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独家视点:赵永庆:近五年钛合金材料研发进展

发布日期: 2020年10月12日 11:02 来源:


所属铁合金系别: 钛材
内容概述: 前言 钛合金因具有比强度高、耐腐蚀、耐高温、耐低温、无磁、可焊、生物相容性好等优异的综合性能,...

1前言

合金因具有比强度高、耐腐蚀、耐高温、耐低温、无磁、可焊、生物相容性好等优异的综合性能,在航空、航天、核工业、兵器、海洋、石油、化工、医疗、日常生活等众多领域都有着重要的用途,为越来越多的人所接受。钛虽然在地壳中含量高,但是由于活性大,提炼困难,需要经过多次氧化还原过程达到工业应用的品位。通常采用氯还原法提纯金属钛,熔炼采用多次真空电弧熔炼工艺,另外钛合金变形抗力较大,属于难变形材料,也就是说钛合金材料制备工艺复杂、流程长等原因致使其成本高,限制了钛合金在民用等领域的扩大应用,降低成本已成为目前钛合金发展必须要解决的重要问题之一。近5年,国家及一些省市高度重视钛合金材料的科技进步,支持了不少科技项目,取得了良好的成果和效益。本文简要评述近5年国内钛合金材料在熔炼技术、锻造技术、轧制技术、新合金研发等方面的主要进展(不包括钛的金属间化合物、复合材料、粉末冶金材料、医用钛合金等),并指出存在的问题和未来发展方向。

2、取得的主要工程技术进展

近5年,国内钛合金材料研究、开发及生产相关的人员规模、装备能力、钛材的产能、产量都得到扩大,如钛材产量由2015年的4.86万t上升到2019年的7.53万t,增长了55%。经过广大科技人员的努力,取得了众多的工程技术成就。

(1)开发的多种钛合金材料成功应用于我国重要工程。如西北有色金属研究院等创新研制的高强高韧损伤容限钛合金TC21和具有我国特色的中强高韧损伤容限钛合金TC4-DT在西部超导材料科技股份有限公司实现大规格棒材批量化生产,已成功应用于我国新型战机等,成为了我国航空领域的主干钛合金牌号;西北有色金属研究院研制的新型CT20低温钛合金管、板、丝材及管件等成功应用于我国新一代航天器中。西北有色金属研究院研制的特殊耐蚀钛合金Ti35在核乏燃料后处理设备中已经获得应用,是我国200 t后处理示范工程设备用核心材料之一。

(2)钛合金的熔炼技术得到提升。工业化钛合金铸锭成分的均匀性、一致性能够得到保证。宝鸡钛业股份有限责任公司、西部钛业有限责任公司、西部超导材料科技股份有限公司等实现了SP700、Ti-1023等易偏析钛合金的3~5 t级高均质铸锭的工业化制备,掌握了TC4、Ti80、TA15等常用钛合金10 t级超大规格高均质铸锭的制备技术。电子束冷床(EB)炉熔炼的多组元钛合金扁锭的成分均匀性有明显提升。

(3)钛合金的锻造技术水平迈上了新台阶。国内主要钛合金公司掌握了TC4、TC21、TC18、TC4-DT、TA15等常用钛合金高品质大规格锻坯及棒材的稳定化制备技术,成材率、探伤水平、组织均匀性都获得了显著提升。

优游 (4)钛合金板材制备技术得到提升。生产的TC4、TC4 ELI、Ti70、TA5等钛合金板材已在我国重要工程上获得成功应用。西部钛业公司开发出航空用高品质TC4钛合金厚板生产新工艺,使产品质量稳定性(合格率95%以上)、成材率(原有水平的1.5倍)、生产效率(提升2倍)大幅度提升,使国内高品质钛合金厚板制备技术得到了跨越式提高,满足了重大型号急需。开发出超大规格钛合金厚板制备工艺,制备出42 mm×3660 mm×115000 mm国内最大规格及单重的TC4钛合金厚板,为深海空间站、舰船等装备对超大规格钛合金构件的需求提供支撑。西北有色金属研究院、西部钛业公司、宝钛股份公司制备的细晶TC4和TA15等钛合金超塑板材获得批量应用。

优游 西部钛业公司开发出装甲用低成本高强度Ti-5322钛合金板材制备技术,形成可稳定化生产的工艺技术文件。可制备系列规格的装甲板材,其抗弹性能显著优于Ti-6Al-4V钛合金,达到国际先进水平,成为陆军四代装备的选材之一;开发出装甲用TC4钛合金板材制备工艺,抗弹性能优于同牌号航空用钛合金板材及进口材料,满足了新型号的研制需求。并将其拓展用于高尔夫球头,寿命相比TC4合金提升2倍以上。

