鈦合金近凈成形技術(shù)研究進(jìn)展

祁志旭；陳興媚

（廣東理工學(xué)院，肇慶526114）

0 引言

鈦合金相比與鋼材等高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料，其具有更小的密度，更高的比強(qiáng)度，是構(gòu)件輕量化的熱門材料。相比與同為輕量化結(jié)構(gòu)材料的鋁鎂合金來(lái)說(shuō)，鈦合金具有更好的高溫穩(wěn)定性和耐腐蝕性，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于各大領(lǐng)域。鈦合金按組成成分可分為α 型鈦合金、β 型鈦合金和α+β型鈦合金。主要區(qū)別在于鈦合金中不同元素的添加的基體組織成分有所差異，進(jìn)而改變物理和化學(xué)性能，使之適用于不同工作環(huán)境[1]。α 型鈦合金中添加了 Al、N、O、Sn 等 α相穩(wěn)定元素[2]，同時(shí)Al 元素在α 型鈦合金中能夠起到固溶強(qiáng)化的作用，也使得合金的抗拉和蠕變強(qiáng)度增強(qiáng)；相對(duì)于其他鈦合金α 鈦合金具有良好的可焊性和韌性，適用于高溫環(huán)境下使用。β 型鈦合金中添加了Mo、V、Cr 等β 相穩(wěn)定元素[2]，其合金為固溶處理后進(jìn)行快速冷卻保留β 相至室溫的合金，合金的室溫強(qiáng)度相比與其他類型合金有明顯提升，適用于室溫環(huán)境使用。α+β 型鈦合金中同時(shí)包含α 和β 相穩(wěn)定元素[2]，在室溫下具有不同比例的α 相和β相，其綜合性能較為優(yōu)越，可加工性強(qiáng)，可在500～600℃下穩(wěn)定工作。

鈦合金因其輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐腐蝕和良好的高溫性能等特點(diǎn)，在航空航天、軍工、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，鈦合金由于其難加工性，很難實(shí)現(xiàn)利用傳統(tǒng)加工技術(shù)（鑄造、擠壓和鍛造等）進(jìn)行鈦合金材料的高效、低能耗和低成本的穩(wěn)定生產(chǎn)；材料利用率低，造成大量的資源和能源的浪費(fèi)，進(jìn)而導(dǎo)致了鈦合金制件的高成本，也極大限制了鈦合金材料的發(fā)展和應(yīng)用[3，4]。因此，發(fā)展低成本鈦合金制件加工技術(shù)，提高鈦合金材料的利用率成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。

近凈成形技術(shù)是指在零件成形后，只需要少量加工或不加工就可用作機(jī)械構(gòu)件的成形技術(shù)。該技術(shù)制備的機(jī)械構(gòu)件具有較高的尺寸和幾何精度，以及較好的表面粗糙度。該技術(shù)以新能源、新材料和自動(dòng)化信息技術(shù)等為基礎(chǔ)，改造了傳統(tǒng)的成形技術(shù)，使之成為高效、高精度、低成本的成形技術(shù)[5]。近凈成形技術(shù)在鈦合金制件的成形研究中占有重要地位，國(guó)內(nèi)外圍繞鈦合金近凈成形技術(shù)的研究也在不斷的進(jìn)行，并取得了一定的創(chuàng)新性成果。文章針對(duì)鈦合金近凈成形技術(shù)中的精密鑄造成形、精密塑性成形、粉末冶金和新型成形技術(shù)的研究進(jìn)行了綜述，并對(duì)鈦合金近凈成形技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 鈦合金精密鑄造技術(shù)

鈦合金精密鑄造技術(shù)能夠很好的適應(yīng)高精度、復(fù)雜鈦合金薄壁構(gòu)件的研制，20 世紀(jì)60 年代美國(guó)開始對(duì)鈦合金精密鑄造技術(shù)于展開研究，至今處于世界領(lǐng)先水平；我國(guó)的鈦合金精密鑄造技術(shù)起步相比與美國(guó)較晚，但經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展鈦合金精密鑄造的一些技術(shù)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平[6]。

目前，國(guó)外對(duì)于中溫中強(qiáng)鈦合金精密鑄造技術(shù)已經(jīng)十分成熟，主要牌號(hào)為Ti-6-4 和BT20 等。高溫高強(qiáng)鈦合金空精密鑄造技術(shù)仍存在諸多缺陷，比如鑄件性能低、開裂傾向大等缺點(diǎn)。國(guó)內(nèi)鈦合金精密鑄造工藝，其發(fā)展基本呈中溫中強(qiáng)到高溫高強(qiáng)的趨勢(shì)，也相應(yīng)開發(fā)了諸如ZTi55、ZTA35 等新型鑄造高溫高強(qiáng)鈦合金，抗拉強(qiáng)度可達(dá)1.1GPa，使用溫度為550～700℃[7]。但是這類高溫鈦合金同樣存在開裂傾向高、焊接困難等缺點(diǎn)，鑄造工藝仍然不夠成熟。 隨著對(duì)于鈦合金鑄件的大型化、復(fù)雜化和高性能化的發(fā)展需求，鈦合金精密鑄造技術(shù)結(jié)合先進(jìn)熔煉、數(shù)值模擬和熱等靜壓等新型技術(shù)已成為一種趨勢(shì)。

