鈦被稱為繼鋼、鋁之后而崛起的“第三金屬”，因其性能優(yōu)良，廣泛用于航空航天、化工冶金、能源電力、船舶和海洋工程、汽車、建筑、體育用品及醫(yī)療器械等行業(yè)。目前，世界上能進(jìn)行鈦工業(yè)生產(chǎn)的只有美國(guó)、俄羅斯、日本、中國(guó)和歐洲的少數(shù)國(guó)家，其中，以我國(guó)最具鈦資源的優(yōu)勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)已探明擁有8.7億噸的資源儲(chǔ)量，占世界已探明儲(chǔ)量的60％左右。換言之，在我國(guó)發(fā)展鈦產(chǎn)品及鈦設(shè)備，具有得天獨(dú)厚的有利條件。

一、鈦及鈦合金換熱器生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

用鈦制作換熱器具有優(yōu)良的耐腐蝕性、傳熱效率高、表面光潔無(wú)結(jié)垢層、比重小、強(qiáng)度高、設(shè)備體積和重量小等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、宇宙開發(fā)、海洋工程、石油、化工、輕工、食品加工、冶金、電子、醫(yī)藥衛(wèi)生、儀器儀表等部門(見表1)。

表 1 鈦及鈦合金設(shè)備及產(chǎn)品的主要應(yīng) 用領(lǐng)域

鈦對(duì)氯具有很強(qiáng)的抗腐蝕性。是海水淡化設(shè)備換熱器的首選材料。目前，管殼式換熱器約占全部換熱器的70％左右。在強(qiáng)調(diào)高效、環(huán)保、節(jié)能的今天，板式換熱器在熱交換領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)日益明顯最初板式換熱器僅用于食品加工方面，后來(lái)在石油化工、制藥、造紙、機(jī)械、冶金、造船、發(fā)電等部門都得到廣泛的應(yīng)用，近幾年，在機(jī)場(chǎng)、酒店、商廈、軌道交通、船舶等場(chǎng)合，已部分地替代了傳統(tǒng)的管殼式熱交換器，取得了良好的效果。

1、鈦材軋制技術(shù)

鈦換熱器等設(shè)備的制造水平與鈦板材、帶材、卷材的軋制水平有關(guān)。國(guó)內(nèi)與國(guó)外在鈦軋制技術(shù)上的差距主要在以下幾個(gè)方面：

(1)鈦軋制技術(shù)：板材、卷材、帶材種類不全，國(guó)內(nèi)缺乏薄板、卷材軋制技術(shù)及裝備。我國(guó)鈦板的生產(chǎn)還沿用片式生產(chǎn)，不能進(jìn)行帶式生產(chǎn)。更不能實(shí)現(xiàn)連軋：國(guó)際上普遍采用斜軋穿孔技術(shù)制造無(wú)縫鈦管，而國(guó)內(nèi)仍然延續(xù)“銅包套一擠壓”制坯技術(shù)。我國(guó)鈦材的成品率與美國(guó)差10％以上：生產(chǎn)的薄鈦板仍不能滿足生產(chǎn)鈦焊管的需要。

(2)鈦軋制設(shè)備：落后于國(guó)外，目前仍然不能生產(chǎn)用于制造薄壁鈦焊管的板材。這類板材仍依賴進(jìn)口，鈦型材的生產(chǎn)在國(guó)內(nèi)仍為空白。

2、鈦材焊接技術(shù)

大多數(shù)鈦合金可以使用氧乙炔焊的方法進(jìn)行焊接：幾乎所有的鈦合金均可以使用固態(tài)焊接方法，如TIG、MIG、等離子弧焊、激光焊、電子束焊和電阻焊等，進(jìn)行焊接。其中，以TIG焊和激光焊的焊接質(zhì)量最好。鈦合金激光焊接，因?yàn)楹附幼冃涡?，生產(chǎn)效率高，而且比電子束焊和TIG焊的自動(dòng)化程度高，因此，其應(yīng)用日趨廣泛。摩擦焊接因?yàn)椴粫?huì)產(chǎn)生氣孔，殘余應(yīng)力小，焊接質(zhì)量高，也適于對(duì)鈦合金進(jìn)行焊接。已經(jīng)用于汽車、潛艇及飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)鈦部件焊接。釬焊則用于鈦及其合金與其它金屬的連接，亦可用于鈦及鈦合金的微型復(fù)雜件的連接。

