综述 航天用钛合金及其精密成形技术研究进展 陆子川张绪虎微石纪玮温涛 (航天材料及工艺研究所,北京100076) 文摘对航天领域用钛合金材料及其精密成形技杺(精密铸造、精密锻造、超塑成形、旋压成形、粉末冶 金成形)的国内外研究进展和应用现状进行了较系统的概述。最后基于我国航天工业发展的实际需求,对钛 合金材料及其精密成形技术的未来发展趋势进行了展望与总结。 关键词航天工业,钛合金,精密成形,应用现状,发展趋势 中图分类号:TG146.23 DOI:10.12044/ J.Issn.1007-23302020.04001 Research Progresses of Titanium Alloys and relevant Precision Formin Technology for the Aerospace Industry LU Zichuan ZHANG Xuhu WEI ShiI Wei WEN Tao Aerospace Research Institute of Materials Processing Technology, Beijing 10076) Abstract The research and application of titanium alloys and their precision forming technologies, includin precision casting, precision forging, superplastic forming, spinning forming and powder metallurgy, are reported systematically. Based on the actual requirements of aerospace industry in china, the development trend of titanium alloys and relevant precision forming technologies are summarized and forecasted Key words Aerospace industry, Titanium alloy, Precision forming technology, Application situation Development trend 0引言 行了分类与总结,最后结合我国航天工业的实际需 航天飞行器往往在大应力、超高/低温、强腐蚀等求,对其未来发展进行了展望 极端条件下工作,对材料及构件提出了较为苛刻的1航天钛合金精密成形技术研究进展 服役需求,而轻质并适应这些服役环境需求是航天1.1钛合金精密铸造技术 产品选择材料及其成形技术的主要标准{3。钛合 钛合金精密铸造技术具有成形精度高、生产周 金具有比强度比模量高、抗腐蚀性能好、高/低温性能期短、尺寸灵活性好等特点,可以很好地适应高精 优异等特点,集航天材料所需特质于一体,成为了航度、复杂钛合金薄壁构件的研制0。其中,石墨型 天领域应用广泛的关键材料之一。从工艺技术铸造和熔模精密铸造在航天领域应用广泛,主要用 角度出发,航天领域主流的钛合金精密成形技术可于叶轮类、舱体类、机匣类产品的研制2。 分为精密铸造、精密锻造、旋压成形、超塑成形和粉 目前,国外在中温中强钛合金精密铸造技术方 末冶金成形6。目前,国内外对钛合金及其精密成面已十分成熟,主要合金牌号为Ti-6-4和BT20。在 形技术在航空领域的研究进展已有大量总结性报高温高强钛合金精密铸造方面主要涉及β-21S 道,但是航天领域的相关概述较少。为此,本文BT35、Ti1100、IMI834等牌号,但是其铸造工艺目前 从航天领域钛合金相关构件的硏制角度岀发,对国仍存在铸件性能低、焊接困难、铸件开裂倾向高等缺 内外航天用钛合金及其精密成形技术的研究现状进点。我国在铸造钛合金材料研发方面多为仿制国外 收稿日期:2020-05-14 基金项目:装备预先研究项目(项目编号:61409220123) 第一作者简介:陆子川,1992年出生,博土,主要从事先进钛合金材料及其超塑成形工艺研究工作。E-mail: luzichuan1992@163 航材料工艺http://www.yhelgy.com2020年第4期
宇航材料工艺 http：//www.yhclgy.com 2020年 第4期 ·综述· 航天用钛合金及其精密成形技术研究进展 陆子川 张绪虎 微 石 纪 玮 温 涛 （航天材料及工艺研究所，北京 100076） 文 摘 对航天领域用钛合金材料及其精密成形技术（精密铸造、精密锻造、超塑成形、旋压成形、粉末冶 金成形）的国内外研究进展和应用现状进行了较系统的概述。最后基于我国航天工业发展的实际需求，对钛 合金材料及其精密成形技术的未来发展趋势进行了展望与总结。 关键词 航天工业，钛合金，精密成形，应用现状，发展趋势 中图分类号：TG146. 23 DOI：10.12044/j.issn.1007-2330.2020.04.001 Research Progresses of Titanium Alloys and Relevant Precision Forming Technology for the Aerospace Industry LU Zichuan ZHANG Xuhu WEI Shi JI Wei WEN Tao （Aerospace Research Institute of Materials & Processing Technology，Beijing 10076） Abstract The research and application of titanium alloys and their precision forming technologies，including precision casting，precision forging，superplastic forming，spinning forming and powder metallurgy，are reported systematically. Based on the actual requirements of aerospace industry in china，the development trend of titanium alloys and relevant precision forming technologies are summarized and forecasted. Key words Aerospace industry，Titanium alloy，Precision forming technology，Application situation， Development trend 0 引言 航天飞行器往往在大应力、超高/低温、强腐蚀等 极端条件下工作，对材料及构件提出了较为苛刻的 服役需求，而轻质并适应这些服役环境需求是航天 产品选择材料及其成形技术的主要标准［1-3］。