航天用鈦合金及其精密成形技術研究進展

引言

航天飛行器往往在大應力、超高/低溫、強腐蝕等極端條件下工作，對材料及構件提出了較為苛刻的服役需求，而輕質并適應這些服役環境需求是航天產品選擇材料及其成形技術的主要標準［1-3］。鈦合金具有比強度比模量高、抗腐蝕性能好、高/低溫性能優異等特點，集航天材料所需特質于一體，成為了航天領域應用廣泛的關鍵材料之一［1-6］。從工藝技術角度出發，航天領域主流的鈦合金精密成形技術可分為精密鑄造、精密鍛造、旋壓成形、超塑成形和粉末冶金成形［3，6］。目前，國內外對鈦合金及其精密成形技術在航空領域的研究進展已有大量總結性報道［5-9］，但是航天領域的相關概述較少。為此，本文從航天領域鈦合金相關構件的研制角度出發，對國內外航天用鈦合金及其精密成形技術的研究現狀進行了分類與總結，最后結合我國航天工業的實際需求，對其未來發展進行了展望。

1、航天鈦合金精密成形技術研究進展

1.1鈦合金精密鑄造技術

鈦合金精密鑄造技術具有成形精度高、生產周期短、尺寸靈活性好等特點，可以很好地適應高精度、復雜鈦合金薄壁構件的研制［10-13］。其中，石墨型鑄造和熔模精密鑄造在航天領域應用廣泛，主要用于葉輪類、艙體類、機匣類產品的研制［12-14］。

目前，國外在中溫中強鈦合金精密鑄造技術方面已十分成熟，主要合金牌號為 Ti-6-4 和 BT20。在高溫高強鈦合金精密鑄造方面主要涉及 β-21S、BT35、Ti1100、IMI834 等牌號，但是其鑄造工藝目前仍存在鑄件性能低、焊接困難、鑄件開裂傾向高等缺點。我國在鑄造鈦合金材料研發方面多為仿制國外鑄造鈦合金牌號，其發展也基本呈現出中溫中強到高溫高強的趨勢，航天領域主流鑄造鈦合金牌號為ZTC4 和 ZTA15，主要用作彈翼類、舵面類、艙段類產品的研制。此外，我國也相繼開發了諸如 ZTi55、ZTi600、ZTi65、ZTA35 等新型鑄造高溫鈦合金，室溫抗拉強度可達 1. 1 GPa，高溫抗拉強度可達 625 MPa，使用溫度為 550~700 ℃［15］。但是這幾類新研發的鑄造高溫鈦合金存在合金成分復雜、鑄件開裂傾向高、焊接困難等問題，相應的鑄造工藝還不夠成熟，目前僅為工程研制階段［15-16］。

航天領域大型、復雜精密結構以及鈦合金鑄件高性能化的發展需求，快速推動了磁懸浮熔煉、3D打印、計算機數值模擬、熱等靜壓致密化等新技術新工藝在精密鑄造領域的應用和發展［17-20］。目前，3D 打印技術已可實現 1 800 mm×1 000 mm×700 mm 整體鑄造型殼或型芯的制作，其精度可控制在 0. 3 mm 以內，代表性廠商主要有德國 ExOne、Voxeljet 公司、美國 SolidScape、3DSystem 公司［21］。此外，數值模擬技術已被廣泛應用于鑄造的充型、凝固、縮松及縮孔預測、應力分布預測等過程，可有效指導鑄造工藝、提高鑄件精度和質量，目前主流的數值模擬軟件廠商有美國 Procast、日本 Soldia、德國 Magma Soft、中國華鑄 CAE 等。在性能改進方面，熱等靜壓致密化技術已被廣泛應用于鑄件后處理過程中，可使缺陷發生冶金閉合、消除縮松及縮孔、改善成分偏析，有效提升鑄件的顯微組織及力學性能，但仍需要關注并解決鑄件在熱等靜壓過程中組織粗化、相變導致的性能下降以及變形控制的問題［12-13］。目前，隨著多種工藝技術的進步，鈦合金精密鑄造技術呈現出了技術種類多元化、交叉化、普適化的發展趨勢，已可生產出直徑 2 m 量級的大型鈦合金鑄件，鑄造公差可達±0. 13 mm，最小壁厚可控制在1. 0 mm［13］。

1.2鈦合金精密鍛造技術

鈦合金精密鍛造技術是常規的近凈成形工藝，目前主要通過改進鍛造工藝來提高構件的使用性能［22］。其中，精密模鍛和等溫超塑性鍛造在航天領域應用廣泛，主要用于氣瓶類、貯箱類產品的研制。國外精密鍛造工藝所涉及的鈦合金牌號主要有Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2. 5Sn ELI、OT4-1、BT5-1、LT700等［23-24］。例如，美國采用精密鍛造工藝成功研制了Ti-6Al-4V 和 Ti-5Al-2. 5Sn ELI 鈦合金壓力容器類構件，在大力神Ⅲ過渡級發動機得到了應用。俄羅斯采用精密鍛造生產的 OT4-1、BT5-1燃料貯箱已成功應用到進步號探測器上，日本采用精密鍛造工藝生產的LT700鍛件已成功運用到H2A、H2B火箭壓力容器等低溫結構零部件中［23］。