鈦材的焊接技術(shù)在鈦設(shè)備中起著非常重要的作用。未來(lái)鈦焊接技術(shù)的發(fā)展方向主要是：易于操作：焊接過(guò)程自動(dòng)化、智能化，從而提高焊接生產(chǎn)率；焊接質(zhì)量穩(wěn)定性好節(jié)約能源，有利于環(huán)境保護(hù)等。

3、鈦材表面處理技術(shù)

任何材料都有它的優(yōu)缺點(diǎn)，為了進(jìn)一步達(dá)到提高鈦合金耐蝕性、耐磨性、抗微動(dòng)磨損性、高溫抗氧化性等目的，對(duì)鈦合金進(jìn)行表面處理是進(jìn)一步擴(kuò)大鈦合金使用范圍的有效途徑，可以這么說(shuō)目前對(duì)金屬的表面處理方法幾乎全部應(yīng)用到了鈦合金的表面處理上，包括金屬電鍍、化學(xué)鍍、熱擴(kuò)散、陽(yáng)極氧化、熱噴涂、低壓離子工藝、電子和激光的表面合金化、非平衡磁控濺射鍍膜、離子氮化、PVD法制膜、離子鍍膜、納米技術(shù)等。

鈦及鈦合金表面處理技術(shù)從以熱滲擴(kuò)、電鍍、真空鍍膜等為代表的傳統(tǒng)表面強(qiáng)化、耐磨處理技術(shù)，發(fā)展到現(xiàn)階段以等離子滲、離子束、電子束、激光束的應(yīng)用為標(biāo)志的現(xiàn)代表面處理技術(shù)，如表面氮化(氣體氮化等離子氮化)、表面滲元素合金化、激光熔覆等。目前，鈦及鈦合金表面強(qiáng)化技術(shù)正朝著多種表面技術(shù)的綜合應(yīng)用以及多層復(fù)合膜層的研究制備方向發(fā)展。

4、鈦近凈成形技術(shù)

鈦制品的近凈成形技術(shù)，是以海綿鈦+鈦屑或鈦及鈦合金粉末作為原材料，利用PAM單錠熔煉技術(shù)制備鑄錠，或粉末冶金等方法制備坯料；然后通過(guò)軋制或擠壓直接出成品。已廣泛用于生產(chǎn)鈦合金氣門、連桿、簡(jiǎn)體、高爾夫球頭等。因?yàn)椴恍杌騼H需少量后續(xù)加工，在減少產(chǎn)品生產(chǎn)周期和節(jié)省原材料的同時(shí)，可大大降低生產(chǎn)成本。將會(huì)有力推動(dòng)鈦合金的應(yīng)用，是今后鈦合金成型技術(shù)的主要發(fā)展方向。

5、鈦加工的數(shù)值模擬技術(shù)

鈦及鈦合金材料制備過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展，對(duì)鈦合金及其產(chǎn)品的研制和開發(fā)，開創(chuàng)了更廣闊的空間。先進(jìn)國(guó)家先后展開了對(duì)鈦及鈦合金材料熔煉、鑄造以及加工制造過(guò)程、熱處理等方面的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的研究和相關(guān)軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)。通過(guò)計(jì)算機(jī)的模擬計(jì)算來(lái)設(shè)計(jì)加工工藝，可以避免傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的許多缺點(diǎn)，節(jié)省了人力、物力，同時(shí)極大地提高了新材料制備和加工工藝設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

二、鈦壓力容器生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

鈦壓力容器主要用于耐腐蝕容器。也可用作低溫容器，在航空航天中用于貯存液體燃料。由于鈦材價(jià)格較高，一般只在鋼、鋁、銅等容器不能滿足使用要求時(shí)才采用鈦容器。民用鈦材中約有3／4用于鈦容器(含換熱器)，因而鈦容器是鈦材的主要用戶。

