我国航空用钛合金棒钛合金锻件的研究及发展
1、航空钛合金发展与应用
钛合金以其低密度、高比强度、 耐耐腐蚀等特性， 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。
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，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-6Vl-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S iC纤维增强钛基复合材料（SiC,/T i)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。
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) 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P 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，抑制产生严重的卩稳定元素枝晶偏析。目前，发展了一些适用于VAR熔炼的、新的监控手段，如美国A T I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-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，也纳入了最高级别的"HM+ V A F T 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A I元素的挥发，需适当增加A I含量），使- 次EBCHM熔炼的Ti-6 Al-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。T IM E T公司推出了一项称为"T o ll M elting"的回收业务，可以为客户提供的钛肩残料进行闭环回收。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—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~ 气获得的热效率低， 溶体过热度小，影响熔炼速率，导致等离子体冷炉床溶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。
3、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， 使其必300mm 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SKK1 7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/BD8 5 0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" 煤一电一钛矿一海绵钛一钛加工材一钛制品"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4400mm的钛合金棒材。
4、优质航空钛合金锻件制造工艺技术发展
高质量的航空锻件主要有航空发动机风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。随着航空发动机和飞机结构设计的技术进步，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装备的发展与技术进步。为适应优质精密航空锻件及难变形材料的锻造需要，发展了如等温锻造，热模锻造，分段锻造等新工艺技术及相应的模具设计制造和质量控制技术。
航空系统内从事航空大、中、小型钛合金锻件的生产企业主要有：中航重机旗下的陕西宏远，贵州安大、景航航空锻铸，无锡卓越以及集团旗下的部分飞机和发动机公司。在航空系统内部，大型钛合金锻件生产用的模锻设备除专业化锻造厂有80~100MN液压机外，近年来，陕西宏远装备了一台200 MN 等温锻压机和200MN 离合器式电动螺旋压力机，其中200MN等温锻压机具有"恒应变速率"控制功能和双工作台， 工作台尺寸为6000mm×4000mm , 最大净空距为3600mm，等温锻时滑块速度可控制在0.005~ 0.5mm/s ， 普通热模锻时滑块速度可控制在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步，最大打击能力达到360MN, 尺寸控制精度达到±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年装备了一 台250MN等温锻+模锻压机，可用于难变形材料大型锻件的等温锻生产。同时， 贵州安大拥有多条系列环形件生产线，可以实现钛合金、高温合金等难变形材料复杂异形截面环件的精密轧制。
航空系统外从事航空钛合金锻件特别是大型锻件生产的国有企业主要有二重万航、无锡透平，建立了用于大型飞机结构件， 大型发动机风扇叶片和盘锻件用的锻造设备，如二重万航的800MN 模锻压机和具多向模锻功能的200MN 等温锻压机，无锡透平的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生产的民营企业，装备了先进的锻压设备，如南山锻造、三角防务、昆仑重工、中钛青锻、贵州航宇、无锡航亚、无锡派克等。这些企业装备了大吨位的模锻和环轧设备，并配套了相应的制坯自由锻压机。如南山锻造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，昆仑重工300MN 模锻压机，中钛青锻680MN 多功能压机（具有模锻和挤压双重功能），可生产航空发动机和飞机大型结构件锻件。贵州航宇4，5m 环轧机（径向/ 轴向压力分别为700/700t ) 及相应胀形设备、无锡派克的先进环轧设备均配置了自动控制系统，为生产优质的发动机钛合金机匣环件提供了很好的硬件条件，胀形工艺的应用可提高环件的尺寸精度，并提高材料利用率，胀形会改变环件内部残余应力的大小和方向，促进残余应力的均匀分布。无锡航亚具备生产钛合金精锻叶片的全套装备和技术能力，除配合国内重点型号发动机叶片生产外，还积极投身国际市场，为GE， Safran公司生产Ti-6Al-4V钛合金压气机叶片等。
