鈦及鈦合金具有耐蝕性好、生物相容性好、比強度、疲勞強度高等優(yōu)異性能，享有“戰(zhàn)略金屬”、“太空金屬”、“海洋金屬”及“生物金屬”等美譽。近年鈦及鈦合金技術(shù)被廣泛應(yīng)用在石油能源工業(yè)、冶金工業(yè)、船舶工業(yè)、汽車工業(yè)、航空航天及食品、醫(yī)療設(shè)備等工程中，其中發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮念I(lǐng)域是航天領(lǐng)域，可用于飛機的緊固件、發(fā)動機配件、機翼、飛機的起落架以及機載設(shè)備等部位，還可用在火箭、人造衛(wèi)星、導(dǎo)電、坦克等高端軍用設(shè)備上，進而提高設(shè)備使用性能[1]。

2017 年中國有色金屬加工行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，我國鈦加工材企業(yè)數(shù)量130 多家。2017 年鈦錠產(chǎn)能比2016年增長了8.7%，達到14.7 萬噸。據(jù)統(tǒng)計，2017 年我國共生產(chǎn)鈦加工材55404 噸，同比增長了12.0%。在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面，2017 年鈦及鈦合金板的產(chǎn)量同比增加了13.4%，占到當年鈦材總產(chǎn)量的55.1%，其中鈦帶卷的產(chǎn)量占到了一半以上； 棒材的產(chǎn)量同比下降了11.6%，約占全年鈦材產(chǎn)量的17.8%；管材的產(chǎn)量同比增長了25.5%，占到全年鈦材產(chǎn)量的15.5%；鈦及鈦合金復(fù)合材料經(jīng)過近十年的技術(shù)攻關(guān)， 很多產(chǎn)品得到廣泛應(yīng)用。鈦及鈦合金產(chǎn)量快速增長的原因：一方面是開發(fā)出了加工精密的近成形制造技術(shù)，解決了鈦及鈦合α 態(tài)及β 態(tài)加工難的問題，提高了原材料的利用率，降低了成本。如采用熱等靜壓制備鈦合金件，既可消除鈦合金的內(nèi)部缺陷，提高材料力學(xué)性能，還可降低材料的生產(chǎn)成本，這進一步促進了鈦及鈦合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用[2]。采用注射成型技術(shù)制備鈦及鈦合金多孔復(fù)合材料， 其彈性模量與人體骨骼相近， 促進了鈦及鈦合金在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用。另外，我國民用、軍用鈦及鈦合金的需求量不斷增加。

目前， 國內(nèi)外把鈦及鈦合金材料的研究主要聚焦在生物鈦合金、軍用高溫鈦合金和高強高韌β 型鈦合金及鈦及鈦合金復(fù)合材料。

目前， 國內(nèi)外鈦及鈦合金材料的研究新進展主要體現(xiàn)在高溫鈦合金、高強高韌β 型鈦合金、醫(yī)用鈦合金、鈦合金管材及鈦基復(fù)合材料等方面[3]。本文總結(jié)了不同鈦及鈦合金產(chǎn)品的研制技術(shù)、應(yīng)用現(xiàn)狀、發(fā)展對策和應(yīng)用前景， 為鈦及鈦合金在各領(lǐng)域廣泛和成熟的應(yīng)用提供指導(dǎo)， 為鈦及鈦合金產(chǎn)品的質(zhì)量提供信息服務(wù)。

1、 鈦及鈦金加工產(chǎn)品的研制現(xiàn)狀

1.1 鑄造鈦及鈦合金

鑄造鈦及鈦合金的主要特點是高強度， 它的強度與變形鈦合金的強度性能不分伯仲，但在塑性、沖擊性和彎曲性方面， 明顯低于變形鈦合金或近成形鈦合金的性能。經(jīng)過對鑄造鈦合金大規(guī)模的研制，建立了完整的鑄造鈦合金生成、銷售體系；并開發(fā)了新型冶煉技術(shù)，如冷床熔煉技術(shù)，制備出了無偏析和夾雜的鈦及鈦合金鑄錠，殘鈦的回收率高[4]。冷坩堝熔煉技術(shù)發(fā)展，提高了熔煉的熔化能力，消除了凝殼等問題。采用真空吸鑄技術(shù)制備的鈦及鈦合金表面無污染，質(zhì)量穩(wěn)定，節(jié)省了酸洗工序，改善了生產(chǎn)環(huán)境。

該技術(shù)廣泛用于制備高爾球桿桿頭、飛機上使用的高強度鑄件BT25Y 等產(chǎn)品[5-6]。西北金屬研究院開發(fā)了冷坩堝感應(yīng)+ 離心澆注聯(lián)合技術(shù)，該技術(shù)主要表現(xiàn)在以下幾個優(yōu)點： ①可使用鈦及鈦合金鍛造或軋制的邊角料，節(jié)約原料。②可降低鑄模與金屬液的富氧含量，消除鑄件表面的缺陷，保證鑄件表面的平整和光滑度。③降低鑄模的預(yù)熱溫度，降低預(yù)熱成本。