1、鈦壓力容器的焊接技術(shù)壓力容器廣泛應(yīng)用于石油、化工、鍋爐等各工業(yè)部門，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中重要的特種設(shè)備。壓力容器是承受內(nèi)外壓力的設(shè)備，具有多種結(jié)構(gòu)形式，基本組成由殼體、封頭、法蘭、接管、支座等構(gòu)成。這些部件均需要通過(guò)焊接組裝成為一個(gè)整體。因此，焊接過(guò)程是壓力容器生產(chǎn)制造過(guò)程中的核心內(nèi)容。對(duì)于壓力容器而言，焊接自動(dòng)化技術(shù)可以概括為硬件因素和軟件因素。硬件因素主要指壓力容器自動(dòng)焊接設(shè)備和方法：軟件因素主要指焊接控制技術(shù)、人工智能技術(shù)及焊接專家系統(tǒng)等。目前，壓力容器焊接自動(dòng)化技術(shù)在國(guó)際上已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用。

2，鈦壓力容器的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

壓力容器大多在高溫高壓、低溫高壓或高載荷的條件下運(yùn)行，工況十分惡劣：如果部件在制造中就留有缺陷或是在使用中新產(chǎn)生裂紋就會(huì)大大降低其安全可靠性，若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，往往會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難陛后果。由于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)不僅具有巨大的社會(huì)意義，也具有十分重要的經(jīng)濟(jì)意義，因此得到世界各國(guó)政府的高度重視。

聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)，始于20世紀(jì)60年代。是一種日趨成熟的無(wú)損檢測(cè)方法，用于壓力容器檢測(cè)和結(jié)構(gòu)的完整性評(píng)價(jià)方面，在美國(guó)、歐盟和日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已得到廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)也有相應(yīng)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，即GJB2044—1994“鈦合金壓力容器檢測(cè)方法”。

三、鈦鑄件生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

鈦合金鑄造產(chǎn)品，主要采用熔模鑄造和機(jī)加工石墨型鑄造兩種生產(chǎn)工藝。熔模鑄造適于制造復(fù)雜、大型、薄壁的鑄件：石墨型鑄造則適用于結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的構(gòu)件。

1、鈦合金的熔煉技術(shù)

近年來(lái)。在鈦的熔煉技術(shù)方面，最引人注目的進(jìn)展是發(fā)展了冷床爐熔煉技術(shù)，包括電子束冷床爐和等離子冷床爐技術(shù)。目前，冷床爐熔煉已達(dá)到商業(yè)化水平?？扇蹮捴剡_(dá)25t的鑄錠。它能生產(chǎn)無(wú)偏析、無(wú)夾雜的優(yōu)質(zhì)鈦及鈦合金鑄錠，滿足航空轉(zhuǎn)動(dòng)部件對(duì)高性能鈦材的需求。它還能生產(chǎn)扁錠、空心錠，簡(jiǎn)化板材和大管材的后續(xù)加工，并可大量回收殘鈦。但目前這種熔煉技術(shù)還存在成本高、操作復(fù)雜等問(wèn)題。

電子束和等離子冷床熔煉工藝在美國(guó)、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家得到了快速發(fā)展，正逐漸取代傳統(tǒng)的真空電弧熔煉工藝。電子束已成功應(yīng)用于純鈦和TC4鈦合金的熔煉，而等離子束是熔煉復(fù)雜成分鈦合金的最有效手段。我國(guó)近幾年才開始等離子束冷床熔煉技術(shù)的研究。

與此同時(shí)，俄羅斯也發(fā)展了一種類似于冷床爐的新型熔煉技術(shù)，即所謂的凝殼一自耗電極熔煉。此外，冷坩堝熔煉技術(shù)近來(lái)也有較大發(fā)展，該熔煉技術(shù)與離心澆鑄工藝結(jié)合起來(lái)用于鈦鑄件的精密鑄造。目前正在制造第二代的冷坩堝熔煉爐。第二代冷坩堝爐可大大提高熔化能力，縮短熔煉時(shí)間，并實(shí)現(xiàn)完全懸浮熔煉，消除金屬凝殼。