钛合 金具有比强度比模量高、抗腐蚀性能好、高/低温性能 优异等特点，集航天材料所需特质于一体，成为了航 天领域应用广泛的关键材料之一［1-6］。从工艺技术 角度出发，航天领域主流的钛合金精密成形技术可 分为精密铸造、精密锻造、旋压成形、超塑成形和粉 末冶金成形［3，6］ 。目前，国内外对钛合金及其精密成 形技术在航空领域的研究进展已有大量总结性报 道［5-9］，但是航天领域的相关概述较少。为此，本文 从航天领域钛合金相关构件的研制角度出发，对国 内外航天用钛合金及其精密成形技术的研究现状进 行了分类与总结，最后结合我国航天工业的实际需 求，对其未来发展进行了展望。 1 航天钛合金精密成形技术研究进展 1. 1 钛合金精密铸造技术 钛合金精密铸造技术具有成形精度高、生产周 期短、尺寸灵活性好等特点，可以很好地适应高精 度、复杂钛合金薄壁构件的研制［10-13］ 。其中，石墨型 铸造和熔模精密铸造在航天领域应用广泛，主要用 于叶轮类、舱体类、机匣类产品的研制［12-14］ 。 目前，国外在中温中强钛合金精密铸造技术方 面已十分成熟，主要合金牌号为 Ti-6-4和 BT20。在 高温高强钛合金精密铸造方面主要涉及 β-21S、 BT35、Ti1100、IMI834 等牌号，但是其铸造工艺目前 仍存在铸件性能低、焊接困难、铸件开裂倾向高等缺 点。我国在铸造钛合金材料研发方面多为仿制国外 收稿日期：2020-05-14 基金项目：装备预先研究项目（项目编号：61409220123） 第一作者简介：陆子川，1992年出生，博士，主要从事先进钛合金材料及其超塑成形工艺研究工作。E-mail：luzichuan1992@163. com — 1 —
铸造钛合金牌号,其发展也基本呈现出中温中强到 我国航天领域钛合金精密锻造技术主要涉及 高温高强的趋势,航天领域主流铸造钛合金牌号为TC4ELI、TA7EL、T℃C4、TCI!等牌号,目前多用于压力 zTC4和ZTA15,主要用作弹翼类、舵面类、舱段类产容器类、轻质高强承力结构件的研制{3-。其中,钛 品的研制。此外,我国也相继开发了诸如ZIi55、合金气瓶类构件的精密锻造技术在我国航天领域已 zri600、ZTi65、ZTA35等新型铸造高温钛合金,室温得到了广泛应用,主要朝着大尺寸、大变形量、高成 抗拉强度可达1.GPa,高温抗拉强度可达65MPa,形精度、高成形性的方向发展,目前已迅速接近或达 使用温度为550-700。但是这几类新研发的铸到国际先进水平2。例如,我国采用精密模锻技术 造高温钛合金存在合金成分复杂、铸件开裂倾向高、已成功研制出容积为20L的 TATELI钛合金低温气 焊接困难等问题,相应的铸造工艺还不够成熟,目前瓶,目前已在ⅹⅹ-3A,XX-5运载火箭增压输送系统 仅为工程研制阶段15-1 中得到大量应用[图1(a)]{24。近期,航天材料及工 航天领域大型、复杂精密结构以及钛合金铸件艺研究所首次采用TAEI钛合金宽厚板结合等温 高性能化的发展需求快速推动了磁悬浮熔炼、3D打超塑性锻造技术成功研制出体积为130L的TA7ELl 印、计算机数值模拟、热等静压致密化等新技术新工钛合金低温冷氦气瓶[图1(b)],解决了 TATELI热加 艺在精密铸造领域的应用和发展。目前,3D打工性能差、易成分偏析、制造成本高等短板,其在20 印技术已可实现1800mm×1000mm×700mm整体K条件下低温抗拉强度可达1.45GPa,延伸率≥10%, 铸造型壳或型芯的制作其精度可控制在0.3m以壁厚尺寸精度可达±0.2mm,且具有变形速率低、成 内,代表性厂商主要有德国EOne、 Voxeljet公司、美形过程易控制、质量可靠性高、成形精度高等优势。 国 SolidScape、3 SYstem公司出。此外,数值模拟技 术已被广泛应用于铸造的充型、凝固、缩松及缩孔预 测、应力分布预测等过程,可有效指导铸造工艺、提 高铸件精度和质量,目前主流的数值模拟软件厂商 有美国 Procast、日本 Solia、德国 Magma soft、中国华 铸CAE等。在性能改进方面,热等静压致密化技术 已被广泛应用于铸件后处理过程中,可使缺陷发生 图1精密锻造技术生产的钛合金气瓶类产品 冶金闭合、消除缩松及缩孔、改善成分偏析,有效提 1 Titanium alloy cylinders developed by precision forging 升铸件的显微组织及力学性能,但仍需要关注并解 echnology 决铸件在热等静压过程中组织粗化、相变导致的性1.3钛合金超塑成形技术 能下降以及变形控制的问题。目前,随着多种 超塑成形技术由于具有成形精度高、近无回弹 工艺技术的进步,钛合金精密铸造技术呈现出了技无残余应力等优势,目前已成为了推动航天钛合金 术种类多元化、交叉化、普适化的发展趋势,已可生构件设计概念发展的开创性近净成形工艺之一,特 产出直径2m量级的大型钛合金铸件,铸造公差可别适用于复杂薄壁结构件的研制xx。 达±0.13mm,最小壁厚可控制在1.0mm3。 国外在超塑成形钛合金材料领域已经历了由常 1.2钛合金精密锻造技术 规钛合金(Ti-6A-4V、IM1550、BT6)到金属间化合 钛合金精密锻造技术是常规的近净成形工艺,物、钛基复合材料的研发历程,目前已形成了多种超 目前主要通过改进锻造工艺来提高构件的使用性塑专用钛合金(超细晶T-6-4、P700、BT23)则。 能2。其中,精密模锻和等温超塑性锻造在航天领我国对超塑性钛合金材料的早期研究主要以仿制国 域应用广泛,主要用于气瓶类贮箱类产品的研制。外牌号为主,目前已实现了TC4钛合金超塑用细晶 国外精密锻造工艺所涉及的钛合金牌号主要有板材的工业化生产,平均晶粒尺寸可控制在5μm左 T-6A-V、Ti-5A-2.5sELI、OT4-1、BT5-1、LT700右,板幅尺寸可达(0.8-3.0)mmx(1300-1500 等-。例如,美国采用精密锻造工艺成功研制了mm)×L,纵横向力学性能差异可控制在50MPa以 T-6A-4V和Ti-5A-2.5sELI钛合金压力容器类内冽。近期,我国已成功研制出超塑用高强细晶 构件,在大力神Ⅲ过渡级发动机得到了应用。俄罗SP700钛合金板材,其晶粒尺寸可达1~2pm量级,板 斯采用精密锻造生产的OT4-1、BT5-1燃料贮箱已成材规格可达(0.6~3.0)mm×1000mm×(2000~3000 功应用到进步号探测器上,日本采用精密锻造工艺mm。该合金在770-800℃即可体现出优异的超塑 生产的LT700锻件已成功运用到H2A、H2B火箭压力性,延伸率高达2000%,较细晶TC4板材而言其超塑 容器等低温结构零部件中。 成形温度可降低约140℃,在航天领域具有广阔的应 宇航材料工艺http://www.yhelgy.com2020年第4期