雖然，鈦及鈦合金鑄件的研制取得重大突破，鑄件的強度也有所提高， 但高強度的鈦及鈦合金鑄件硬度高， 抗變形力高， 加工需要在一定的溫度下進行，導(dǎo)致后續(xù)加工困難；其組織存在偏析現(xiàn)象，性能不穩(wěn)定，塑性低，耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞性低，這些都限制鑄造鈦及鈦合金的應(yīng)用領(lǐng)域[7]。因此未來的鈦及鈦合金鑄件的發(fā)展方向， 必須提高鑄件的其他性能，使其應(yīng)用范圍更廣。

1.2 鈦及鈦合金管材

鈦及鈦合金管材由鈦及鈦合金鑄錠經(jīng)鍛造、擠壓、軋制、拉拔、旋壓等方式制備的。擠壓技術(shù)具有優(yōu)質(zhì)、高效、少切割等工藝特點，廣泛應(yīng)用在鈦合金管、棒、型材及零件生產(chǎn)中。擠壓比及擠壓潤滑劑的選擇直接影響鈦及鈦合金擠壓產(chǎn)品的質(zhì)量。

劉守田等[8]研究發(fā)現(xiàn)，鈦及鈦合金的擠壓比大于鋁及鋁合金型材的擠壓比，但通常小于30，在一定范圍內(nèi)，擠壓比越大，鈦及鈦合金鑄錠的晶粒破碎的越小，得到的擠壓材管材的晶粒越細，鈦及鈦合金管材的力學(xué)性能越好。因此在保證擠壓工藝的條件下，擠壓比越大越好。同時還發(fā)現(xiàn)，擠壓時一定要控制金屬液的流動性， 流動性差會導(dǎo)致擠壓后鈦及鈦 合金管材表面質(zhì)量差，甚至導(dǎo)致無法擠壓出管材。

為了降低鈦及鈦合金鑄錠在擠壓過程粘模、降低鈦液與模具之間的摩擦力，改善流動性，需加入潤滑劑。鈦及鈦合金的擠壓潤滑劑主要分為潤滑脂、包覆劑和玻璃潤滑劑[9]。潤滑脂使用方便，成本較低，擠壓的管材表面質(zhì)量好，但擠壓管材的長度受限，太長管材的末端會出現(xiàn)粘結(jié)現(xiàn)象。金屬包覆劑能保護鈦及鈦合金材料在擠壓過程不被氧化， 提高擠壓管 材的性能， 但在擠壓過程中易與鈦及鈦合金生成共晶組織，影響鈦及鈦合金的性能；同時該工序復(fù)雜，成本高。玻璃潤滑劑的導(dǎo)熱系數(shù)低，隔熱性能好，耐壓，化成成分穩(wěn)定，但擠壓時其粘度波動大，需幾種潤滑劑配合使用，工藝復(fù)雜。Damodaran 等[10]利用有限元模擬建立了鈦及鈦合金擠壓模型，發(fā)現(xiàn)擠壓比、鈦液的流動性、擠壓溫度及模具的設(shè)計等都與潤滑劑的種類有關(guān)。該模型可有效預(yù)測各工藝參數(shù)對鈦及鈦合金擠壓過程的影響，進而選擇合適的潤滑劑。

閻雪峰等[11]采用兩輥軋制和多輥軋制聯(lián)合方式制備出了直徑從3mm 到250mm 的鈦及鈦合金管材， 發(fā)現(xiàn)鈦及鈦合金管材的晶粒取向與軋制過程中減壁量和減徑量的比值（Q 值）有關(guān)，在軋制過程中將Q 值控制在合理范圍， 有利于提高管材的性能。

同時， 楊英麗等研究了Q 值對TA12 管材組織和性能的影響時發(fā)現(xiàn)，制備不同管徑的鈦及鈦合金管材，其最佳Q 值不一樣， 如準6mm×1mm 的TA2 管，最佳Q 值為1.65。Jin等[12]研究了軋制工藝對鈦合金管材微觀組織的影響， 發(fā)現(xiàn)鈦及鈦合金軋制后材料β態(tài)的（0002）和（1010）聚集在軋制方向，這說明軋制過程有利于鈦組織結(jié)構(gòu)的重組，提高管材的性能，因此合理設(shè)計軋輥孔型和變形參數(shù)。尹業(yè)宏等[13]利用有限元軟件模擬了鈦管材的軋制過程， 可有效指導(dǎo)鈦及鈦合金的實際生產(chǎn)。晏小兵等[14]研究了TA15鈦合金管拉拔時模具參數(shù)對管材的尺寸精度、變形量及性能的影響，發(fā)現(xiàn)?？兹肟阱F角為12°，定徑帶的長度為6mm 時，管材的綜合性能達到最優(yōu)。Liu等[15]采用高壓氣動成形技術(shù)制備出了Ti-3Al-2.5V管材，研究發(fā)現(xiàn)：管材的角半徑在增加階段隨時間呈線性變化，恒壓時成指數(shù)變化，且該方法是將再生材料充入管道，可有效消除溫差，解決了管材在性能上的各向異性。

雖然，鈦及鈦合金管材耐腐蝕性好、耐熱性好、比強度高。但生產(chǎn)工藝復(fù)雜、周期長、成本高。對高性能鈦及鈦合金管材的研究和生產(chǎn)方面不足。因此未來鈦及鈦合金管材的研制要向高性能、低成本等方向發(fā)展，利用有限元軟件對工藝進行模擬，建立材料性能與工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)庫， 為開發(fā)高性能的鈦及鈦合金管材提供理論基礎(chǔ)及數(shù)據(jù)支撐。

