了一台200 MN 等温锻压机和200MN 离合器式电动螺旋压力机，其中200MN等温锻压机拥有"恒应变速度"节造职能和双工作台， 工作台尺寸为6000mm×4000mm , 最大净空距为3600mm，等温锻时滑块速度可节造在0.005~ 0.5mm/s ， 通常热模锻时滑块速度可节造在0.5 ~10mm/s:200MN 电动螺旋压力机在精密化,数字化、智能化方面有了长足进取，最猛进攻能力达到360MN, 尺寸节造精度达到±0.6 m m , 可控变形速度为0.2 ~ 0.5 m/s ， 能实现模具自动控温。贵州安大于2017年设备了一 台250MN等温锻+模锻压机，可用于难变形资料大型锻件的等温锻出产。同时， 贵州安大占有多条系列环形件出产线，能够实现钛合金、高温合金等难变形资料复杂异形截面环件的精密轧造。

航空系统表从事航空钛合金锻件出格是大型锻件出产的国有企业重要有二沉万航、三门峡透平，成立了用于大型飞机结构件， 大型发起机电扇叶片和盘锻件用的铸造设备，如二沉万航的800MN 模锻压机和具多向模锻职能的200MN 等温锻压机，三门峡透平的355MN 离合器式螺旋压力机。

十余年内我国涌现了一大批从事航空锻件出产的民营企业，设备了先进的锻压设备，如南山铸造、三角防务、昆仑沉工、中钛青锻、贵州航宇、三门峡航亚、三门峡派克等。这些企业设备了大吨位的模锻和环轧设备，并配套了相应的造坯自由锻压机。如南山铸造500MN 和125MN模锻压机，三角防务400MN模锻压机和在建的300MN 等温锻+ 模锻压机，昆仑沉工300MN 模锻压机，中钛青锻680MN 多职能压机（拥有模锻和挤压双沉职能），可出产航空发起机和飞机大型结构件锻件。贵州航宇4，5m 环轧机（径向/ 轴向压力别离为700/700t ) 及相应胀形设备、三门峡派克的先进环轧设备均配置了自动节造系统，为出产优质的发起机钛合金机匣环件提供了很好的硬件前提，胀形工艺的利用可提高环件的尺寸精度，并提高资料利用率，胀形会扭转环件内部残存应力的大幼和方向，推进残存应力的均匀散布。三门峡航亚具备出产钛合金精锻叶片的全套设备和技术能力，除共同国内沉点型号发起机叶片出产表，还积极投身国际市场，为GE， Safran公司出产Ti-6Al-4V钛合金压气机叶片等。

大涵路比航空发起机朝“大电扇、幼心脏”方向发展，以至电扇部件如电扇盘和电扇叶片的尺寸相应增大，高推沉比军用航空发起机的整体叶盘（blisk)和整体叶环（bling) 等整体轻量化结构设计，这些设计变动对相应迪胙合金锻件的控形（尺寸精密化）和控性（低倍流线、显微组织、组织均匀性、微织构、残存应力、力学机能，超声检测、冶金缺点节造） 提出了更高要求，既要做到精确控形，又要做到精确控性。

为了改善钛合金模锻件的低倍流线和组织均匀性，降低锻件内部的残存应力，推进模锻成形过程中金属的流动，某些关键的航空发起机和飞机钛合金锻件，如航空发起机用TC11、TC25、TC17、Ti60钛合金盘类件和整体叶盘锻件及直升机用TB6钛合金桨毂锻件等，选取等温模锻成形或近等温模锻成形技术，通过锻件的精化以实现"绿色"铸造，节俭贵重迪胙资源，降低出产成本。为了提高钛合金零件的危险容限机能，某些 T C 17(Ti-17)、T C 19(T i—6246)钛合金盘锻件选取了 P 模锻工艺，得到网篮组织状态使用。

对于一些厚大截面的锻件，如TC4 钛合金电扇盘锻件，选取强韧化热处置包办传统的通常退火，以提高锻件的强度和热强性。在出产大型钛合金锻件时，要出格把稳节造变形温度和变形速度，出格是对于β锻的锻件，预防锻件在变形过程中心部因变形能集聚引起温度陡升，造成锻件心部产生过热组织，即形成清澈晶或粗壮的单个晶粒，引起抗拉强度和委顿机能的显著恶化。