2 鈦合金精密塑性成形技術(shù)

2.1 鈦合金精密鍛造技術(shù)

鈦合金精密鍛造技術(shù)是一種通過(guò)改變鍛造工藝來(lái)提高鈦合金構(gòu)件使用性能的常規(guī)近凈成形技術(shù)，包括精密模鍛、近等溫鍛和輥鍛等技術(shù)。精密模鍛和普通模鍛相比，能夠獲得表面質(zhì)量較好，尺寸精度高的鍛件。美國(guó)采用精密鍛造工藝，成功研制了Ti-6Al-4V 鈦合金壓力容器類構(gòu)件，并且在大力神Ⅲ過(guò)渡級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)上得到應(yīng)用[8]。我國(guó)利用精密模鍛技術(shù)也成功研制出TA7ELI 鈦合金20L 低溫氣瓶，并在相關(guān)運(yùn)載火箭增壓系統(tǒng)中得到大量的應(yīng)用[9]。近等溫鍛造技術(shù)主要針對(duì)低塑性、難變形材料的鍛造，該技術(shù)相比于等溫鍛造技術(shù)降低了對(duì)模具材料的苛刻要求，擴(kuò)大了等溫鍛造技術(shù)的適用范圍；并且可以為鍛件由于變形產(chǎn)生的熱量提供散熱途徑。由于近等溫鍛造的鍛造溫度較窄，磨具與坯料之間存在溫差，尤其適用于鈦合金薄壁、高筋鍛件的鍛造。安大航空鍛造公司實(shí)現(xiàn)了在大氣環(huán)境下近等溫模鍛鍛件的成形，且使用的壓力機(jī)噸位相比于普通鍛造大大降低，鍛件組織均勻細(xì)小[10]。輥鍛是在一對(duì)反向旋轉(zhuǎn)的模具作用下材料發(fā)生塑性變形，進(jìn)而得到所需鍛件的塑性成形技術(shù)。該技術(shù)具有材料利用率高，產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)良、以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和生產(chǎn)效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、汽車、兵器等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。例如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)用曲軸、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、連桿等構(gòu)件的制作，都普遍采用了輥鍛工藝。許東方[11]利用DEFORM 軟件對(duì)鈦合金棒材輥鍛工藝進(jìn)行模擬，分析了各道次中坯料的溫度場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)和模具載荷等參數(shù)的變化規(guī)律，優(yōu)化了生產(chǎn)工藝。

2.2 鈦合金精密旋壓技術(shù)

精密旋壓技術(shù)結(jié)合了鍛造、擠壓、彎曲、拉伸等工藝的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)少切削或者無(wú)切削加工。該技術(shù)適合于高精度、輕質(zhì)空心回轉(zhuǎn)體構(gòu)件的生產(chǎn)。對(duì)于鈦合金回轉(zhuǎn)型薄壁構(gòu)件，精密旋壓技術(shù)可作為首選工藝[12]。目前國(guó)外已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鈦合金大型薄壁構(gòu)件的精密化、無(wú)模化的快速旋壓、軋-旋、鍛-旋和擠-旋成形。德國(guó)MT 公司利用強(qiáng)力快速旋壓技術(shù)成功生產(chǎn)出大直徑高強(qiáng)Ti-15V-3Cr 鈦合金衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)貯箱[13]。美國(guó)利用無(wú)模旋壓技術(shù)成功制造了大直徑Ti-6Al-4V 鈦合金貯箱封頭，實(shí)現(xiàn)了單道次90%冷旋壓變形量[14]。我國(guó)對(duì)于鈦合金精密旋壓技術(shù)也在不斷的發(fā)展和創(chuàng)新，大量鈦合金旋壓制品應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。李益生[15]等對(duì)鑄造鈦合金管坯進(jìn)行旋壓研究，通過(guò)對(duì)鈦合金管坯的表面結(jié)構(gòu)、旋壓溫度等參數(shù)的規(guī)律變化研究確定旋壓工藝參數(shù)，為相關(guān)技術(shù)研究提供了參考。朱慧安[16]等對(duì)TC21 鈦合金筒形熱旋壓工藝進(jìn)行模擬研究，通過(guò)改變旋壓溫度、進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)，研究了鈦合金筒形成型性能的變化規(guī)律，并給出了TC21 鈦合金筒旋壓成形的最佳工藝參數(shù)。鈦合金精密旋壓技術(shù)受制于溫度場(chǎng)的分布均勻性、回彈效應(yīng)和擴(kuò)散效應(yīng)等因素的影響，國(guó)內(nèi)利用鈦合金精密旋壓技術(shù)生產(chǎn)鈦合金構(gòu)件時(shí)基本采用有模成形工藝，對(duì)鈦合金連續(xù)復(fù)合成形和精密快速旋壓成形還處于起步階段。