大涵道比航空发动机朝“大风扇、小心脏”方向发展，致使风扇部件如风扇盘和风扇叶片的尺寸相应增大，高推重比军用航空发动机的整体叶盘（blisk)和整体叶环（bling) 等整体轻量化结构设计，这些设计变化对相应的钛合金锻件的控形（尺寸精密化）和控性（低倍流线、显微组织、组织均匀性、微织构、残余应力、力学性能，超声检测、冶金缺陷控制） 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，降低锻件内部的残余应力，促进模锻成形过程中金属的流动，某些关键的航空发动机和飞机钛合金锻件，如航空发动机用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，采用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"锻造，节省宝贵的钛资源，降低生产成本。为了提高钛合金零件的损伤容限性能，某些TC17(Ti-17)、TC19(T i—6246)钛合金盘锻件采用了 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 钛合金风扇盘锻件，采用强韧化热处理代替传统的普通退火，以提高锻件的强度和热强性。在生产大型钛合金锻件时，要特别注意控制变形温度和变形速率，特别是对于β锻的锻件，防止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，即形成清晰晶或粗大的单个晶粒，引起抗拉强度和疲劳性能的显著恶化。
在钛合金锻件质量检验及控制方面，虽然出现硬α夹杂物、裂纹和孔洞等缺陷的概率极低，但是一旦出现就有可能造成重大的飞机失效事件，必须严格控制钛合金零件内在缺陷，而超声检测是检出钛合金各类缺陷的最有效手段。我国各主要钛材生产商近年来建立了钛合金大规格棒材的水浸超声检测装置，通过分区聚焦超声检测，可以显著提高检测灵敏度，从 而提高了缺陷的检出能力。大部分锻件生产商建立了适用于轴对称的发动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配合使用，提高缺陷的检出能力。钛合金α+β相区充分变形得到的球状（等轴）组织杂波低，容易检出缺陷：而β锻或β热处理得到的片状组织或网篮组织， 杂波高，易掩盖缺陷反射波，降低检测的准确性。因此，对于需要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。另外,在关键钛合金零件加工过程中，采用表面腐蚀、X 射线、表面蓝色阳极化，表面荧光渗透，涡流检测等，提高零件表面和内部缺陷的检出率。当然，航空级特别是发动机转子级钛合金，其相应的原材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控制提出了严苛要求。
上述企业中，除传统的几个航空企业有五十余年生产航空锻件的经验外，其余大部分企业在生产航空锻件方面处于起步阶段，生产技术和经验有待于积累和提高，借助于灵活的人力资源和设备技术等后发优势，在国家军民融合的大背景下，将会迅速成长为具有强大市场竞争力的骨干企业。
5、优质钛合金原材料及锻件标准建设
十余年来，我国在钛合金的熔炼、锻造、热处理、机械加工等方面的装备能力和工艺技术得到了长足进步，为生产大型钛合金飞机框、梁、起落架结构件和航空发动机盘、叶片，机匣锻件提供了良好的设备条件和工艺基础。飞机和航空发动机的安全使用在很大程度上受制于原材料及锻件的冶金质量，组织状态、微观织构及力学性能等，原材料及锻件的质量除受制造工艺和设备条件所限外，质量控制的主要手段是通过建立相应的材料和锻件标准、热工艺和检验标准等。
我国航空钛合金材料从研制阶段过渡到生产阶段的过程中，逐步建立了相应的不同层次的材料标准和工艺规范，如企业标准、型号标准，航空标准、国军标等，作为材料或锻件生产和验收的依据。
我国在役的大部分钛合金材料以引进国外牌号为主。因此，在制定材料标准和锻件标准时，基本上是以参考或等效采用国外相关标准的技术要求和规定为主。在应用材料或锻件标准时，经常会遇到在化学成分范围控制、杂质元素含量控制，热工艺制度，高低倍组织、超声检测、力学性能指标要求等条款的理解和实际操作产生歧义的情况。
随着我国航空装备的建设，所用的钛合金锻件趋向于大型化，整体化、精密化和低成本化，相应所需的原材料规格和尺寸也不断加大，某些规格尺寸和重量已超出了目前标准规定的范围极限，如某厂正在生产的φ500mm钛合金大棒材， 而现行的标准中规定的大规格棒材最大尺寸仅为4350mm ; 某型号钛合金风扇盘锻件的重量接近了500kg ， 尺寸大，截面厚，
已大大超越以往生产的钛合金盘锻件的规格。因此，对于这类超大规格的钛合金棒材和超大尺寸的钛合金锻件，如何对其高低倍组织，力学性能，超声波探伤等技术要求做出科学合理且适度的规定，尚需针对性地加大研究工作，积累数据和经验，不断完善、补充和修订材料及锻件标准。
6、结束语
中国的钛工业经过60余年的发展，具备了生产海绵钛，钛加工材、锻件完整的生产设备和工艺技术，目前已成为世界第一大钛生产国和消费国。在国家大飞机，两机专项等新型航空装备发展驱动下，我国装备了世界上最大和最先进的各类锻造设备，可生产大型钛合金模锻件、环轧件及叶片精锻件。在生产大型钛合金锻件时，应关注相关的工艺技术如计算机数值 模拟技术，先进超声检测等技术，材料和锻件工艺标准的科学合理规定，成分、杂质，组织，织构的合理控制等，提高优质钛合金锻件的组织均匀性，批次稳定性及质量可靠性，同时，锻件制造应朝着精密化、绿色方向发展，实现近净成形，关注增材制造技术的综合应用，加强钛残料的回收利用，为我国航空高端装备建设做贡献。