我國航天領域鈦合金精密鍛造技術主要涉及TC4ELI、TA7ELI、TC4、TC11等牌號，目前多用于壓力容器類、輕質高強承力結構件的研制［25-26］。其中，鈦合金氣瓶類構件的精密鍛造技術在我國航天領域已得到了廣泛應用，主要朝著大尺寸、大變形量、高成形精度、高成形性的方向發展，目前已迅速接近或達到國際先進水平［27］。例如，我國采用精密模鍛技術已成功研制出容積為 20 L 的 TA7ELI 鈦合金低溫氣瓶，目前已在 XX-3A，XX-5 運載火箭增壓輸送系統中得到大量應用［圖 1（a）］［24］。近期，航天材料及工 藝研究所首次采用 TA7ELI 鈦合金寬厚板結合等溫超塑性鍛造技術成功研制出體積為 130 L 的 TA7ELI鈦合金低溫冷氦氣瓶［圖 1（b）］，解決了 TA7ELI熱加工性能差、易成分偏析、制造成本高等短板，其在 20K條件下低溫抗拉強度可達 1. 45 GPa，延伸率≥10%，壁厚尺寸精度可達±0. 2 mm，且具有變形速率低、成形過程易控制、質量可靠性高、成形精度高等優勢。

1.3鈦合金超塑成形技術

超塑成形技術由于具有成形精度高、近無回彈、無殘余應力等優勢，目前已成為了推動航天鈦合金構件設計概念發展的開創性近凈成形工藝之一，特別適用于復雜薄壁結構件的研制［28-32］。國外在超塑成形鈦合金材料領域已經歷了由常規鈦合金（Ti-6Al-4V、IMI550、BT6）到金屬間化合物、鈦基復合材料的研發歷程，目前已形成了多種超塑專用鈦合金（超細晶 Ti-6-4、SP700、BT23）［29-30］。

我國對超塑性鈦合金材料的早期研究主要以仿制國外牌號為主，目前已實現了 TC4 鈦合金超塑用細晶板材的工業化生產，平均晶粒尺寸可控制在 5 μm 左右 ，板 幅 尺 寸 可 達（0. 8~3. 0）mm×（1 300~1 500mm）×L，縱橫向力學性能差異可控制在 50 MPa 以內［29］。近期，我國已成功研制出超塑用高強細晶SP700 鈦合金板材，其晶粒尺寸可達 1~2 μm 量級，板材規格可達（0. 6~3. 0）mm×1 000 mm×（2 000~3 000）mm。該合金在 770~800 ℃即可體現出優異的超塑性，延伸率高達 2 000%，較細晶 TC4板材而言其超塑成形溫度可降低約 140 ℃，在航天領域具有廣闊的應用前景［29，33］。此外，在其他先進超塑鈦合金材料研制方面，我國相繼開發了諸如 SPTi55、BTi-62421S、BTi-6431S 等高溫鈦合金超塑板，并在金屬間化合物（TiAl、Ti3Al、Ti2AlNb）等先進超塑鈦合金材料研發領域已著手開展了大量工作，目前已突破了國外對我國高質 量超塑用鈦合金板材的技術封鎖與限制［29-30，34］。

在鈦合金超塑成形工藝技術方面，國外目前已具備單層構件、多層構件、桁架及正弦波等異型構件的批量化生產能力，使超塑成形技術的研究熱點逐漸由材料研發轉向實際工程應用［24，35-36］。例如，美國利用超塑成形技術成功研制了150 mm直徑的Ti-6Al-4V鈦合金推進劑貯箱，可實現降低成本60%，結構質量減輕30%的目標。日本ISAS和MHI公司采用板材預焊接+吹脹的方式成功研制出Ti-6Al-4V鈦合金超塑成形N2H4燃料貯箱（圖2），已在衛星上得到大量應用［36］。

我國目前在鈦合金超塑成形領域已突破單層脹形控壁厚技術、SPF/DB 空心構件成形技術以及大型三層/四層空腔翼板成形技術等關鍵技術，在我國航天領域主要應用于研制衛星、導彈、運載火箭用大型單層構件（壓力容器、蒙皮）、多層結構（艙段、舵翼）以及大型空心結構翼面類產品［24］。