宇航材料工艺 http：//www.yhclgy.com 2020年 第4期 铸造钛合金牌号，其发展也基本呈现出中温中强到 高温高强的趋势，航天领域主流铸造钛合金牌号为 ZTC4 和 ZTA15，主要用作弹翼类、舵面类、舱段类产 品的研制。此外，我国也相继开发了诸如 ZTi55、 ZTi600、ZTi65、ZTA35 等新型铸造高温钛合金，室温 抗拉强度可达1. 1 GPa，高温抗拉强度可达625 MPa， 使用温度为 550~700 ℃［15］ 。但是这几类新研发的铸 造高温钛合金存在合金成分复杂、铸件开裂倾向高、 焊接困难等问题，相应的铸造工艺还不够成熟，目前 仅为工程研制阶段［15-16］ 。 航天领域大型、复杂精密结构以及钛合金铸件 高性能化的发展需求，快速推动了磁悬浮熔炼、3D打 印、计算机数值模拟、热等静压致密化等新技术新工 艺在精密铸造领域的应用和发展［17-20］ 。目前，3D 打 印技术已可实现 1 800 mm×1 000 mm×700 mm 整体 铸造型壳或型芯的制作，其精度可控制在 0. 3 mm以 内，代表性厂商主要有德国 ExOne、Voxeljet 公司、美 国 SolidScape、3DSystem 公司［21］。此外，数值模拟技 术已被广泛应用于铸造的充型、凝固、缩松及缩孔预 测、应力分布预测等过程，可有效指导铸造工艺、提 高铸件精度和质量，目前主流的数值模拟软件厂商 有美国 Procast、日本 Soldia、德国 Magma Soft、中国华 铸 CAE 等。在性能改进方面，热等静压致密化技术 已被广泛应用于铸件后处理过程中，可使缺陷发生 冶金闭合、消除缩松及缩孔、改善成分偏析，有效提 升铸件的显微组织及力学性能，但仍需要关注并解 决铸件在热等静压过程中组织粗化、相变导致的性 能下降以及变形控制的问题［12-13］。目前，随着多种 工艺技术的进步，钛合金精密铸造技术呈现出了技 术种类多元化、交叉化、普适化的发展趋势，已可生 产出直径 2 m 量级的大型钛合金铸件，铸造公差可 达±0. 13 mm，最小壁厚可控制在1. 0 mm［13］ 。 1. 2 钛合金精密锻造技术 钛合金精密锻造技术是常规的近净成形工艺， 目前主要通过改进锻造工艺来提高构件的使用性 能［22］ 。其中，精密模锻和等温超塑性锻造在航天领 域应用广泛，主要用于气瓶类、贮箱类产品的研制。 国外精密锻造工艺所涉及的钛合金牌号主要有 Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2. 5Sn ELI、OT4-1、BT5-1、LT700 等［23-24］。例如，美国采用精密锻造工艺成功研制了 Ti-6Al-4V 和 Ti-5Al-2. 5Sn ELI 钛合金压力容器类 构件，在大力神Ⅲ过渡级发动机得到了应用。俄罗 斯采用精密锻造生产的OT4-1、BT5-1燃料贮箱已成 功应用到进步号探测器上，日本采用精密锻造工艺 生产的LT700锻件已成功运用到H2A、H2B火箭压力 容器等低温结构零部件中［23］ 。 我国航天领域钛合金精密锻造技术主要涉及 TC4ELI、TA7ELI、TC4、TC11等牌号，目前多用于压力 容器类、轻质高强承力结构件的研制［25-26］ 。其中，钛 合金气瓶类构件的精密锻造技术在我国航天领域已 得到了广泛应用，主要朝着大尺寸、大变形量、高成 形精度、高成形性的方向发展，目前已迅速接近或达 到国际先进水平［27］ 。例如，我国采用精密模锻技术 已成功研制出容积为 20 L 的 TA7ELI 钛合金低温气 瓶，目前已在 XX-3A，XX-5 运载火箭增压输送系统 中得到大量应用［图 1（a）］［24］ 。近期，航天材料及工 艺研究所首次采用 TA7ELI 钛合金宽厚板结合等温 超塑性锻造技术成功研制出体积为 130 L的 TA7ELI 钛合金低温冷氦气瓶［图1（b）］，解决了TA7ELI热加 工性能差、易成分偏析、制造成本高等短板，其在 20 K条件下低温抗拉强度可达1. 45 GPa，延伸率≥10%， 壁厚尺寸精度可达±0. 2 mm，且具有变形速率低、成 形过程易控制、质量可靠性高、成形精度高等优势。 1. 3 钛合金超塑成形技术 超塑成形技术由于具有成形精度高、近无回弹、 无残余应力等优势，目前已成为了推动航天钛合金 构件设计概念发展的开创性近净成形工艺之一，特 别适用于复杂薄壁结构件的研制［28-32］ 。 国外在超塑成形钛合金材料领域已经历了由常 规钛合金（Ti-6Al-4V、IMI550、BT6）到金属间化合 物、钛基复合材料的研发历程，目前已形成了多种超 塑专用钛合金（超细晶 Ti-6-4、SP700、BT23）［29-30］。 我国对超塑性钛合金材料的早期研究主要以仿制国 外牌号为主，目前已实现了 TC4 钛合金超塑用细晶 板材的工业化生产，平均晶粒尺寸可控制在 5 μm左 右 ，板 幅 尺 寸 可 达（0. 8~3. 0）mm×（1 300~1 500 mm）×L，纵横向力学性能差异可控制在 50 MPa 以 内［29］。近期，我国已成功研制出超塑用高强细晶 SP700钛合金板材，其晶粒尺寸可达1~2 μm量级，板 材规格可达（0. 6~3. 0）mm×1 000 mm×（2 000~3 000） mm。该合金在 770~800 ℃即可体现出优异的超塑 性，延伸率高达2 000%，较细晶TC4板材而言其超塑 成形温度可降低约140 ℃，在航天领域具有广阔的应 图1 精密锻造技术生产的钛合金气瓶类产品 Fig. 1 Titanium alloy cylinders developed by precision forging technology — 2 —