1.3 鈦及鈦合金復(fù)合材料

鈦及鈦合金復(fù)合材料主要是通過粉末冶金的方式制備得到的，該方法可實現(xiàn)產(chǎn)品少/ 無切割、縮短加工流程、降低生產(chǎn)能耗，在保證鈦及鈦合金高性能的情況下，降低制備成本。Hu 等[16]和賀毅強等[17]利用TC4 合金粉末經(jīng)注射成形技術(shù)制備出高精度、高性能且形狀復(fù)雜的零件，如體積較小的手表零部件、高爾夫球桿頭、飛機發(fā)動機零件等，目前鈦合金金屬注射成形制品在市場呈現(xiàn)明顯的增長趨勢。Firat 等[18]采用金屬注射成形技術(shù)制備了相對密度達到97.6%，楊氏模量為54GPa 的Ti-24Nb-4Zr-8Sn 合金零部件。蔡一湘等[19]采用注射成形金屬，將TiC0.7N0.3 粉末作為顆粒增強體與T5 鈦合金基體粉末混合， 制備了顆粒增強鈦基復(fù)合材料， 其相對密度大于95%，抗拉強度達到1150MPa,燒結(jié)態(tài)的硬度達45HRC。超過了熔鑄生產(chǎn)的鈦合金強度。Zhao 等[20]采用金屬注射成形技術(shù)制備了Ti-Mo 合金圓柱體作為吸氣劑，該吸附及具有高的孔隙率和比表面積。羅鐵鋼等[21]

和孔祥吉等[22]研究了一種適應(yīng)微電子產(chǎn)品市場的微注射成形技術(shù)， 該技術(shù)可制備高性價比的微米級原器件。歐美等工業(yè)發(fā)達國家采用HIP（熱等靜壓）技術(shù)制備了高性能的Ti-6Al-4V 整體葉輪、大尺寸鈦合金機匣等。Belov 等[23]研究發(fā)現(xiàn)：HIP 溫度對γ-TiAl合金相組成及相分布有直接關(guān)系，在950～1050℃時有利于生成γ 態(tài)TiAl 合金。徐磊等[24]研究發(fā)現(xiàn)：在940℃、150MPa 下熱等靜壓成形Ti-5Al-2.5Sn 合金粉末，Ti-5Al-2.5Sn 合金晶粒細小均勻，無氣孔缺陷，達到了完全致密，該合金的性能達到最佳狀態(tài)。

Luo 等[25]采用溫壓成形技術(shù)制備出了Ti-10V-3Fe-3Al 合金，研究了溫壓成形的特點。結(jié)果表明：溫壓成形能提高鈦合金生坯密度和燒結(jié)密度， 進而提高鈦合金材料的性能。何世文等[26]研究了Ti-6.8Mo-4.5Al-1.5Fe合金粉末的溫壓成形行為。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，合金粉末生坯密度在140℃時達到最大值， 相對室溫成形，溫壓成形的脫模力降低27.7%，同時改善了鈦合金件的微觀組織。周鴻強等[27]研究了鈦合金粉末的內(nèi)潤滑溫壓成形行為。結(jié)果表明，內(nèi)潤滑溫壓成形有利于細化鈦合金的顯微組織，降低氣孔缺陷，提高鈦合金零件的致密度。

美國坩堝公司利用CO2 激光快速成形制備了尺寸200mm×150mm×32mm 的γ-TiAl 合金板材。美國Aeromet 公司利用激光快速成形技術(shù)制造了Ti-6Al-4V 鈦合金關(guān)鍵大型承力結(jié)構(gòu)， 并用于戰(zhàn)機上。來佑彬等[28]研究發(fā)現(xiàn)激光功率、掃描速度與鈦合金殘余應(yīng)力有直接關(guān)系，功率越大，殘余應(yīng)力越大；掃描速度高，殘余應(yīng)力降低。因此，選擇合適的激光功率及掃描速度， 可得到較低殘余應(yīng)力的鈦合金材料。

Zhang 等[29]研究發(fā)現(xiàn)，激光成形后的Ti-6Al-4V 合金經(jīng)熱處理后，其組織更細小均勻，綜合性能更好。黃瑜等[30]研究發(fā)現(xiàn)，激光成形的TC11 合金主要由粗大柱狀晶和等軸晶組成， 避免了合金材料的各向異性。張小紅等[31]研究發(fā)現(xiàn)，TA15 合金經(jīng)不同熱處理，其拉伸性能及硬度不同，沉積態(tài)、退火態(tài)、固溶時效態(tài)及雙固溶態(tài)的強度和硬度依次降低。

目前鈦及鈦合金復(fù)合材料制備成形技術(shù)取得了一定的進展，并有部分產(chǎn)品得到應(yīng)用，但其與大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化還存在一定差距， 未來的研究應(yīng)主要從以下方面進行：①加強對粉末粘接劑、潤滑劑的研究。②開發(fā)復(fù)合成形技術(shù)，如注射成形+HIP、激光技術(shù)+模具成形技術(shù)等。進而開發(fā)出滿足現(xiàn)代社會所需的高質(zhì)量、高精度的鈦及鈦合金復(fù)合材料。③利用計 算機技術(shù)、增材技術(shù)等新科技開發(fā)更為先進的粉末成形技術(shù)。