(5)大口径钛及钛合金无缝管材及弯管制备技术得以提升。制备出合格的大口径无缝管材及弯管,如TA2的外径大于200 mm、长度3 m以上的无缝管,Ti-75、Ti-80和TC4的外径大于260 mm、长度3 m以上的无缝管。

(6)钛合金型材及深加工制品制备技术得到明显提升。宝鸡钛业公司等单位的厚壁钛合金型材的挤压制备技术逐步稳定,西北有色金属研究院等单位制备的钛膈膜、钛毛细管、环形气瓶、球形储箱、药型罩、丝材、各种管件等制品的尺寸、性能稳定性得到提升,并获得实际应用。宝鸡钛业公司和中船重工材料研究所成功制备出深潜器的载人球体,实现了国产化。西北有色金属研究院和西部超导公司等开发出攻坚战斗部用钛合金材料及其制备技术,产品已在多个型号导弹中批量化装备,大幅度提升了战斗部的毁伤威力,是国内首个使攻坚药型罩性能得到跨越式提升的实用化轻合金材料,是聚能装药战斗部材料的重大突破。

3、主要的新合金研制和应用进展

(1)结合国家海洋战略,创新研制海洋环境应用的钛合金受到高度重视。在国家相关项目的支持下,西北有色金属研究院、中船重工材料研究所等单位已成功研制出强度800、900、1100MPa级的钛合金,以及放射性快速衰减的钛合金,性能达到指标要求,有的已达到中试规模,制备出合金棒材、板材、管材等,这些合金均已获得授权的发明专利。

(2)在航空发动机用高温钛合金方面,由中科院金属研究所研制的Ti-60合金已经在我国新型航空发动机中进行应用考核,合金也进入工程化阶段。此外,在现有高温钛合金的基础上,中科院金属研究所和西北有色金属研究院等单位分别研制出耐650℃的多元固溶强化合金Ti-65和Ti-650,其中Ti-65合金已在航天超高速飞行器中进行了试用。

优游 (3)航空、航天用高强韧钛合金方面,主要研制了3类:超高强韧钛合金、超高强中韧和高强损伤容限钛合金。超高强韧钛合金的核心指标为:抗拉强度?1300 MPa、延伸率?6%、断裂韧性?55MPa.m1/2,典型合金有西北有色金属研究院研制的Ti-1300、宝鸡钛业公司的TB15、北京航空材料研究院的TB17、西部超导公司的TB18、西北工业大学的Ti-7333等,这些合金大都进行过中试验证和相应的应用研究;超高强中韧钛合金的核心指标为:抗拉强度?1500MPa、延伸率?5%、断裂韧性?45MPa.m1/2,西北有色金属研究院和北京航空材料研究院分别进行了研发,性能指标基本达到;高强损伤容限钛合金方面,西北有色金属研究院联合北京航空航天大学、南京工业大学在TC21合金的基础上,研制出Ti-5321合金,其在1200 MPa级强度水平下断裂韧性可以达到70MPa·m1/2以上,基本代表了目前损伤容限钛合金的最高水平,经合金成分设计、实验室研究、500 kg铸锭中试扩大研究,制备的合金棒材性能为:抗拉强度?1200MPa、延伸率?8%、断裂韧性?80MPa.m1/2。

(4)在兵器领域,围绕高性能和低成本问题,在Ti-12LC、Ti-8LC和Ti-0.8Al-1.2Fe等低成本钛合金的基础上,西部超导公司依托国家项目,开发出M36合金,已经用于多功能战斗部的制备。西北有色金属研究院围绕返回料的回收利用问题,开发出Ti-6432、RT154等低成本钛合金,目前正在进行相关应用性能考核。

优游 (5)设计开发出可冷轧中高强钛合金,基于该合金西部钛业公司开发出直径200~300mm的大规格薄壁管及达到欧盟标准要求的高疲劳寿命自行车车架,其中大规格管材已用于某导弹壳体。

优游 (6)创新性研制的钛合金已完成性能优化、工程化或批量化生产。主要合金有高温钛合金Ti-60、Ti-65、Ti-650,高强高韧损伤容限钛合金TC21,具有我国特色的中强高韧损伤容限钛合金TC4-DT,阻燃钛合金Ti-40,低温钛合金CT20,超高强韧钛合金Ti-1300,高强钛合金Ti-26,低成本钛合金Ti-12LC,乏燃料后处理工程用特种耐蚀钛合金Ti-35,船用钛合金Ti-70等等,其中TC21、TC4-DT已工业化大批量生产,Ti-70、CT20已工业化生产。