用前景到。此外,在其他先进超塑钛合金材料研 例如,航天材料及工艺研究所采用超塑成形正 制方面,我国相继开发了诸如SPT55、BT-624215、反胀技术成功研制出TC4钛合金环形气瓶[图 BTi-6431S等高温钛合金超塑板,并在金属间化合物(a)],其半环毛坯壁厚在环向和径向控制误差分别 (TiA、TA、T2ANb)等先进超塑钛合金材料研发领为±0.2mm和0.3mm,基本达到了净成形水平m 域已着手开展了大量工作,目前已突破了国外对我除半环产品外,航天材料及工艺研究所亦开展了诸 国高质量超塑用钛合金板材的技术封锁与如卫星用大规格TC4钛合金表面张力贮箱(直径覆 限制{-03。 盖0.6-1.0m量级,且基本已具备净成形能力)、 在钛合金超塑成形工艺技术方面,国外目前已具TA15钛合金发动机喷管(外形及壁厚尺寸精度可 备单层构件、多层构件、桁架及正弦波等异型构件的批达±0.2mm,并实现了2m量级变壁厚异型构件的制 量化生产能力使超塑成形技术的研究热点逐渐由材造能力),以及TC4钛合金波纹板等构件的研制[图3 料研发转向实际工程应用3。例如,美国利用超塑 (b)-3(d)]2.。 成形技术成功研制了150mm直径的T-6A-4V钛合金 1.4钛合金精密旋压技术 推进剂贮箱,可实现降低成本60%,结构质量减轻30% 旋压成形技术结合了锻造、挤压、拉伸、弯曲、环 轧等工艺优势并可实现少无切削加工,能够满足航 的目标。日本ISAS和MHI公司采用板材预焊接+吹胀 天器用钛合金空心回转体结构件的多品种小批量 的方式成功研制出Ti-6A-4V钛合金超塑成形NH燃 轻质精密、高可靠的服役需求,在航天领域特别适用 料贮箱(图2),已在卫星上得到大量应用唰。 于壳体类、压力容器类、封头、喷管延伸段等产品的 研制,是钛合金回转型薄壁构件的首选工艺[3 目前,国外钛合金旋压技术已突破了大型薄壁 构件精密化、无模低成本快速旋压、轧-旋瘙挤-旋贗锻- 旋连续复合成形等先进技术,使钛合金精密旋压技 术在航天领域得到广泛应用。例如,德国MT宇航 公司采用强力旋压工艺制备出Φ1.905m的高强Ti 15V-3Cr钛合金推进系统贮箱[图4(a)],在“阿尔 图2日本采用超塑成形技术研制的钛合金燃料贮箱 法”通信卫星得到了应用2。美国采用无模旋压技 Fig. 2 Titanium alloy fuel tanks developed by superplast forming technology 术成功研制了直径1.2m量级的T-6A-4V钛合金 层胀封头,实现了单道次90%的冷旋压变形量,成功应用 我国目前在钛合金超塑成形领域已突破单层胀于“阿波罗”号宇宙飞船服务舱贮箱封头的制造[图4 形控壁厚技术、 SPF/DB空心构件成形技术以及大型(b)]。我国在钛合金旋压技术领域所涉及钛合金牌 三层/四层空腔翼板成形技术等关键技术,在我国航号有TA1、TA2、TA5、TC3、TC4、TB2等,典型航天构 天领域主要应用于研制卫星、导弹、运载火箭用大型件包括波纹管、气瓶、火箭发动机外壳、喷管、蒙皮、 单层构件(压力容器、蒙皮)、多层结构(舱段、舵翼)筒形件等4。例如,哈尔滨工业大学利用有限元 以及大型空心结构翼面类产品21 模拟技术结合普旋成形工艺成功研制出0.8mm壁 (b) 厚的TC4钛合金月球车轮圈[图4(c)]。航天材料 及工艺研究所通过开展大尺寸薄壁TC4钛合金筒形 件强力旋压缺陷形成机理研究,并结合有限元数值 模拟技术,成功研制出φ670mm的TC4卫星用贮箱 筒段[图4(d)],其壁厚尺寸精度为0-0.2mm,轮廓 尺寸精度为0-0.5mm-。西安航天动力机械厂采 用正旋拉旋+反旋拉旋的工艺方案成功研制出直径 Φ500mm的TC4钛合金薄壁环形内胆4 钛合金精密旋压技术虽然已经在我国航天领域 得到较为广泛的应用,但是受温度场均匀性、回弹效 图3钛合金超塑成形技术在我国航天领域的典型应用应、扩散效应、料模尺寸匹配性等关键技术的局限, Fig. 3 Typical applications of titanium alloy superplastic 我国航天钛合金旋压制品目前基本采用高温有模成 forming technology of aerospace industry in china 形工艺,且快速精密旋压技术处于起步阶段,连续复 宇航材料工艺htp:/www.yhelgy.com2020年第4期
宇航材料工艺 http：//www.yhclgy.com 2020年 第4期 用前景［29，33］。此外，在其他先进超塑钛合金材料研 制方面，我国相继开发了诸如 SPTi55、BTi-62421S、 BTi-6431S等高温钛合金超塑板，并在金属间化合物 （TiAl、Ti3Al、Ti2AlNb）等先进超塑钛合金材料研发领 域已着手开展了大量工作，目前已突破了国外对我 国 高 质 量 超 塑 用 钛 合 金 板 材 的 技 术 封 锁 与 限制［29-30，34］ 。 在钛合金超塑成形工艺技术方面，国外目前已具 备单层构件、多层构件、桁架及正弦波等异型构件的批 量化生产能力，使超塑成形技术的研究热点逐渐由材 料研发转向实际工程应用［24，35-36］ 。例如，美国利用超塑 成形技术成功研制了150 mm直径的Ti-6Al-4V钛合金 推进剂贮箱，可实现降低成本60%，结构质量减轻30% 的目标。日本ISAS和MHI公司采用板材预焊接+吹胀 的方式成功研制出Ti-6Al-4V钛合金超塑成形N2H4燃 料贮箱（图2），已在卫星上得到大量应用［36］ 。 我国目前在钛合金超塑成形领域已突破单层胀 形控壁厚技术、SPF/DB 空心构件成形技术以及大型 三层/四层空腔翼板成形技术等关键技术，在我国航 天领域主要应用于研制卫星、导弹、运载火箭用大型 单层构件（压力容器、蒙皮）、多层结构（舱段、舵翼） 以及大型空心结构翼面类产品［24］ 。 例如，航天材料及工艺研究所采用超塑成形正 反胀技术成功研制出 TC4 钛合金环形气瓶［图 3 （a）］，其半环毛坯壁厚在环向和径向控制误差分别 为±0. 2 mm 和±0. 3 mm，基本达到了净成形水平［37］ 。 除半环产品外，航天材料及工艺研究所亦开展了诸 如卫星用大规格 TC4 钛合金表面张力贮箱（直径覆 盖 0. 6~1. 0 m 量级，且基本已具备净成形能力）、 TA15 钛合金发动机喷管（外形及壁厚尺寸精度可 达±0. 2 mm，并实现了 2 m量级变壁厚异型构件的制 造能力），以及TC4钛合金波纹板等构件的研制［图3 （b）~3（d）］［24，37］ 。 