1.4 高溫鈦合金

根據(jù)強化方式及相變， 國外將高溫鈦合金劃分為三個階段：

①合金以α 相和β 相強化為主，其使用溫度從350℃提高到480℃。②合金以無序固化為主， 加入Si 元素， 相由α、β 相和微量硅化物組成，硅化物以α 片層形式存在于相界面，標志性的合金為Ti6242,其使用溫度從480℃提高到540℃。③這一階段主要以Ti3X 作為強化相， 相由α、β、硅化物和α2 相組成，其彌散相以納米級尺寸與基體共格存在， 提高了鈦合金的高溫性能， 標志性合金為IMI834， 其使用溫度從540℃提高到600℃。雖然600℃以上的高溫鈦合金開發(fā)非常困難，但相關(guān)研究工作并未停止[32]。日本神戶制鋼公司在IMI834 鈦合金基礎(chǔ)上，添加1%Ta，改變了合金β 相轉(zhuǎn)變溫度，提高了鈦合金的高溫持久、蠕變強度和抗氧化性，使合金達到在650℃使用的要求， 應(yīng)用在汽車發(fā)動機閥上。GE 公司通過在鈦合金粉末中加入Al、Sn、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、Si 和RE 等9 種合金化元素，制備了一種新型650℃環(huán)境下使用的鈦合金。該合金為全片層組織，有利于提高材料高溫力學(xué)性能、蠕變性和氧化性。Giglioti 等[32]開發(fā)出了Ti-Al-Sn-Zr-Nb-Mo-Er-Si 合金體系，該鈦合金體系在650℃下抗拉強度和蠕變性能均有明顯改善，但塑性低，熱穩(wěn)定性偏差。

我國的高溫鈦合金的研制起步晚， 大致可分為三個發(fā)展階段：

①早期以仿制為主，使用溫度在520℃以下， 主要的合金牌號為TC4、TC17、TC6、TA11等，對建立早期高溫鈦合金材料體系具有重要意義。②自主研制，以近α 相為主，合金的使用溫度520～550℃。中科院金屬所、寶鈦集團及北京航空材料研究院[33]開發(fā)了Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si-Nd 體系，該鈦合金體系為近α 型高溫鈦合金，并在航空航天領(lǐng)域得到應(yīng)用。西北有色研究院在國外IMI892 的基礎(chǔ)上開發(fā)研制了Ti633G 和Ti53311S 兩種耐550℃高溫鈦合金，其靜強度高于國外IMI892 合金，已在衛(wèi)星姿態(tài)控制發(fā)動機噴注器及神舟飛船上應(yīng)用。③以α、β、硅化物和α2 相為主的高溫鈦合金， 其使用溫度為550～650℃。西北研究院研制了600℃的Ti600 合金，該合金通過加入稀土細化β 相晶粒，提高了材料的高溫使用性能。北京航空材料研究所通過加入元素Ta，使鈦合金中弱β 相得到了穩(wěn)定，使鈦合金的使用溫度提高到了600℃。西北研究院采用TiC作為增強顆粒來強化鈦合金， 雖然其抗拉強度大于1250MPa，滿足了650℃下的強度要求，但其在650℃下蠕變性和氧化性差，不能滿足使用要求[34]。

雖然，目前高溫鈦合金的研制取得了一定成果，并在軍工方面得到了廣泛應(yīng)用， 但我國高溫鈦合金材料與外國發(fā)達國家還存在一定的差距， 航空發(fā)動機使用的高溫鈦材還依賴進口。未來我國高溫鈦合金材料的研究主要從以下方面進行：①研究α、β、硅化物和α2 相大小、形態(tài)及含量占比來提高高溫鈦合金組織穩(wěn)定性。②開發(fā)出聯(lián)合的加工技術(shù)，控制片狀α 構(gòu)成、等軸α 結(jié)構(gòu)及β 轉(zhuǎn)變基體組成的三態(tài)組織，在不降低塑性、確保熱穩(wěn)定性的前提下提高材料的高溫性能和使用溫度。③建立時效溫度、時效時間等熱處理條件下各相的尺寸、分布、形態(tài)及含量變化的有限元模型， 確定高溫鈦合金中平衡熱強性和熱穩(wěn)定性的α2 相尺寸、含量的臨界轉(zhuǎn)變值。

2 、鈦及鈦合金主要應(yīng)用領(lǐng)域

由鈦及鈦合金研制情況看，開發(fā)新的合金成分，解決鈦合金材料制備過程中存在的技術(shù)和工藝問題，拓展新的應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。鈦及鈦合金除了在傳統(tǒng)的航空航天和海洋工程領(lǐng)域有應(yīng)用， 其在汽車、醫(yī)療器械、體育等民用領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。