我國(guó)已將研究感應(yīng)凝殼熔煉技術(shù)列入重點(diǎn)研究項(xiàng)目，中國(guó)近年來(lái)在鈦合金的熔煉技術(shù)方面也取得了很大的發(fā)展，2006年實(shí)現(xiàn)鈦及鈦合金鑄錠生產(chǎn)22120t的生產(chǎn)規(guī)模。2008年我國(guó)共生產(chǎn)鈦錠34469噸，2008年我國(guó)共生產(chǎn)鈦加工材23640噸，比上一年增加了84，6％。2008年我國(guó)出口海綿鈦5584，05噸，進(jìn)口1133，6噸。凈出口4450，45噸；出口鈦加工材8046，995噸，進(jìn)口3963，771噸，凈出口4083，224噸；我國(guó)第一次成為海綿鈦和鈦加工材的雙凈出口國(guó)。

2、鈦合金的精鑄技術(shù)

采用精密鑄造技術(shù)，可以生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的薄壁構(gòu)件，提高鈦合金材料的利用率，降低生產(chǎn)成本。近年來(lái)，鈦的鑄造技術(shù)方面的主要進(jìn)展是。發(fā)展了冷坩堝+離子澆鑄技術(shù)、真空吸鑄技術(shù)和真空壓鑄技術(shù)。鈦合金熔模鑄造工藝主要采用三種熔模型殼：石墨熔模型殼、金屬鎢面層陶瓷型殼和氧化物陶瓷型殼。

凝殼爐的應(yīng)用和熔模精密鑄造與金屬造型、陶瓷造型工藝的發(fā)展，為許多大型復(fù)雜的薄壁鈦鑄件縮短生產(chǎn)時(shí)間、降低成本展現(xiàn)了一定的空間。目前高性能的鈦合金大型整體精鑄件，大多數(shù)都是采用金屬面層陶瓷型殼或氧化物面層陶瓷型殼澆注出來(lái)的。

大型薄壁精密鑄造技術(shù)使鈦鑄件性能接近鈦鍛件。而成本較鈦鍛件降低約50％。

展望未來(lái)。數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)帶來(lái)更好的工藝模擬模型，隨著計(jì)算機(jī)工藝控制、輔助生產(chǎn)、無(wú)損檢驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步，將促進(jìn)鈦精鑄件的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，鈦合金精密鑄件的市場(chǎng)前景也更加廣闊。

四、鈦鍛件生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

20世紀(jì)90年代以來(lái)，鈦合金鍛件被大量推廣到民用領(lǐng)域，如環(huán)保設(shè)備、汽車、石油化工、電力、生物醫(yī)學(xué)、建筑、體育休閑等行業(yè)，且市場(chǎng)需求越來(lái)越大。

1、鈦合金精密模鍛技術(shù)

與普通模鍛相比，精密模鍛能獲得表面質(zhì)量好、加工余量少和尺寸精度較高的鍛件主要應(yīng)用在兩個(gè)方面：一是精化毛坯，即利用精鍛工藝取代粗切削加工工序：二是精鍛零件，即通過(guò)精密模鍛直接獲得成品零件。精密模鍛發(fā)展的總趨勢(shì)是產(chǎn)品的復(fù)雜化和質(zhì)量?jī)?yōu)化：工藝設(shè)計(jì)的模擬化和準(zhǔn)確化：模具設(shè)計(jì)制造技術(shù)的CAD／CAM一體化。

TC4鈦合金的α-β預(yù)制坯與β終鍛相結(jié)合的鍛造工藝，不但能降低設(shè)備噸位、節(jié)約能耗，還能夠利用TC4在β相區(qū)極好的塑性，使復(fù)雜零件成型性好。只要鍛件在β相區(qū)終鍛變形量足夠大，就能達(dá)到細(xì)化晶粒、提高制件的斷裂韌性、高溫抗蠕變性能和高溫疲勞性能的目的。

2、鈦合金等溫鍛造技術(shù)

在鈦合金的熱加工中，加熱溫度至關(guān)重要。溫度越低變形抗力越大，且易產(chǎn)生裂紋等缺陷。同時(shí)對(duì)變形速度也有很大的依賴性，這些都是鍛造中應(yīng)該特別注意的地方。

鈦合金等溫鍛造技術(shù)是一項(xiàng)新的工藝方法，該工藝結(jié)合熱機(jī)械處理能獲得綜合力學(xué)性能最優(yōu)化的鈦合金等溫鍛件，但在模具材料、模具制造和模具加熱裝置等方面的成本投入比常規(guī)鍛造方法要高，因而近年來(lái)大多用于制造航空航天工業(yè)中飛機(jī)的零部件。