1. 4 钛合金精密旋压技术 旋压成形技术结合了锻造、挤压、拉伸、弯曲、环 轧等工艺优势并可实现少无切削加工，能够满足航 天器用钛合金空心回转体结构件的多品种小批量、 轻质精密、高可靠的服役需求，在航天领域特别适用 于壳体类、压力容器类、封头、喷管延伸段等产品的 研制，是钛合金回转型薄壁构件的首选工艺［38-43］ 。 目前，国外钛合金旋压技术已突破了大型薄壁 构件精密化、无模低成本快速旋压、轧-旋/挤-旋/锻- 旋连续复合成形等先进技术，使钛合金精密旋压技 术在航天领域得到广泛应用［44］ 。例如，德国MT宇航 公司采用强力旋压工艺制备出Φ1. 905 m的高强Ti- 15V-3Cr 钛合金推进系统贮箱［图 4（a）］，在“阿尔 法”通信卫星得到了应用［24］ 。美国采用无模旋压技 术成功研制了直径 1. 2 m 量级的 Ti-6Al-4V 钛合金 封头，实现了单道次90%的冷旋压变形量，成功应用 于“阿波罗”号宇宙飞船服务舱贮箱封头的制造［图4 （b）］。我国在钛合金旋压技术领域所涉及钛合金牌 号有 TA1、TA2、TA15、TC3、TC4、TB2 等，典型航天构 件包括波纹管、气瓶、火箭发动机外壳、喷管、蒙皮、 筒形件等［38，40，45］ 。例如，哈尔滨工业大学利用有限元 模拟技术结合普旋成形工艺成功研制出 0. 8 mm 壁 厚的TC4钛合金月球车轮圈［图4（c）］［46］ 。航天材料 及工艺研究所通过开展大尺寸薄壁 TC4钛合金筒形 件强力旋压缺陷形成机理研究，并结合有限元数值 模拟技术，成功研制出 Φ670 mm 的 TC4 卫星用贮箱 筒段［图 4（d）］，其壁厚尺寸精度为 0~0. 2 mm，轮廓 尺寸精度为0~0. 5 mm［42-43］ 。西安航天动力机械厂采 用正旋拉旋+反旋拉旋的工艺方案成功研制出直径 Φ500 mm的TC4钛合金薄壁环形内胆［47］ 。 钛合金精密旋压技术虽然已经在我国航天领域 得到较为广泛的应用，但是受温度场均匀性、回弹效 应、扩散效应、料模尺寸匹配性等关键技术的局限， 我国航天钛合金旋压制品目前基本采用高温有模成 形工艺，且快速精密旋压技术处于起步阶段，连续复 图3 钛合金超塑成形技术在我国航天领域的典型应用 Fig. 3 Typical applications of titanium alloy superplastic forming technology of aerospace industry in china 图2 日本采用超塑成形技术研制的钛合金燃料贮箱 Fig. 2 Titanium alloy fuel tanks developed by superplastic forming technology — 3 —
合成形技术仍处于工程试验研究阶段,尤其是大直工艺研究所在型号需求的牵引下,目前已突破了高 径、薄壁整体钛合金旋压成形件仍未实现批量性应品质钛合金粉末研制技术、粉末冶金构件变形控制 用,需着重开展钛合金材料可旋性、旋压尺寸精度控技术、大型复杂结构件的制备技术等关键技术,并实 制、控形控性及热处理、旋压模拟仿真等技术现了钛合金HP粉末冶金关键产品的研制和工程化 究 批量生产151.3-5 图4钛合金精密旋压技术在国内外航天领域的应用 图5钛合金HP粉末冶金技术在国外航天领域的应用 Fig. 4 Applications of titanium alloy spinning forming technology ig. 5 Applications of titanium alloy powder metallurgy industry technology of aerospace industry in the foreign countries 1.5钛合金热等静压粉末冶金技术 例如,航天材料及工艺研究所研制的TA15钛合金 热等静压(HP)粉末冶金技术具有致密度高、无织舵翼件已具备内部框架结构净成形能力[图6(a)],其 构和偏析、内应力小、材料利用率高、可近净成形等优力学性能与锻件持平,材料利用率可达70%以上,并且 势,其成形的构件可兼具铸件的复杂型面特点以及锻可实现减重15%以上的目标,满足了飞行器对轻质高 件优异的力学性能优势特别适合航天工业对大型复强、高耐温结构件的需求。此外,通过合理的包套设计 杂、薄壁、高可靠性结构件的研制需求3。 结合有限元分析,成功研制出高性能TA7EII钛合金氢 随着钛合金熔炼技术、致密化变形精度控制技术、泵叶轮[图6(b)],其在液氢条件下抗拉强度可达1.46 先进制粉技术、有限元分析技术等关键技术的突破,国GPa,延伸率2%,尺寸精度70%,可实现整体成形,其加工周期可由6个月 Rocketdyne和 Synertech PM公司采用等离子旋转电极 缩短至1个月,大幅提高了生产效率且性能超过锻件水 去(PREP)制粉并借助计算机模拟等先进技术,成功研 制出火箭发动机钛合金壳体、阀体等构件,已在航天领 平。此外还研制了Ti2A发动机延伸段[图6(d)]以及 域得到应用并实现了大批量市场化供货[图5(c)]。 TA15发动机喷管[图6(e)]。 英国伯明翰大学研制的钛合金发动机机匣成功实现了 复杂型面构件的一体化近净成形,并已达到了工程化 应用水平,其采用60kg粉末可生产出56kg的最终样 件,成形精度高达近90%,仅需少许机加工即可实现最 终产品的研制[图5(d)] 随着多年的技术发展,我国目前已具备航天领 域所需的中高强钛合金、低温扃高温钛合金、超高强钛 合金以及金属间化合物等材料和构件的HP粉末冶 金一体成形能力,所涉及的产品主要有舵翼类、舱体 类、异形曲面类以及机匣类等构件,可以很好地满足 图6钛合金HP粉末冶金技术在我国航天领域的应用 航天领域的任务需求355。作为国内最先研究 Fig 6 Application 钛合金HIP粉末冶金成形工艺的单位,航天材料及 industry ine 宇航材料工艺http://www.yhelgy.com2020年第4期