2.1 鈦及鈦合金在軍事工業(yè)上的應(yīng)用

鈦及鈦合金最早用于軍工， 已成為無可替代的戰(zhàn)略金屬，應(yīng)用在航空航天、核能、軍艦、戰(zhàn)車等領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計美國的F-22 新型戰(zhàn)斗機，鈦的用量高達45%。主要用于發(fā)動機的葉輪盤、葉片、機匣、燃燒室筒體和尾噴管等。美國的隱形戰(zhàn)略轟炸機的發(fā)動機及殼體用了近90t 鈦合金， 主要部位為發(fā)動機風扇殼體，材料為Ti-6Al-4V 合金，低壓和高壓壓縮機前端的圓盤、動翼、靜翼等均使用鈦材[35-36]。艦艇上的各種傳聲器、聲吶導(dǎo)流罩、電話零件、水聲換能等零部件都是使用鈦及鈦合金制造的。艦船上的耐壓殼體、螺旋漿及漿軸、通海管路、閥及其附件、發(fā)動機零件、聲學(xué)裝置等[37]部位也是使用鈦及鈦合金制造的。鈦及鈦合金在軍事工業(yè)上的使用量反映國家武器裝備的現(xiàn)代化程度， 是體現(xiàn)軍事水平和軍事實力的重要標志[38-39]。

2.2 鈦合金在生物醫(yī)療上的應(yīng)用

鈦及鈦合金具有密度小、抗腐蝕性好與人體血液和細胞組織相容性好， 無毒副作用與人體的自然骨的各方面性能非常接近等優(yōu)點， 被譽為生物醫(yī)用的理想材料。Ti-6Al-4V 鈦合金廣泛用于臨床，制作髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)等外科修復(fù)及替換材料。瑞士Sulzer醫(yī)療技術(shù)公司制造了Ti-6Al-7Nb 髖關(guān)節(jié)柄，并投放市場。Ti-Nb 系、Ti-Mo 系、Ti-Zr 系、Ti-Nb-Hf 系等被列為醫(yī)用β 型合金， 廣泛用于牙科。Ti-13Nb-13Zr合金被正式列為國際標準的β 型醫(yī)用鈦合金，Ti-Zr-Sn-Mo-Nb 合金應(yīng)用在心血管支架上，鈦及鈦合金還用于制造彈性接骨板、脊柱動態(tài)非融合固定器等多種產(chǎn)品。

近年來，鈦及鈦合金經(jīng)表面改性后，在生物醫(yī)用上展現(xiàn)出了更誘人的前景。Zhao 等[40]通過表面改性，在Ti-6Al-4V 合金表面注入C 和N，提高了合金的表面腐蝕性、粗糙度和生物相容性，經(jīng)手術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，TiC 和TiN 層均可以誘導(dǎo)骨形成、減少骨吸收。

同時顯著減少了關(guān)節(jié)臼的磨損， 是良好的髖關(guān)節(jié)柄的構(gòu)件。Kawanabe 等[41]、Landor 等[42]采用等離子噴涂在鈦合金髖關(guān)節(jié)上噴涂了一層HA 涂層， 將鈦合金髖關(guān)節(jié)臨床植入人體跟蹤發(fā)現(xiàn)，HA 涂層促進了假體與周圍骨組織良好結(jié)合作用， 促進了人體骨骼的恢復(fù)。Kumar 等[43]、Ning 等[44]分別制備研究了HA/Ti復(fù)合材料的生物活性及細胞相容， 研究發(fā)現(xiàn)將鈦合金植入6 個月后可觀察到周圍有大量的新骨形成。Akmal[45]和Zhang[46]分別制備了NiTi/HA 復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)HA 涂層對NiTi 合金的硬度、導(dǎo)熱率及生物活性等有影響。

近年鈦及鈦合金在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用呈上升趨勢，尤其在牙科、骨科和整形外科中鈦及鈦合金材料的使用量明顯增加，β 類鈦合金、鈦合金復(fù)合材料、多孔材料等新型鈦合金材料表現(xiàn)出的性能更誘人，有望取代常用的Ti-6Al-4VELI 合金。

2.3 鈦及鈦合金在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

今年來汽車輕量化、排氣及使用壽命的要求不斷提高， 鈦及鈦合金材料在汽車制造業(yè)倍受青睞。

Ti-6Al-4V 合金用于制造賽車和樣車發(fā)動機的進氣閥，Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si 合金用于制造高端汽車發(fā)動機的進氣閥和排氣閥，不僅減小質(zhì)量、使用壽命長，而且可靠性高，節(jié)省了燃料。德國大眾汽車公司在汽車上使用了鈦合金懸簧使Lupo FSI 汽車的總質(zhì)量減小了81.6kg。雪佛來汽車使用鈦代替不銹鋼制造發(fā)動機的排氣系統(tǒng)部件，不但質(zhì)量減小，而且也性能提高了。日本豐田公式采用Ti-6Al-4V/TiB鈦合金復(fù)合材料制備發(fā)動機的進氣、排氣閥及彈簧，使車的質(zhì)量和使用壽命明顯提高[47-48]。有人預(yù)測，一旦鈦在汽車工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用， 那么鈦材的用量將超過目前鈦及鈦合金在軍工行業(yè)的用量。

