鈦與鈦合金被稱為“未來金屬”“第三種金屬”“海洋金屬”等等。鈦合金發(fā)展以來受到多國(guó)高度重視。自進(jìn)入 21 世紀(jì)，我國(guó)航空航天科技事業(yè)發(fā)展空前，這樣的成就離不開高能研究團(tuán)體和先進(jìn)系統(tǒng)的支持，而這些都是基礎(chǔ)性但又不可或缺的金屬材料所促成的。其中，鈦?zhàn)鳛橐环N輕質(zhì)金屬，被廣泛應(yīng)用于制造飛機(jī)、輪船和工業(yè)生產(chǎn)中。近幾年，鈦合金被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、加固部位、燃燒室、噴口以及渦輪盤等關(guān)鍵零部件。鈦及鈦合金被贊譽(yù)為現(xiàn)代的“新式金屬”。雖然鈦合金作為一種具有發(fā)展意義的金屬材料已廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域的制造，但是由于提取和加工成本較高，鈦合金依舊不能滿足我國(guó)建設(shè)需求。

1、 鈦合金定義

鈦是一種化學(xué)元素，外觀為銀灰色。由于其自身分散、提取困難，成為自然界中的稀有金屬元素。主要分布于地殼和特定巖石圈層中。目前提取鈦元素的方法主要有克羅爾法和亨特法。鈦合金的結(jié)構(gòu)原理 ：鈦合金主要以鈦為基礎(chǔ)性元素，混合其他元素形成合金。

鈦包含兩種同質(zhì)異金屬，分別為 882℃以下的密排六方 ɑ 鈦和882℃以上的體心立方 β 鈦。鈦合金依據(jù)它們對(duì)不同溫度的影響可分為以下三類 ：

第一類是穩(wěn)定 α 相，穩(wěn)定元素有鋁、錳，水合物等。第二類是穩(wěn)定 β 相，降低相互轉(zhuǎn)變溫度，穩(wěn)定元素有鉬、釩（同晶型）和銅、鐵、硅等（共析型）。第三類是對(duì)相變溫度影響不大的中性元素，如錫、鋯等。

2、 鈦合金超塑性發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)展開鈦合金超塑性成形工藝研究已經(jīng)有 20 多年的歷史，超塑性的鈦材已經(jīng)被劃入到了重點(diǎn)的扶持新材料的品種行列之中。我國(guó)先后研究出了多種超塑性鈦合金被批量應(yīng)用到飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)之中。現(xiàn)階段，我們國(guó)家在發(fā)展飛機(jī)超塑性鈦合金結(jié)構(gòu)的綜合性能方面達(dá)到了世界的先進(jìn)水平。但是，在綜合化的穩(wěn)定成熟使用推廣層面，依舊存在著一個(gè)較為漫長(zhǎng)的過程。例如，在大規(guī)模性的超塑性零件批量化制造、核考驗(yàn)證、應(yīng)用以及配套的設(shè)施和使用，都是需要加大提升成熟力度的。另外，在高端的超塑性鈦合金領(lǐng)域，我們國(guó)家在超塑性鈦合金的材料回收再利用方面以及利用率和低成本的提升方面依舊落后于美國(guó)等發(fā)達(dá)的國(guó)家。因此，需要對(duì)鈦合金超塑工藝技術(shù)進(jìn)行探索和長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃。

3、 鈦合金超塑性

3.1 鈦合金超塑性研發(fā)背景

鈦合金的超塑性技術(shù)主要是利用其在超塑性狀態(tài)下的良好形變能力而衍生出來的一種新型加工工藝。當(dāng)前，在航天航空、船艇、導(dǎo)彈以及汽修等制造業(yè)上使用的都是鈦合金的金屬材料。鈦合金擁有著強(qiáng)度大、比重輕、耐腐蝕性優(yōu)等特性。但是，它的彈性模量非常低，使用傳統(tǒng)的形變手段是很難制造出形狀各異且符合現(xiàn)代化多種多樣生產(chǎn)需求的零部件。在此基礎(chǔ)之下，為了解決這一大難題，相關(guān)專家經(jīng)過多年的研發(fā)制造出了超塑性鈦合金金屬。穩(wěn)固 α 相、提升相互變換溫度的元素為 α 穩(wěn)定的元素，例如有鋁、氧氣、氮?dú)庖约疤嫉鹊取Ｔ阝伜辖鹬校饕幕旌辖饘僭貫殇X。這種金屬元素對(duì)于鈦合金的溫度、強(qiáng)度以及彈性方面都是有著提升作用的。

3.2 鈦合金超塑性概念

鈦合金超塑性意為在材料的內(nèi)外部條件的基礎(chǔ)之下，呈現(xiàn)出一種反常規(guī)、較低的流變抗力、反常規(guī)的高流變性能的現(xiàn)象。