宇航材料工艺 http：//www.yhclgy.com 2020年 第4期 合成形技术仍处于工程试验研究阶段，尤其是大直 径、薄壁整体钛合金旋压成形件仍未实现批量性应 用，需着重开展钛合金材料可旋性、旋压尺寸精度控 制 、控 形/控 性 及 热 处 理 、旋 压 模 拟 仿 真 等 技 术 研究［44-45，48］ 。 1. 5 钛合金热等静压粉末冶金技术 热等静压（HIP）粉末冶金技术具有致密度高、无织 构和偏析、内应力小、材料利用率高、可近净成形等优 势，其成形的构件可兼具铸件的复杂型面特点以及锻 件优异的力学性能优势，特别适合航天工业对大型、复 杂、薄壁、高可靠性结构件的研制需求［49-54］ 。 随着钛合金熔炼技术、致密化变形精度控制技术、 先进制粉技术、有限元分析技术等关键技术的突破，国 外目前已实现了钛合金HIP粉末冶金技术在航天领域 的大规模工程化应用。法国Senecma公司研制的低温 粉末钛合金叶轮在-253 ℃条件下工作转速达550 m/s， 并可大幅缩短加工周期［图 5（a）~（b）］。美国 P&W Rocketdyne和Synertech PM公司采用等离子旋转电极 法（PREP）制粉并借助计算机模拟等先进技术，成功研 制出火箭发动机钛合金壳体、阀体等构件，已在航天领 域得到应用并实现了大批量市场化供货［图5（c）］［51］ 。 英国伯明翰大学研制的钛合金发动机机匣成功实现了 复杂型面构件的一体化近净成形，并已达到了工程化 应用水平，其采用60 kg粉末可生产出56 kg的最终样 件，成形精度高达近90%，仅需少许机加工即可实现最 终产品的研制［图5（d）］。 随着多年的技术发展，我国目前已具备航天领 域所需的中高强钛合金、低温/高温钛合金、超高强钛 合金以及金属间化合物等材料和构件的 HIP粉末冶 金一体成形能力，所涉及的产品主要有舵翼类、舱体 类、异形曲面类以及机匣类等构件，可以很好地满足 航天领域的任务需求［50，53，55-57］。作为国内最先研究 钛合金 HIP 粉末冶金成形工艺的单位，航天材料及 工艺研究所在型号需求的牵引下，目前已突破了高 品质钛合金粉末研制技术、粉末冶金构件变形控制 技术、大型复杂结构件的制备技术等关键技术，并实 现了钛合金 HIP粉末冶金关键产品的研制和工程化 批量生产［51，53-55］ 。 例如，航天材料及工艺研究所研制的TA15钛合金 舵翼件已具备内部框架结构净成形能力［图6（a）］，其 力学性能与锻件持平，材料利用率可达70%以上，并且 可实现减重15%以上的目标，满足了飞行器对轻质高 强、高耐温结构件的需求。此外，通过合理的包套设计 结合有限元分析，成功研制出高性能TA7 ELI钛合金氢 泵叶轮［图6（b）］，其在液氢条件下抗拉强度可达1. 46 GPa，延伸率≥12%，尺寸精度＜0. 2 mm，目前已通过全 面考核，有效地支撑了我国航天型号的发展［55］ 。近期， 航天材料及工艺研究所成功研制了TA15钛合金中介 机匣［图6（c）］，尺寸精度可控制在±0. 3 mm以内，材料 利用率≥70%，可实现整体成形，其加工周期可由6个月 缩短至1个月，大幅提高了生产效率且性能超过锻件水 平。此外还研制了Ti3Al发动机延伸段［图6（d）］以及 TA15发动机喷管［图6（e）］。 图4 钛合金精密旋压技术在国内外航天领域的应用 Fig. 4 Applications of titanium alloy spinning forming technology in the aerospace industry 图5 钛合金HIP粉末冶金技术在国外航天领域的应用 Fig. 5 Applications of titanium alloy powder metallurgy technology of aerospace industry in the foreign countries 图6 钛合金HIP粉末冶金技术在我国航天领域的应用 Fig. 6 Applications of titanium alloy powder metallurgy technology of aerospace industry in china — 4 —
随着航天型号的发展,我国目前钛合金HIP粉末中国材料进展,20105):1-8 冶金技术不仅可以研制出复杂程度高的产品,并且已 ZHAO Y Q. Current situation and development trend of 实现了工程化应用。但是与国外先进技术相比,我国 titanium alloys.Mea.2010.05):1-8 在耐600℃以上高温钛合金粉末冶金技术的净成形能 [3]张绪虎单群,陈永来,等.钛合金在航天飞行器上的 应用和发展[J].中国材料进展,2011,30(6):28-32 力方面仍有差距,目前仅处于工程试验阶段;在有限元 ZHANG X H, SHAN Q, CHEN Y L, et al. Application and 模拟分析方面缺乏相关理论模型,大多数计算机模拟 development of titanium alloys for aircrafts]. Materials China 局限于粉未成形初期和变形量的分析;在批量生产过2011,306):28-32 程中芯模快速去除技术缺乏、流程长,且可重复使用率4] LEYENS C, PETERS M. Titanium and titanium alloys 低、生产成本高在短流程低成本控制方面仍有欠缺s。 fundamentals and applications[ M]. John Wiley&sons,2003 2钛合金精密成形技术在航天领域中的发展方向 [5]钱九红.航空航天用新型钛合金的研究发展及应用 针对我国未来航天领域的科研项目需求,急需 [J].稀有金属,200024(3):218-223 QIAN J H. Applicati n and development of new titanium 提高飞行器运载效率、降低飞行器结构系数、提高飞 alloys for aerospace[. Chinese Journal of Rare Metal004 行器的总体技术指标,应进一步推动以钛合金为代(3):218-23 表的新材料、新工艺的应用发展。因此,在大型、复 [6]刘全明,张朝晖,刘世锋,等.钛合金在航空航天及武 杂、薄壁航天器结构件的研制中,采用钛合金精密成器装备领域的应用与发展[钢铁研究学报,201527(3) 形技术是未来制造不可或缺的关键性选择。 (1)在低温环境应用领域,需着重关注诸如 LIU Q M, ZHANG C H, LIU S F, et al. Application and CT20、TC4ELI、 TATELI钛合金精密锻造、超塑成形 development of titanium alloy in aerospace and military hardware J] Journal of Iron and Steel Research, 2015, 27(3):1-4 粉末冶金成形技术的发展,以满足管路类、气瓶类、 7] EZUGWU E O, WANG Z M. Titanium alloys and their 叶轮类结构件的使用需求。 