例如，航天材料及工藝研究所采用超塑成形正反脹技術成功研制出 TC4 鈦合金環形氣瓶［圖 3（a）］，其半環毛坯壁厚在環向和徑向控制誤差分別為±0. 2 mm 和±0. 3 mm，基本達到了凈成形水平［37］。除半環產品外，航天材料及工藝研究所亦開展了諸如衛星用大規格 TC4 鈦合金表面張力貯箱（直徑覆蓋 0. 6~1. 0 m 量級，且基本已具備凈成形能力）、TA15 鈦合金發動機噴管（外形及壁厚尺寸精度可達±0. 2 mm，并實現了 2 m 量級變壁厚異型構件的制造能力），以及 TC4 鈦合金波紋板等構件的研制［圖 3（b）~3（d）］［24，37］。

1.4鈦合金精密旋壓技術

旋壓成形技術結合了鍛造、擠壓、拉伸、彎曲、環軋等工藝優勢并可實現少無切削加工，能夠滿足航天器用鈦合金空心回轉體結構件的多品種小批量、輕質精密、高可靠的服役需求，在航天領域特別適用于殼體類、壓力容器類、封頭、噴管延伸段等產品的研制，是鈦合金回轉型薄壁構件的首選工藝［38-43］。

目前，國外鈦合金旋壓技術已突破了大型薄壁構件精密化、無模低成本快速旋壓、軋-旋/擠-旋/鍛-旋連續復合成形等先進技術，使鈦合金精密旋壓技術在航天領域得到廣泛應用［44］。例如，德國 MT 宇航公司采用強力旋壓工藝制備出 Φ1. 905 m 的高強 Ti-15V-3Cr 鈦合金推進系統貯箱［圖 4（a）］，在“阿爾法”通信衛星得到了應用［24］。美國采用無模旋壓技術成功研制了直徑 1. 2 m 量級的 Ti-6Al-4V 鈦合金封頭，實現了單道次 90% 的冷旋壓變形量，成功應用于“阿波羅”號宇宙飛船服務艙貯箱封頭的制造［圖 4（b）］。我國在鈦合金旋壓技術領域所涉及鈦合金牌號有 TA1、TA2、TA15、TC3、TC4、TB2 等，典型航天構件包括波紋管、氣瓶、火箭發動機外殼、噴管、蒙皮、筒形件等［38，40，45］。例如，哈爾濱工業大學利用有限元模擬技術結合普旋成形工藝成功研制出 0. 8 mm 壁厚的 TC4 鈦合金月球車輪圈［圖 4（c）］［46］。航天材料及工藝研究所通過開展大尺寸薄壁 TC4 鈦合金筒形件強力旋壓缺陷形成機理研究，并結合有限元數值模擬技術，成功研制出 Φ670 mm 的 TC4 衛星用貯箱筒段［圖 4（d）］，其壁厚尺寸精度為 0~0. 2 mm，輪廓尺寸精度為 0~0. 5 mm［42-43］。西安航天動力機械廠采用正旋拉旋+反旋拉旋的工藝方案成功研制出直徑Φ500 mm的TC4鈦合金薄壁環形內膽［47］。

鈦合金精密旋壓技術雖然已經在我國航天領域得到較為廣泛的應用，但是受溫度場均勻性、回彈效應、擴散效應、料模尺寸匹配性等關鍵技術的局限，我國航天鈦合金旋壓制品目前基本采用高溫有模成形工藝，且快速精密旋壓技術處于起步階段，連續復合成形技術仍處于工程試驗研究階段，尤其是大直徑、薄壁整體鈦合金旋壓成形件仍未實現批量性應用，需著重開展鈦合金材料可旋性、旋壓尺寸精度控制 、控 形/控 性 及 熱 處 理 、旋 壓 模 擬 仿 真 等 技 術研究［44-45，48］。

1.5鈦合金熱等靜壓粉末冶金技術

熱等靜壓（HIP）粉末冶金技術具有致密度高、無織構和偏析、內應力小、材料利用率高、可近凈成形等優勢，其成形的構件可兼具鑄件的復雜型面特點以及鍛件優異的力學性能優勢，特別適合航天工業對大型、復雜、薄壁、高可靠性結構件的研制需求［49-54］。

隨著鈦合金熔煉技術、致密化變形精度控制技術、先進制粉技術、有限元分析技術等關鍵技術的突破，國外目前已實現了鈦合金HIP粉末冶金技術在航天領域的大規模工程化應用。法國Senecma公司研制的低溫粉末鈦合金葉輪在-253 ℃條件下工作轉速達550 m/s，并可大幅縮短加工周期［圖 5（a）~（b）］。美國 P&WRocketdyne和Synertech PM公司采用等離子旋轉電極法（PREP）制粉并借助計算機模擬等先進技術，成功研制出火箭發動機鈦合金殼體、閥體等構件，已在航天領域得到應用并實現了大批量市場化供貨［圖5（c）］［51］。