依據(jù)鈦合金金屬材料自身的結(jié)構(gòu)性和形變條件，鈦合金超塑性可以被劃分為三大類。其中一類是微晶超塑性合金，這種超合金形成超塑性的前提條件為 ：其形變的溫度要高（其熔點(diǎn)大致為絕對(duì)溫度的 0.4 ～ 0.7 倍之間）；形變的速度要低，材料的晶體結(jié)構(gòu)應(yīng)該為細(xì)微的晶粒。第二類為相變超塑性合金，又稱轉(zhuǎn)變超塑性（變態(tài)超塑性），這一類的超塑性，與前一類不同，它不要求材料中需要有細(xì)微的晶粒，它需要的是在一定的恒溫負(fù)荷條件之下，通過多次循環(huán)性的相變來獲得較大的擴(kuò)展。第三類的超塑性（其他超塑性）：在應(yīng)力退火的階段中，在應(yīng)力的作用之下得到的超塑性。鈦合金擁有較大的活躍性和延伸能力，所以自身擁有超高的塑性、較低的流動(dòng)應(yīng)力。

3.3 鈦合金超塑性成形的特點(diǎn)

根據(jù)鈦合金超塑性在宏觀方面變形的特點(diǎn)，它具有大變形、易成形、無縮頸、少應(yīng)力等特點(diǎn)。

3.3.1 大變形

超塑性材料在單方面的拉伸環(huán)節(jié)中 δ 值非常高。據(jù)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，其最高可高達(dá) 5000%。從側(cè)面證明了鈦合金超塑性在變形穩(wěn)定方面比普通鈦合金材料更強(qiáng)。鈦合金超塑性使得鈦合金材料的成形性能加強(qiáng)，讓制造復(fù)雜的鈦合金金屬零件成為可能。現(xiàn)在一些家用電器制造件中使用鈦合金超塑性成形的零部件。除此之外，在人造衛(wèi)星上的燃料箱制造中，也廣泛應(yīng)用鈦合金超塑性金屬。

3.3.2 易成形

鈦合金超塑性在形變的過程中出現(xiàn)應(yīng)變硬化的幾率非常小。

因此，可進(jìn)行輕松的壓力加工。鈦合金超塑性金屬的填充和流動(dòng)性優(yōu)化，可在多種形式下進(jìn)行各種類型的零部件加工，使產(chǎn)品質(zhì)量有保障。

3.3.3 無縮頸

普通的鈦合金金屬在拉伸形變的過程中，產(chǎn)生初期的縮頸后，由于應(yīng)力的集中導(dǎo)致縮頸進(jìn)一步發(fā)展，出現(xiàn)提早斷裂的現(xiàn)象。失敗的樣品會(huì)遺留下非常明顯的宏觀縮頸。而鈦合金超塑性材料的形變等同于黏性物質(zhì)流動(dòng)的特性。雖然沒有或很少有應(yīng)力硬化效應(yīng)，但形變速率極其敏感。形變速率加大時(shí)，金屬材料的硬化效應(yīng)會(huì)增強(qiáng)。因此，鈦合金超塑性金屬材料在形變的最初階段會(huì)出現(xiàn)縮頸。在縮頸位置形變速度改變時(shí)，對(duì)局部位置進(jìn)行強(qiáng)化。剩余未被強(qiáng)化的部分將繼續(xù)進(jìn)行形變。在此基礎(chǔ)上，縮頸得以傳播，從而獲得形變均勻的結(jié)果。

3.3.4 少應(yīng)力

鈦合金超塑性金屬材料在形變過程中，其形變抵抗力很小，具有良好的粘性和半黏性特性。在一般情況下，流動(dòng)應(yīng)力代表形變抵抗力的大小。在最佳形變條件下，流動(dòng)應(yīng)力 ɑ 可以比特定形變縮小至幾分之一，甚至十分之一。這將使材料成本降低，達(dá)到最優(yōu)化的局面。

4、 鈦合金超塑性工藝分類

依據(jù)鈦合金超塑性的概念化文字中可以知曉，鈦合金金屬在超塑性變形的情形之下，不同的溫度、速率以及應(yīng)力效果對(duì)于金屬變形都是有著本質(zhì)的變化，參考當(dāng)前存在的各國(guó)學(xué)者研究出來的可靠結(jié)論，依照實(shí)現(xiàn)鈦合金超塑性工藝的成功因素和條件，現(xiàn)階段可以將鈦合金的超塑性劃分為以下幾個(gè)大類。

4.1 組合超塑性

組合超塑性即恒溫（結(jié)構(gòu)）性鈦合金超塑性，這種類型的超塑性也是現(xiàn)今我國(guó)對(duì)其研究最深最多最廣的一類。制作上，鈦合金的超塑性工藝也多指這一種，這種鈦合金超塑性工藝展開制作的 ɑ 還要保證這種晶粒要熱穩(wěn)定性能優(yōu)，在高溫下具備恒定的展示狀態(tài) ；其次，該超塑性的工藝要把控金屬變形的溫度，該變形的溫度要在 0.5Tm 以上（Tm 是熔點(diǎn)的絕對(duì)性溫度），并且還要恒定控制金屬在變形過程時(shí)的溫度 ；最后，應(yīng)變速率應(yīng)該依照情況相對(duì)降低，常規(guī)下，以普通性的鈦合金屬為例，在拉伸的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，應(yīng)變的速率至少得降一個(gè)數(shù)量級(jí)。