machinability-a review [J]. Journal of Materials Processing (2)在高温环境应用方面,需重点关注TA15、 Technology,1997,68(3):262-274 TCll、Ti60、Ti600、Ti65钛合金精密铸造、超塑成形、 [8] LUTJERING G Influence of processing 精密旋压、粉末冶金成形技术的发展及工程化应用 and mechanical properties of (a+ B)titanium alloys[J].Material 推广,以满足舵翼类、复杂进气道类、喷管类、防隔热 Science and Engineering: A. 1998. 243(1-2):32-45. [9 PETERS M, KUMPFERT J, WARD C H, et al 结构件类的使用需求。 Titanium alloys for aerospace applications [J].Advanced (3)此外,对耐600℃以上的高温、复杂热结构件 Engineering materia,00.60:419-42 的研制,需着重推进Ti-Al系金属间化合和钛基复合 [10]李玉梅,弓炎.航天用钛合金铸造工艺性能研究 材料超塑成形、精密旋压、粉末冶金成形技术的工程].铸造技术,2013(8):1024-1026 化应用推广工作。 LI Y M, GONG Y. Study on casting process for titanium alloy 3结语 in aerospace[J]. Foundry Technology, 2013(8):1024-1026 [11]张立武,写旭,杨延涛.钛合金精密热成形技术在航 材料和制造技术是航天领域发展的基础,为推动空航天的应用进展[J.航空制造技术,2015,58(19) 钛合金及其精密成形技术在我国航天领域的应用并缩 ZHANG L W, XIE X, YANG Y T. Application progress of 短与国外先进水平的差距需重点关注、加强新型钛合 titanium alloy precision thermo-forming technology in aerospace[J 金材料(高/低温、高强韧钛合金及金属间化合物)的工 Aeronautical manufacturing Technology,2015,58(19):14-17 程化研制与大型、轻质、薄壁、复杂钛合金构件精密成 [12]肖树龙,陈玉勇,朱洪艳,等.大型复杂薄壁钛合金 形技术的协同发展提高我国钛合金构件成形工艺成铸件熔模精密铸造研究现状及发展门稀有金属材料与工 熟度、精密度以及产品合格率,控制并降低硏制成本 程,2006,35(5):678-681 XIAO SH. CHENY Y ZHU H Y, et al. Recent advances on 缩短生产周期,未来我国先进钛合金材料的研发以及 precision casting of large thin wall complex castings of titanium alloys 精密成形技术的进步必将迎来飞跃式发展 [J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2006,35(5): 678-681 参考文献 [13]赵瑞斌.大型复杂钛合金薄壁件精铸成形技术研究 [1]邹武装.钛及钛合金在航天工业的应用及展望[J]进展[J]钛工业进展,2015(2):7-12 中国有色金属,2016(1):70-71 ZHAO R B rch progress of precision casting of large ZoU W Z. The application and prospect of titanium an complex tanium alloy [j]. Titanium Industry itanium alloys in the aerospace industry [J]. China Nonferrous Progress, 2015(2): 7-12 Metals,2016(1):70-71 [14]高婷,赵亮,马保飞,等.钛合金铸造技术现状及发 [2]赵永庆国内外钛合金研究的发展现状及趋势[J].展趋势[门].热加工工艺,2014(21):5-8 宇航材料工艺htp:/www.yhelgy.com2020年第4期
宇航材料工艺 http：//www.yhclgy.com 2020年 第4期 随着航天型号的发展，我国目前钛合金HIP粉末 冶金技术不仅可以研制出复杂程度高的产品，并且已 实现了工程化应用。但是与国外先进技术相比，我国 在耐600 ℃以上高温钛合金粉末冶金技术的净成形能 力方面仍有差距，目前仅处于工程试验阶段；在有限元 模拟分析方面缺乏相关理论模型，大多数计算机模拟 局限于粉末成形初期和变形量的分析；在批量生产过 程中芯模快速去除技术缺乏、流程长，且可重复使用率 低、生产成本高，在短流程低成本控制方面仍有欠缺［24，51］ 。 2 钛合金精密成形技术在航天领域中的发展方向 针对我国未来航天领域的科研项目需求，急需 提高飞行器运载效率、降低飞行器结构系数、提高飞 行器的总体技术指标，应进一步推动以钛合金为代 表的新材料、新工艺的应用发展。因此，在大型、复 杂、薄壁航天器结构件的研制中，采用钛合金精密成 形技术是未来制造不可或缺的关键性选择。 （1）在低温环境应用领域，需着重关注诸如 CT20、TC4ELI、TA7ELI 钛合金精密锻造、超塑成形、 粉末冶金成形技术的发展，以满足管路类、气瓶类、 叶轮类结构件的使用需求。 （2）在高温环境应用方面，需重点关注 TA15、 TC11、Ti60、Ti600、Ti65 钛合金精密铸造、超塑成形、 精密旋压、粉末冶金成形技术的发展及工程化应用 推广，以满足舵翼类、复杂进气道类、喷管类、防/隔热 结构件类的使用需求。 （3）此外，对耐600 ℃以上的高温、复杂热结构件 的研制，需着重推进Ti-Al系金属间化合和钛基复合 材料超塑成形、精密旋压、粉末冶金成形技术的工程 化应用推广工作。 