寶鋼公司，借助于計(jì)算機(jī)模擬的幫助，采用等溫鍛造技術(shù)，成功地鍛造出了國(guó)內(nèi)最大的TA15鈦合金整體精密框形件，該鍛件的研制成功，標(biāo)志著我國(guó)具備了大型鈦合金鍛件的生產(chǎn)能力，拉近了與先進(jìn)國(guó)家的距離，為研制更大型的鈦合金復(fù)雜精鍛件奠定了良好的基礎(chǔ)。

3、鈦合金超塑性成形技術(shù)

超塑成型技術(shù)被視為解決復(fù)雜、大型或用常規(guī)成型方法難以加工的材料成型的一個(gè)重要途徑，并被譽(yù)為面向21世紀(jì)的成型技術(shù)。這是因?yàn)?，這種技術(shù)能顯著地降低構(gòu)件成本、減輕質(zhì)量、節(jié)約原材料和解決加工困難的問(wèn)題。

目前，鈦合金超塑成形技術(shù)主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，開發(fā)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用將是超塑成形技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。鈦合金超塑性成形技術(shù)的應(yīng)用有：超塑性等溫鍛造、超塑性擠壓、超塑性氣脹、超塑性成形與擴(kuò)散連接結(jié)合技術(shù)、鈦合金超塑性成形模具材料選用研究等。

超塑性成型是鈦合金零部件的最好成形方法，非常適用于制造導(dǎo)彈零部件，如鈦合金導(dǎo)彈外殼、整流罩、容器、梁和框及鈦球等。

目前，開發(fā)出的超塑性鈦合金有：Ti一6Al一4V、Ti一6A1—5V、Ti一6A1—4V一2Ni、Ti一10V-2Fe一3A1等，其中Ti一6A1—4V的使用已較為廣泛。

國(guó)內(nèi)，寶鋼開發(fā)了鈦合金鍛件近凈形技術(shù)——等溫超塑變形工藝的研究。通過(guò)將鍛件毛坯放置在加熱到變形溫度或接近變形溫度的模具中，進(jìn)行較慢速度變形而獲得近凈形尺寸鍛件，這種工藝得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

4、鈦合金的熱處理技術(shù)

對(duì)鈦合金進(jìn)行固溶淬火和時(shí)效強(qiáng)化處理，能獲優(yōu)異工藝性能和使用性能，達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量、延長(zhǎng)使用壽命、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

英國(guó)伯明翰大學(xué)研制開發(fā)了一種陶瓷相轉(zhuǎn)變處理技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)熱處理在一TiA1合金表面形成氧化鋁和二氧化鈦的陶瓷相復(fù)合層。用該技術(shù)制造的γ—TiA1合金發(fā)動(dòng)機(jī)閥?？梢詫⒓羟锌沽μ岣?00倍。利用這種技術(shù)，也可以在TiNi形狀記憶合金表面形TiO陶瓷相復(fù)合層。

五、結(jié)束語(yǔ)

可以預(yù)料鈦材料在21世紀(jì)將會(huì)作為重要的新材料而得到更為廣泛的應(yīng)用。因此，低成本鈦合金和低成本加工方法的研究開發(fā)已勢(shì)在必行，而降低原材料生產(chǎn)成本更是首當(dāng)其沖。我國(guó)作為鈦資源和鈦原料大國(guó)，更應(yīng)大力加強(qiáng)海綿鈦新生產(chǎn)工藝和新型低成本鈦合金的研究與開發(fā)，并努力跟蹤國(guó)外冷床爐精煉技術(shù)、電渣熔煉技術(shù)、連鑄連軋技術(shù)、真空壓鑄技術(shù)、粉末成型技術(shù)等先進(jìn)的制造技術(shù)，大力開發(fā)和研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)大幅度降低鈦合金生產(chǎn)和零件制造成本，為擴(kuò)大鈦合金的應(yīng)用和趕超鈦合金應(yīng)用的世界先進(jìn)水平打下堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

相關(guān)鏈接