3、 鈦及鈦合金加工產(chǎn)品質(zhì)量現(xiàn)狀及存在的問題

目前， 我國鈦及鈦合金加工產(chǎn)品的質(zhì)量水平有了非常大的提高，絕大多數(shù)產(chǎn)品（如海綿鈦、鈦錠、鈦板等都采標歐標、等同于ISO 或美標）都處于世界領(lǐng)先水平，其他類鈦及鈦合金加工產(chǎn)品（帶、箔），我國也自行制定了標準， 有些標準比國際標準稍微落后一些?？傮w看來，我國鈦及鈦合金產(chǎn)品水平處在世界前列水平， 但我國能生產(chǎn)鈦及鈦合金棒的企業(yè)很多，鈦棒出口量也不少，但質(zhì)量參差不齊。除了寶鈦集團的鈦棒進入波音、空客的高端市場和西北有色金屬研究院的醫(yī)用鈦材進入醫(yī)用市場外， 其余大多是中低檔產(chǎn)品。直徑在350mm 及其以下的鍛棒，產(chǎn)品質(zhì)量基本穩(wěn)定；而350mm以上的鍛棒，組織性能的均勻性和批次質(zhì)量的穩(wěn)定性還較差， 還處于試驗攻關(guān)階段，與國外的水平還有較大的差距。目前國外已能提供500mm、3t 多的鈦鍛件。隨著我國大型客機、大型運輸機等重大專項的上馬，要求鍛棒最大尺寸達到500mm， 甚至到600mm。這么大尺寸的鍛件， 要保證組織和性能的均勻性以及批次質(zhì)量的穩(wěn)定性，對鈦加工企業(yè)來說，將是巨大的挑戰(zhàn)。

2017 年國家質(zhì)檢總局對鈦及鈦合金加工產(chǎn)品抽查了91 家企業(yè)的102 批次產(chǎn)品。經(jīng)過檢驗，有86家企業(yè)的97 批次產(chǎn)品合格，5 家企業(yè)的5 批次產(chǎn)品不合格。經(jīng)統(tǒng)計，本次抽查企業(yè)合格率為94.5%，產(chǎn)品合格率為95.1%， 強制標準評定合格率為100%，推薦性標準評定符合率為95.05%，抽查產(chǎn)品銷售額合格率為98.7%。抽查結(jié)果基本反映出鈦及鈦合金 加工產(chǎn)品行業(yè)目前實際情況， 大型企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，產(chǎn)品合格率均為100%，中型和微型企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量較為不穩(wěn)定， 其中中型企業(yè)產(chǎn)品合格率為88.89%，微型企業(yè)產(chǎn)品合格率為86.36%為最低，小型企業(yè)產(chǎn)品合格率為98.53%。

鈦及鈦合金加工產(chǎn)品在我國已經(jīng)有幾十年的生產(chǎn)歷史，產(chǎn)品加工工藝已經(jīng)趨于穩(wěn)定，大型企業(yè)擁有一定的品牌和市場優(yōu)勢，可在保證一定利潤的基礎(chǔ)上合理控制產(chǎn)品質(zhì)量和有效管理生產(chǎn)。小微企業(yè)由于規(guī)模小、技術(shù)力量薄弱、大多數(shù)企業(yè)品牌影響力弱甚至差，只能依靠低價產(chǎn)品沖擊市場，為了經(jīng)濟利益就會盲目降低成本，生產(chǎn)工藝不合理或者未嚴格按照生產(chǎn)工藝執(zhí)行、監(jiān)督管理不到位，對產(chǎn)品標準以及相關(guān)標準不熟悉、未能及時更新標準和對新標準的要求根本不知曉，質(zhì)量檢驗控制不嚴格或者根本不進行產(chǎn)品質(zhì)量檢驗。從數(shù)據(jù)中還可看出，中型企業(yè)合格率有點偏低，說明了中型企業(yè)質(zhì)量不穩(wěn)定，還要加強生產(chǎn)工藝和質(zhì)量管控。

4、 鈦及鈦合金的發(fā)展趨勢

當前， 我國鈦及鈦合金加工產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景發(fā)展趨勢應(yīng)朝以下幾個方向努力：

（1） 對于鑄造鈦及鈦合金應(yīng)提高其性能的穩(wěn)定性，消除偏析現(xiàn)象；研制新型聯(lián)合的鈦合金鑄造技術(shù)以開發(fā)出高強度鈦合金鑄件，使其應(yīng)用范圍更廣泛。

（2） 對于鈦及鈦合金管材的研制要向高性能、低成本等方向發(fā)展， 利用有限元軟件對工藝進行模擬，建立材料性能與工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)庫，為開發(fā)高性能的鈦及鈦合金管材提供理論基礎(chǔ)及數(shù)據(jù)支撐。

（3） 對于鈦及鈦合金復(fù)合材料應(yīng)加強對粉末粘接劑、潤滑劑的研究；開發(fā)復(fù)合成形技術(shù)，如注射成形+HIP、激光技術(shù)+模具成形技術(shù)等。進而開發(fā)出滿足現(xiàn)代社會所需的高質(zhì)量、高精度的鈦及鈦合金復(fù)合材料；同時利用計算機技術(shù)、增材技術(shù)等新科技開發(fā)更為先進的粉末成形技術(shù)，從而制備高質(zhì)量、高性能的鈦及鈦合金復(fù)合材料。

（4） 對于高溫鈦合金材料應(yīng)加強對α、β、硅化物和α2 相大小、形態(tài)及含量占比研究，以提高高溫鈦合金組織穩(wěn)定性，建立時效溫度、時效時間等熱處理條件下各相的尺寸、分布、形態(tài)及含量變化的有限元模型， 確定高溫鈦合金中平衡熱強性和熱穩(wěn)定性的α2 相尺寸、含量的臨界轉(zhuǎn)變值，為開發(fā)高性能的高溫鈦合金材料提高理論支持。