3 结语 材料和制造技术是航天领域发展的基础，为推动 钛合金及其精密成形技术在我国航天领域的应用并缩 短与国外先进水平的差距，需重点关注、加强新型钛合 金材料（高/低温、高强韧钛合金及金属间化合物）的工 程化研制与大型、轻质、薄壁、复杂钛合金构件精密成 形技术的协同发展，提高我国钛合金构件成形工艺成 熟度、精密度以及产品合格率，控制并降低研制成本， 缩短生产周期，未来我国先进钛合金材料的研发以及 精密成形技术的进步必将迎来飞跃式发展。 参考文献 ［1］邹武装 . 钛及钛合金在航天工业的应用及展望［J］. 中国有色金属，2016（1）：70-71. ZOU W Z. The application and prospect of titanium and titanium alloys in the aerospace industry［J］. China Nonferrous Metals，2016（1）：70-71. ［2］赵永庆 . 国内外钛合金研究的发展现状及趋势［J］. 中国材料进展，2010（5）：1-8. ZHAO Y Q. Current situation and development trend of titanium alloys［J］. Materials China，2010，29（5）：1-8. ［3］张绪虎，单群，陈永来，等. 钛合金在航天飞行器上的 应用和发展［J］. 中国材料进展，2011，30（6）：28-32. ZHANG X H，SHAN Q，CHEN Y L，et al. Application and development of titanium alloys for aircrafts［J］. Materials China， 2011，30（6）：28-32. ［4］LEYENS C，PETERS M. Titanium and titanium alloys： fundamentals and applications［M］. John Wiley & Sons，2003. ［5］钱九红 . 航空航天用新型钛合金的研究发展及应用 ［J］. 稀有金属，2000，24（3）：218-223. QIAN J H. Application and development of new titanium alloys for aerospace［J］. Chinese Journal of Rare Metals，2000，24 （3）：218-223. ［6］刘全明，张朝晖，刘世锋，等. 钛合金在航空航天及武 器装备领域的应用与发展［J］. 钢铁研究学报，2015，27（3）： 1-4. LIU Q M，ZHANG C H，LIU S F，et al. Application and development of titanium alloy in aerospace and military hardware ［J］. Journal of Iron and Steel Research，2015，27（3）：1-4. ［7］EZUGWU E O，WANG Z M. Titanium alloys and their machinability—a review［J］. Journal of Materials Processing Technology，1997，68（3）：262-274. ［8］LUTJERING G. Influence of processing on microstructure and mechanical properties of（α+ β）titanium alloys［J］. Materials Science and Engineering：A，1998，243（1-2）：32-45. ［9］ PETERS M，KUMPFERT J，WARD C H，et al. Titanium alloys for aerospace applications ［J］. Advanced Engineering Materials，2003，5（6）：419-427. ［10］李玉梅，弓炎 . 航天用钛合金铸造工艺性能研究 ［J］. 铸造技术，2013（8）：1024-1026. LI Y M，GONG Y. Study on casting process for titanium alloy in aerospace［J］. Foundry Technology，2013（8）：1024-1026. ［11］张立武，写旭，杨延涛. 钛合金精密热成形技术在航 空航天的应用进展［J］. 航空制造技术，2015，58（19）：14-17. ZHANG L W，XIE X，YANG Y T. Application progress of titanium alloy precision thermo-forming technology in aerospace［J］. Aeronautical Manufacturing Technology，2015，58（19）：14-17. ［12］肖树龙，陈玉勇，朱洪艳，等 . 大型复杂薄壁钛合金 铸件熔模精密铸造研究现状及发展［J］. 稀有金属材料与工 程，2006，35（5）：678-681. XIAO S H，CHEN Y Y，ZHU H Y，et al. Recent advances on precision casting of large thin wall complex castings of titanium alloys ［J］. Rare Metal Materials and Engineering，2006，35（5）：678-681. ［13］赵瑞斌. 大型复杂钛合金薄壁件精铸成形技术研究 进展［J］. 钛工业进展，2015（2）：7-12. ZHAO R B. Research progress of precision casting of large complex thin-walled titanium alloy ［J］. Titanium Industry Progress，2015（2）：7-12. ［14］高婷，赵亮，马保飞，等 . 钛合金铸造技术现状及发 展趋势［J］. 热加工工艺，2014（21）：5-8. — 5 —
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