在钛合金锻件质量检验及节造方面，固然出现硬α同化物、裂纹和孔洞等缺点的概率极低，但是一旦出现就有可能造成沉大的飞机失效事务，必须严格节造钛合金零件内涵缺点，而超声检测是检出钛合金各类缺点的最有效伎俩。我国各重要钛材出产商近年来成立了钛合金大规格棒材的水浸超声检测装置，通过度区聚焦超声检测，能够显著提高检测活络度，从 而提高了缺点的检出能力。大部门锻件出产商成立了合用于轴对称的发起机盘类锻件水浸超声检测装置，可实现锻件的自动化和数字化超声检测，并通过与接触法探伤相互共同使用，提高缺点的检出能力。钛合金α+β相区充分变形得到的球状（等轴）组织杂波低，容易检出缺点：而β锻或β热处置得到的片状组织或网篮组织， 杂波高，易覆盖缺点反射波，降低检测的正确性。因而，对于必要β加工的锻件，应在α+β两相区锻的坯料状态进行超声检测。另表,在关键钛合金零件加工过程中，选取表表侵蚀、X 射线、表表蓝色阳极化，表表荧光渗入，涡流检测等，提高零件表表和内部缺点的检出率。当然，航空级出格是发起机转子级钛合金，其相应的原资料海绵钛也要求是航空级或者是转子级的，并对其熔炼工艺及过程节造提出了严苛要求。

上述企业中，除传统的几个航空企业有五十余年出产航空锻件的经验表，其余大部吩祗业在出产航空锻件方面处于起步阶段，出产技术和经验有待于堆集和提高，借助于矫捷的人力资源和设备技术等后发优势，在国度军民融合的大布景下，将会迅速成长为拥有壮大市场竞争力的骨干企业。

5、优质钛合金原资料及锻件尺度建设

十余年来，我国在钛合金的熔炼、铸造、热处置、机械加工等方面的设备能力和工艺技术得到了长足进取，为出产大型钛合金飞机框、梁、起落架结构件和航空发起机盘、叶片，机匣锻件提供了优良的设备前提和工艺基础。飞机和航空发起机的安全使用在很大水平上受造于原资料及锻件的冶金质量，组织状态、微观织构及力学机能等，原资料及锻件的质量除受造作工艺和设备前提所限表，质量节造的重要伎俩是通过成立相应的资料和锻件尺度、热工艺和检验尺度等。

我国航空钛合金资料从研造阶段过渡到出产阶段的过程中，逐步成立了相应的分歧档次的资料尺度和工艺规范，如企业尺度、型号尺度，航空尺度、国军标等，作为资料或锻件出产和验收的凭据。

我国在役的大部门钛合金资料以引进国表商标为主。因而，在造订资料尺度和锻件标定时，根基上是以参考或等效选取国表有关尺度的技术要求和划定为主。在利用资料或锻件标定时，经
；嵊龅皆诨С煞至煊蚪谠臁⒃又试睾拷谠，热工艺造度，凹凸倍组织、超声检测、力学机能指标要求等条款标理解和现实操作产生歧义的情况。

随着我国航空设备的建设，所用迪胙合金锻件趋向于大型化，整体化、精密化和低成本化，相应所需的原资料规格和尺寸也不休加大，某些规格尺寸和沉量已超出了目前尺度划定的领域极限，如某厂在出产的φ500mm钛合金大棒材， 而现行的尺度中划定的大规格棒材最大尺寸仅为4350mm ; 某型号钛合金电扇盘锻件的沉量靠近了500kg ， 尺寸大，截面厚，

已大大超过以往出产迪胙合金盘锻件的规格。因而，对于这类超大规格迪胙合金棒材和超大尺寸迪胙合金锻件，若何对其凹凸倍组织，力学机能，超声波探伤等技术要求做出科学合理且适度的划定，尚需针对性地加大钻研工作，堆集数据和经验，不休美满、补充和订正资料及锻件尺度。

6、实现语

中国迪胙工业经过60余年的发展，具备了出产海绵钛，钛加工材、锻件齐全的出产设备和工艺技术，目前已成为世界第一大钛出产国和消费国。在国度大飞机，两机专项等新型航空设备发展驱动下，我国设备了世界上最大和最先进的各类铸造设备，可出产大型钛合金模锻件、环轧件及叶片精锻件。在出产大型钛合金锻件时，应关注有关的工艺技术如推算机数值 仿照技术，先进超声检测等技术，资料和锻件工艺尺度的科学合理划定，成分、杂质，组织，织构的合理节造等，提高优质钛合金锻件的组织均匀性，批次不变性及质量靠得住性，同时，锻件造作应朝着精密化、绿色方向发展，实现近净成形，关注增材造作技术的综合利用，加强钛残料的回收利用，为我国航空高端设备建设做贡献。

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