（5） 對鈦及鈦合金加工產(chǎn)業(yè)也要區(qū)別對待。要鼓勵國有骨干企業(yè)實行技術(shù)改造， 著重解決國家大型工程所需的大規(guī)格、高性能鈦材的規(guī)模化生產(chǎn)問題， 又要鼓勵有一定實力的中小企業(yè)開發(fā)多樣化的鈦產(chǎn)品，促進鈦的應(yīng)用推廣，以滿足國民經(jīng)濟各部門和日用生活領(lǐng)域?qū)︹伈幕蜮伾罴庸ぎa(chǎn)品的需求。建議設(shè)立“鈦新技術(shù)與新產(chǎn)品開發(fā)專項基金”，以鼓勵 鈦加工技術(shù)創(chuàng)新和擴大鈦市場。同時，鑒于中小鈦加工企業(yè)對活躍市場、促進鈦的應(yīng)用起著重要作用，建議國家設(shè)立“中小鈦加工業(yè)企業(yè)專項發(fā)展基金”，重點支持中小加工企業(yè)做精、做專、做強，提升行業(yè)整體水平。

參考文獻:

[1] 劉奇先，劉楊，高凱．鈦合金的研究進展與應(yīng)用[J]．航天制造技術(shù)，2011，45(4)：48-55．

[2] Yo j M， Shun S K， Kata S M， et al． Fatigue crack growthbehaviour in single-colony lamellar structure of Ti-6Al-4V [J].Scripta Materialia，2019，32(8)：165-170．

[3] 賈翃，逯福生，郝斌．2017 年中國鈦工業(yè)發(fā)展報告[J]．中國鈦業(yè)，2018(2)：3-11．

[4] 謝永盛，徐純輝．高強度鑄造鈦合金的發(fā)展現(xiàn)狀及前景[J]．鑄造技術(shù)，2014，35(10)：2384-2386

[5] 江洪，張曉丹．國內(nèi)外鈦合金研究及應(yīng)用現(xiàn)狀[J]．新材料產(chǎn)業(yè)，2017(3)：7-10．

[6] 陳國琳，吳鵬煒，冷文軍，等．鈦合金的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景[J]．艦船科學(xué)技術(shù)，2009，31(12)：110-113．

[7] 庾晉，周潔．金屬鈦的性能、發(fā)展與應(yīng)用[J]． 南方金屬，2004(1)：17-23．

[8] 劉守田，陳睿博，朱寶輝，等．坯料處理方式對純鈦擠壓棒材組織及性能的影響[J]．鈦工業(yè)進展，2014，31(4)：36-38．

[9] Damodaran D， Shivpuri R．Effect of glass lubricant behavioron the surface quality of extrudates in glass-lubricated hotextrusion[J]．CIRP Annals-Manufacturing Technology 1997，46(1)：179-182．

[10] Damodaran D， Shivpuri R．Prediction and control of partdistortion during the hot extrusion of titanium alloys [J]. Journalof Materials Processing Technology，2004，150(1)：70-75．

[11] 閻雪峰，閆菲菲，周紅兵，等．我國冷軋管機的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(續(xù))[J]．重型機械， 2010 (4)：1-9．

[12] Jin Y X， Li K Y， Chen H M， et al．Effect of rolling processon microstructure and texture of cold rolled Ti-6Al-4V seamlesstubes[J]．Advanced Materials Research，2012，557-559：191-197.

[13] 尹業(yè)宏，黃旺，鄧緒水，等．基于Deform-3D 的冷軋鈦管有限元分析[J]．鍛壓技術(shù)，2014，39(9)：122-126．

[14] 晏小兵，徐哲，王練，等．TA15 鈦合金管材溫拉伸工藝研究[J]．有色金屬加工，2011，40(6)：36-37．

[15] Liu G， Wang J， Dang K， et al．Effects of flow stressbehaviour，pressure loading path and temperature variation onhigh-pressure pneumatic forming of Ti-3Al-2.5V tubes [J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2016，85(1/4)：869-879．

[16] Hu G， Zhang L， Fan Y， et al．Fabrication of high porousNiTi shape memory alloy by metal injection molding[J]. Journalof Materials Processing Technology，2008，206(1)： 395-399．

[17] 賀毅強，陳振華，陳志鋼，等．金屬粉末注射成形的原理與發(fā)展趨勢[J]．材料科學(xué)與工程學(xué)報，2013，31(2)：317-322．

[18] Firat K， Thomas E． Metallurgical and mechanical propertiesof Ti-24Nb-4Zr-8Sn alloy fabricated by metal injection molding[J]．Journal of Alloys and Compounds，2014，617：359-366．

[19] 蔡一湘，羅鍇，陳強．粉末注射成形制備TiC0.7N0.3 顆粒增強鈦基復(fù)合材料和零件[J]． 粉末冶金材料科學(xué)與工程，2005(6)：344-349．

[20] Zhao Z M， Wei X Y， Xiong Y H， et al．Preparation of Ti-Mogetters by injection molding [J]．Rare Metals，2009，28(2)：147-150．

[21] 羅鐵鋼，蔡一湘．粉末微注射成形的現(xiàn)狀與展望[J]．粉末冶金工業(yè)，2013，23(4)：54-64．

[22] 孔祥吉，郝權(quán)，曹勇家．金屬粉末微注射成形技術(shù)的發(fā)展[J].粉末冶金工業(yè)，2012，22(5)：53-62．

[23] Belov N A， Belov V D．Influence of the temperature of hotisostatic pressing of γ-TiAl based cast alloys on the phasestructure and composition [J]．Russian Journal of Non-FerrousMetals，2014，55(6)：627-631．