英國伯明翰大學研制的鈦合金發動機機匣成功實現了復雜型面構件的一體化近凈成形，并已達到了工程化應用水平，其采用60 kg粉末可生產出56 kg的最終樣件，成形精度高達近90%，僅需少許機加工即可實現最終產品的研制［圖5（d）］。

隨著多年的技術發展，我國目前已具備航天領域所需的中高強鈦合金、低溫/高溫鈦合金、超高強鈦合金以及金屬間化合物等材料和構件的 HIP 粉末冶金一體成形能力，所涉及的產品主要有舵翼類、艙體類、異形曲面類以及機匣類等構件，可以很好地滿足航天領域的任務需求［50，53，55-57］。作為國內最先研究鈦合金 HIP 粉末冶金成形工藝的單位，航天材料及工藝研究所在型號需求的牽引下，目前已突破了高品質鈦合金粉末研制技術、粉末冶金構件變形控制技術、大型復雜結構件的制備技術等關鍵技術，并實現了鈦合金 HIP 粉末冶金關鍵產品的研制和工程化批量生產［51，53-55］。

例如，航天材料及工藝研究所研制的TA15鈦合金舵翼件已具備內部框架結構凈成形能力［圖6（a）］，其力學性能與鍛件持平，材料利用率可達70%以上，并且可實現減重15%以上的目標，滿足了飛行器對輕質高強、高耐溫結構件的需求。此外，通過合理的包套設計結合有限元分析，成功研制出高性能TA7 ELI鈦合金氫泵葉輪［圖6（b）］，其在液氫條件下抗拉強度可達1. 46GPa，延伸率≥12%，尺寸精度＜0. 2 mm，目前已通過全面考核，有效地支撐了我國航天型號的發展［55］。近期，航天材料及工藝研究所成功研制了TA15鈦合金中介機匣［圖6（c）］，尺寸精度可控制在±0. 3 mm以內，材料利用率≥70%，可實現整體成形，其加工周期可由6個月縮短至1個月，大幅提高了生產效率且性能超過鍛件水平。此外還研制了Ti3Al發動機延伸段［圖6（d）］以及TA15發動機噴管［圖6（e）］。

隨著航天型號的發展，我國目前鈦合金HIP粉末冶金技術不僅可以研制出復雜程度高的產品，并且已實現了工程化應用。但是與國外先進技術相比，我國在耐600 ℃以上高溫鈦合金粉末冶金技術的凈成形能力方面仍有差距，目前僅處于工程試驗階段；在有限元模擬分析方面缺乏相關理論模型，大多數計算機模擬局限于粉末成形初期和變形量的分析；在批量生產過程中芯?？焖偃コ夹g缺乏、流程長，且可重復使用率低、生產成本高，在短流程低成本控制方面仍有欠缺［24，51］。

2、鈦合金精密成形技術在航天領域中的發展方向

針對我國未來航天領域的科研項目需求，急需提高飛行器運載效率、降低飛行器結構系數、提高飛行器的總體技術指標，應進一步推動以鈦合金為代表的新材料、新工藝的應用發展。因此，在大型、復雜、薄壁航天器結構件的研制中，采用鈦合金精密成形技術是未來制造不可或缺的關鍵性選擇。

（1）在 低 溫 環 境 應 用 領 域 ，需 著 重 關 注 諸 如CT20、TC4ELI、TA7ELI 鈦合金精密鍛造、超塑成形、粉末冶金成形技術的發展，以滿足管路類、氣瓶類、葉輪類結構件的使用需求。

（2）在高溫環境應用方面，需重點關注 TA15、TC11、Ti60、Ti600、Ti65 鈦合金精密鑄造、超塑成形、精密旋壓、粉末冶金成形技術的發展及工程化應用推廣，以滿足舵翼類、復雜進氣道類、噴管類、防/隔熱結構件類的使用需求。

（3）此外，對耐 600 ℃以上的高溫、復雜熱結構件的研制，需著重推進 Ti-Al 系金屬間化合和鈦基復合材料超塑成形、精密旋壓、粉末冶金成形技術的工程化應用推廣工作。

3、結語

材料和制造技術是航天領域發展的基礎，為推動鈦合金及其精密成形技術在我國航天領域的應用并縮短與國外先進水平的差距，需重點關注、加強新型鈦合金材料（高/低溫、高強韌鈦合金及金屬間化合物）的工程化研制與大型、輕質、薄壁、復雜鈦合金構件精密成形技術的協同發展，提高我國鈦合金構件成形工藝成熟度、精密度以及產品合格率，控制并降低研制成本，縮短生產周期，未來我國先進鈦合金材料的研發以及精密成形技術的進步必將迎來飛躍式發展。

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