3 鈦合金粉末近凈成形技術(shù)

鈦合金粉末近凈成形是由鈦合金粉直接成形，制取機(jī)械構(gòu)件的工藝，利用該成形技術(shù)制備的鈦合金工件的組織成分穩(wěn)定且均勻。目前鈦合金粉末近凈成形依然以壓制成形和熱等靜壓成形為主，隨著對(duì)粉末近凈成形技術(shù)的研究深入，研究者也在不斷的優(yōu)化原有工藝，研究新的制備方法，例如對(duì)燒結(jié)工藝的改進(jìn)，增材制造技術(shù)的應(yīng)用等[17]。

3.1 鈦合金粉末壓制成形

鈦合金粉末壓制成形技術(shù)是利用模具將粉末壓制成形，再進(jìn)行燒結(jié)，進(jìn)而形成鈦合金制品的一種低成本制備高性能鈦合金機(jī)械構(gòu)件的成形技術(shù)。對(duì)于鈦合金粉末壓制成形工藝的研究主要是通過(guò)對(duì)壓制速度的改變和燒結(jié)工藝的優(yōu)化來(lái)提升制件的機(jī)械性能。

高速壓制技術(shù)于2001 年由瑞典Hoaganas 公司推出，之后國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)于該項(xiàng)技術(shù)展開了大量的研究[18]。Dil Faraz Khan[19]等利用高速壓制技術(shù)制取了Ti-6Al-4V鈦合金成形制品，研究表明，沖擊力的增加，壓坯的機(jī)械性能和密度均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。何杰[20]等研究了Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr 鈦合金高速壓制性能和燒結(jié)性能，表明生坯密度隨沖擊能量的增加而增加，燒結(jié)密度隨沖擊能量的增加以及燒結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，并分別給出了獲得最大燒結(jié)密度、硬度和抗拉強(qiáng)度的沖擊能量和燒結(jié)時(shí)間。

不同的燒結(jié)工藝直接影響鈦合金制件的燒結(jié)性能，對(duì)于鈦合金粉末燒結(jié)工藝一般有常規(guī)真空燒結(jié)、氫氣燒結(jié)等。真空燒結(jié)的致密化主要依賴于原子的自擴(kuò)散，燒結(jié)溫度通常要高于β 相變點(diǎn)50～300℃，燒結(jié)致密度主要由燒結(jié)溫度和粉末粒度決定，其中燒結(jié)溫度起主要作用[17]。氫氣燒結(jié)是指在氫氣氣氛下進(jìn)行鈦合金粉末制品的燒結(jié)工藝，通過(guò)氫氣的熱處理可增加鈦合金構(gòu)件的熱塑性，起到晶粒細(xì)化的作用。Fang[21]等開發(fā)了氫氣燒結(jié)工藝，并成功利用改變氫氣含量來(lái)控制燒結(jié)態(tài)組織。

3.2 鈦合金粉末熱等靜壓成形

鈦合金粉末熱等靜壓成形工藝是降低鈦合金制件加工成本，增加鈦合金材料利用率的有效方法之一，利用熱等靜壓成形技術(shù)制取的鈦合金制件致密度高且密度分布均勻，材料內(nèi)部顯微孔隙幾乎為零，相比于鈦合金鍛鑄件，其組織更加均勻，內(nèi)應(yīng)力小，力學(xué)性能也是各項(xiàng)同性。并且該技術(shù)適用于制取各種復(fù)雜形狀的鈦合金制件。劉文彬[22]等研究了熱等靜壓溫度/升溫速率和保溫時(shí)間等參數(shù)對(duì)鈦合金材料顯微組織和力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，延長(zhǎng)熱等靜壓保溫時(shí)間有利于鈦合金制件的塑性和強(qiáng)度的提升，同時(shí)得到了合金綜合力學(xué)性能最佳的溫度。劉德輝[23]等對(duì)Ti-6Al-4V 鈦合金粉末致密化進(jìn)行模擬，研究了鈦合金粉末在熱等靜壓過(guò)程中整體的致密化趨勢(shì)，研究表明粉末在熱等靜壓過(guò)程中除包套端蓋和側(cè)壁夾角處相對(duì)密度較低，其他區(qū)域相對(duì)密度相差不大，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。