[24] 徐磊，鄔軍，劉羽寅，等．Ti-5Al-2.5Sn 合金粉末熱等靜壓壓坯的致密化行為及性能[J]．鈦工業(yè)進展，2011，28(4)：19-23．

[25] Luo Y F， Yang G B， Schaffer M Q．Warm die compactionand sintering of titanium and titanium alloy powders[J]. Journalof Materials Processing Tech，2014，214(3)：660-666．

[26] 何世文，歐陽鴻武，劉詠，等．鈦合金粉末溫壓成形行為[J]. 稀有金屬材料與工程，2005(7)：1119-1122．

[27] 周洪強，陳志強．鈦合金粉末冶金內(nèi)潤滑溫壓成形[J]．稀有金屬材料與工程，2008(11)：2020-2022．

[28] 來佑彬，劉偉軍，孔源，等．激光快速成形TA15 殘余應(yīng)力影響因素的研究[J]．稀有金屬材料與工程，2013，42(7)：1526-1530.

[29] Zhang S Y， Lin X， Chen J， et al．Heat-treated microstructureand mechanical properties of laser solid forming Ti-6Al-4Valloy[J]．Rare Metals，2009，28(6)：537-544．

[30] 黃瑜，陳靜，張鳳英，等．熱處理對激光立體成形TC11 鈦合金組織的影響[J]．稀有金屬材料與工程，2009，38(12)：2146-2150.

[31] 張小紅，林鑫，陳靜，等．熱處理對激光立體成形TA15 合金組織及力學(xué)性能的影響[J]．稀有金屬材料與工程，2011，40(1)：142-147．

[32] Gigiotti F X， Woodfield A P．The role of rare earthdispersoids and process route on the low cycle fatigue behaviorof a rapidly solidified powder metallurgy titanium alloy [J].Metall Trans A，1993，24：1761-1771．

[33] 李少強． 快速凝固粉末冶金Ti60 鈦合金的制備及顯微組織研究[D]．沈陽：中國科學(xué)院金屬研究所，2010．

[34] 王清江，劉建榮，楊銳．高溫鈦合金的現(xiàn)狀與前景[J]．航空材料學(xué)報，2014，34(4)：1-26．

[35] 呂冬蘭．鈦合金在民用飛機上的應(yīng)用及發(fā)展趨勢[J]．世界有色金屬，2018(5)：230-231

[36] 李重河，朱明，王寧，等．鈦合金在飛機上的應(yīng)用[J]．稀有金屬，2009，33(1)：84-91．

[37] 陳軍，趙永慶，常輝．中國船用鈦合金的研究和發(fā)展[J]．材料導(dǎo)報，2005，33(6)：75-78．

[38] 劉奇先，劉楊，高凱．鈦合金的研究進展與應(yīng)用[J]．航天制造技術(shù)，2011(4)：45-48．

[39] Semlitsch M F， Weber H， Streicher R M， et al．Jointreplacement components made of hot-forged and surface-treatedTi-6Al-7Nb alloy[J]．Biomaterials，1992，13(11)：781-784．

[40] Zhao Y， Wong S M， Wong H M， et al．Effects of carbon andnitrogen plasma immersion ion implantation on in vitro and invivo biocompatibility of titanium alloy [J]．ACS Appl MaterInterf，2013，5(4)：1510-1513．

[41] Kawanabe K， Ise K， Goto K， et al．A new cementless totalhip arthroplasty with bioactive titanium porous coating byalkaline and heat treatment：Average 4.8-year results [J].Biomedical Mater Res Part B Appl Bimater，2009，90B (1)：476-479．

[42] Landor I， Vavrik P， Sosna A， et al．Hydroxyapatite porouscoating and the osteointegration of the total hip replacement[J]．Archives Orthopaedic Trauma Surgery，2007，127(2)：81-83.

[43] Kumar A， Dhara S， B iswas K， et al．In vitro bioactivity andcytocompatibility properties of spark plasma sintered HA-Ticomposites [J]．Biomedical Mater Res Part B Appl Biomater，2013，101(2)：223-225．

[44] Ning C， Yu Z．Correlatons between the in vitro and in vivobioactivity of the Ti/HA composites fabricated by a powdermetallurgy method[J]．Acta Biomater，2008，4(6)：1944-1947．

[45] Akmal M， Razza A， Khan M， et al．Effect of nanohydroxyapatitereinforcement in mechanically alloy NiTi composites forbiomedical implant[J]．Mater Sci Eng C， 2016，66：30-35．

[46] Zhang L， He Z Y， Zhang Y Q， et al．Enhanced in vitrobioactivity of porous NiTi-HA composites with interconnectedpore characteristics prepared by spark plasma sintering[J]. MaterDes，2016，101：170-173．

[47] 何蕾．基于專利分析的我國鈦及鈦合金材料發(fā)展研究[J]．新材料產(chǎn)業(yè)，2018(8)：34-38．

[48] 霍東興，梁精龍，李慧，等．鈦合金研究及應(yīng)用進展[J]．鑄造技術(shù)，2016，37(10)：2065-2066．

相關(guān)鏈接