(7)深化了钛合金的应用基础研究,涵盖钛合金的设计方法、集成计算、强韧化机理、相变行为、工艺-组织-性能间关系、损伤容限机理、疲劳行为、腐蚀行为等,取得较好的进展,发表了大量的学术论文,为合金性能优化、工艺改进提供了基础。

4、存在的主要问题

优游 尽管近5年,钛合金材料研制取得了一些成绩,为我国相关工程提供了大量合格材料、夯实了基础研究,但仍然存在一些问题。

(1)目前国内从事钛合金材料研制、产业化的单位多、科技人员多,但国家层面项目少、经费少;并且钛产业存在无序发展。

优游 (2)钛合金材料成本居高不下,限制了钛合金的扩大应用,尤其是在民用、海洋工程、兵器工业等领域的应用。

(3)存在设计-材料研制-应用研究-应用考核方面环节脱节,存在行业限制;“产-学-研-用”结合不紧密,科技成果转化慢。

(4)缺少全国性的科技成果转化平台,成果转化的中试工程化能力不足。

(5)钛合金材料的成分、组织、性能均匀性、一致性、批次稳定性等有待进一步提高。

(6)工业化设备先进,但没有充分利用。

(7)钛合金材料品种规格不全,中试工程化程度不足,设计部门需要的性能数据缺项。

优游 (8)重视新合金研制,老合金性能挖潜不足、应用少。

(9)原创性基础研究和应用基础研究较弱;高端人才队伍不足;

优游 (10)“高、精、尖”高端产品的制备技术储备不足,存在“卡脖子”技术,关键核心技术没有完全自主可控。

优游 (11)探伤、性能评价技术需要进一步提升。

5、钛合金材料的发展方向

优游 (1)钛合金材料的低成本化技术是现在和未来的重要课题。需要通过工艺流程再造、工艺技术变革、高效短流程工艺、残废料大量回收使用、低成本的新工艺和新技术的应用、全流程设计、低成本钛合金研发等等多个环节,降低钛合金材料的成本,扩大钛合金材料应用范围和领域。开发出能够满足兵器工业、海洋工程和民用领域需求的钛合金材料,建立相应的工艺规范、标准。

优游 (2)面向国家重大需求和国际前沿技术及满足国防新要求,开展新合金、新技术、新材料、新产品研发,强化原创性理论研究及应用基础研究。

(3)对现有钛合金通过新工艺、新技术开发,挖潜合金性能,改善、优化合金性能,降低成本,扩大应用。

(4)高度重视中试/工程化的作用,稳定钛合金的批量化生产,攻克科研-中试-产业各环节的关键技术,推动科技成果转化,形成国家级钛合金成果转化平台。

(5)大力发展“高、精、尖”产品和深加工制品的制备技术,攻克高端产品,满足应用需求;解决“卡脖子”材料和技术,实现完全自主可控。

优游 (6)智能钛合金材料的研发,如形状记忆合金材料、储氢钛合金等。

(7)严格控制钛合金材料的质量以及质量的批次一致性、稳定性,确保以航空领域为代表的国防稳定应用。

优游 (8)增加、提升钛的服务网络,扩大钛在各行各业的应用,使之成为真正的“第三金属”。

优游 (9)钛合金材料制造过程的智能化是钛产业的发展方向;钛合金材料的绿色制造,实现钛产业持续健康发展。

优游 (10)强化钛合金近净成形技术研究及应用。

(11)强化钛合金材料科研、中试、产业的协同创新及共享。

优游 (12)精简钛合金牌号,发展主干钛合金,避免重复研究。

(13)建立钛合金材料数据库及合金设计的专家系统,通过集成计算,指导新合金设计。

参考文献(略)

赵永庆,博士、教授、博导,国家万人计划科技创新领军人才、国家973计划首席科学家,国家重点领域钛合金研制创新团队带头人。西北有色院副总工程师。自1991年参加工作一直从事是钛合金的研发,主持承担包括国家973计划、科技支撑计划、863计划、自然基金项目等,获得国家科技进步二等奖、三等奖各1项,省部级科技一等奖8项;创新研制钛合金30多种;获授权发明专利81件;第1主编编著《钛及钛合金金相图谱》、《钛合金相变与热处理》、《新型合金材料---钛合金》。荣获全国劳模、百千万人才工程国家级人选、政府特贴专家、全国优秀科技工作者等荣誉。

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