4 鈦合金新型成形技術(shù)

4.1 鈦合金超塑性成形技術(shù)

鈦合金超塑成形技術(shù)適用于制取結(jié)構(gòu)復(fù)雜的薄壁結(jié)構(gòu)件，該技術(shù)成形精度高且基本無(wú)回彈和殘余應(yīng)力。目前在鈦合金超塑成形材料方面已經(jīng)不局限于常規(guī)鈦合金材料的超塑成形，對(duì)于金屬間化合物和鈦基復(fù)合材料的超塑成形也形成了大量的研究成果，并且形成了多種超塑專用鈦合金，比如超細(xì)晶Ti-6Al-4V、SP700 等[24,25]。在鈦合金超塑成形工藝方面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了單層構(gòu)件、多層構(gòu)件、桁架等異型構(gòu)件的生產(chǎn)，例如微石[26]等利用超塑性正反脹技術(shù)成功制取TC4 鈦合金環(huán)形氣瓶，其環(huán)向和徑向誤差分別為±0.2mm 和±0.3mm，基本達(dá)到凈成形水平。

4.2 鈦合金增材制造技術(shù)

鈦合金增材制造技術(shù)是集設(shè)計(jì)與制造一體化，不依賴于模具的數(shù)字化制造技術(shù)。該技術(shù)適用于制備高精度、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鈦合金構(gòu)件，并且制取的鈦合金構(gòu)件具有較好的物理和化學(xué)性能。按照鈦合金增材制造的熱源不同，可以將之分為激光/電子束增材制造和電弧熔絲增材制造。

激光/電子束增材制造主要基于粉末（焊絲）的選區(qū)熔化或熔化沉淀的方式成形[27]，利用激光選區(qū)熔化（SLM）技術(shù)對(duì)于Ti-6Al-4V 鈦合金粉末成形比較容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)于其他元素鈦合金的SLM 成形可能還需要進(jìn)一步的研究。通過(guò)對(duì)熱處理、成形過(guò)程的含氧量等參數(shù)的控制來(lái)提升鈦合金的力學(xué)性能[28]。利用激光選區(qū)熔化沉淀成形技術(shù)（LMD）制備的成形件，其力學(xué)性能可滿足鍛件的最低標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)鍛件的熱處理也可以是鈦合金制件達(dá)到某些特定需求[29]。電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)（EBM）在Ti-6Al-4V 鈦合金粉末成形中應(yīng)用相對(duì)較為廣泛，主要是針對(duì)工藝參數(shù)的改變對(duì)成形件性能影響的研究[30]。對(duì)于電子束熔絲沉淀成形技術(shù)（EBF3）的研究主要集中在對(duì)成形件變形控制方面，借助有限元分析軟件研究工藝參數(shù)的變化對(duì)成形件力學(xué)性能和變形量的影響[31]。

電弧熔絲增材制造技術(shù)相比與其他增材制造方式，其操作性更強(qiáng)，成本更低，是采用焊絲進(jìn)行增材制造的一種成形技術(shù)。目前該技術(shù)制取的鈦合金零件所面臨的問題主要是由于熱梯度和傳熱速率較低導(dǎo)致制件組織分布不均的問題，研究者通過(guò)對(duì)焊接工藝參數(shù)[32]、電弧形式[33]等的改變，也獲得了一些組織較為均勻和力學(xué)性能良好的鈦合金制件。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)我國(guó)未來(lái)工業(yè)制造領(lǐng)域的發(fā)展需求，鈦合金近凈成形技術(shù)將是未來(lái)制造技術(shù)不可或缺的關(guān)鍵性技術(shù)，仍然有進(jìn)一步研究和發(fā)展的需求。

①鈦合金精密鑄造技術(shù)在高溫高強(qiáng)合金鑄造方面仍然需要大量的研究，解決構(gòu)件開裂傾向高、焊接困難等問題是關(guān)鍵，結(jié)合先進(jìn)熔煉、數(shù)值模擬和熱等靜壓等新型技術(shù)也是一種趨勢(shì)。

②鈦合金精密旋壓成形技術(shù)可能會(huì)以實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的批量生產(chǎn)為研究目標(biāo)之一，并進(jìn)一步對(duì)旋壓尺寸精度控制和仿真模擬進(jìn)行研究。

③鈦合金粉末近凈成形技術(shù)中將繼續(xù)對(duì)鈦合金粉末制備技術(shù)以及燒結(jié)工藝進(jìn)行研究，對(duì)粉末冶金數(shù)值模擬可能也會(huì)成為研究的重點(diǎn)之一，以促進(jìn)鈦合金粉末冶金數(shù)值模擬的理論基礎(chǔ)的完善。