4.2 相變超塑性

相變超塑性又稱變溫超塑性和動(dòng)態(tài)超塑性，這一類的鈦合金超塑性工藝對(duì)于細(xì)微晶粒材料的要求較為寬松，這種工藝關(guān)注在特定的溫度以及負(fù)荷條件下，通過多次的循環(huán)相變與同素異形轉(zhuǎn)變后得出來的延伸率數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行開展的核心條件應(yīng)具備固態(tài)相變的特點(diǎn)，在外載荷體的作用條件下，能夠在相變的溫度中進(jìn)行上下的循環(huán)加熱與冷卻工作，這樣就可以實(shí)現(xiàn)鈦合金金屬組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，使得鈦合金金屬在劇烈的運(yùn)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)自身的超塑性。在工藝的進(jìn)行中可能影響的因素有應(yīng)變的速度、加熱溫度的最高點(diǎn)和熱幅度循環(huán)速度以及溫度的循環(huán)次數(shù)等等，另外由于相變超塑性是在相變的溫度基礎(chǔ)上進(jìn)行升降溫的實(shí)驗(yàn)，所以溫度、速率以及次數(shù)都是影響該工藝精確度的重要性因素。

4.3 其它超塑性

其它超塑性是一種以普通鈦合金金屬作為基礎(chǔ)，在特定條件下能迅速實(shí)現(xiàn)超塑性變形的工藝。例如，在熱軋?zhí)间撹F棒迅速加熱環(huán)節(jié)中能夠延伸到 α+β 的這兩個(gè)相區(qū)，保溫區(qū)間維持在5s ～ 10s 之間，在拉伸的環(huán)節(jié)中，其延伸率可達(dá) 100% ～ 300%。

以上情形被稱之為短暫超塑性，能在結(jié)晶和組織轉(zhuǎn)變等不太穩(wěn)定的情形下，產(chǎn)生等軸微小晶粒體，且在短暫時(shí)間內(nèi)，通過足夠外力加持，形成鈦合金超塑性變形。

5、 鈦合金超塑性現(xiàn)實(shí)應(yīng)用

5.1 TC4 超塑性鈦合金

鈦合金具有良好的超塑性，其中 TC4（Ti-6Al-4V）鈦合金的超塑性能是市場(chǎng)認(rèn)為發(fā)展前景最好的合金金屬。這種鈦合金的超塑性工藝在研發(fā)和應(yīng)用層面已經(jīng)迅速發(fā)展，收到了較好的經(jīng)濟(jì)效益。TC4 和其他鈦合金相比，具有最佳的超塑性能和較成熟的應(yīng)用方面。此外，TC4 鈦合金還具有適宜的適應(yīng)強(qiáng)度，在中高溫度范圍內(nèi)具有良好的蠕變抗力，熱能的定量化和較強(qiáng)的抗疲勞性，并符合市場(chǎng)的化學(xué)腐蝕性能要求。特別是適用于制造溫度范圍較寬的金屬零部件，特別是設(shè)計(jì)為金屬部件的損傷容限規(guī)則。

5.2 TC4ELI 超塑性鈦合金

TC4ELI 鈦合金是 TC4 鈦合金的改良版型，它們之間的不同主要是之間存在著不同的 Al、Fe、O、H 等元素的含量。TC4ELI鈦合金具有相容性強(qiáng)、彈性模量小、密度小、抗腐蝕性能優(yōu)越、環(huán)保無毒、屈服強(qiáng)度高、抗疲勞、塑性較強(qiáng)、易形變等特點(diǎn)，這種鈦合金是醫(yī)用外科植入的理想型金屬材料。醫(yī)用的 TC4ELI 鈦合金主要使用于顱骨的修復(fù)、接骨等層面。醫(yī)用的設(shè)備制造在人體內(nèi)因?yàn)橥鈧⒛[瘤等造成的涉及到骨頭、關(guān)節(jié)等部位的損傷時(shí)，通過使用鈦或者是鈦合金制作的人工性關(guān)節(jié)、接骨板以及螺絲等一些細(xì)小的零部件以及其它的一些方面，例如，踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、指尖關(guān)節(jié)、人工心臟以及鈦網(wǎng)層面等等都被應(yīng)用了 TC4ELI 鈦合金。

5.3 SP700 超塑性鈦合金

SP700 是一種新型的以 β 相為主的 α+β 類型的超塑性鈦合金金屬，它主要是在 Ti-6Al-4V 的鈦合金成分的基點(diǎn)下增添了能夠讓 β 穩(wěn)定性的化學(xué)元素錳和鐵，以此來降低 β 相互轉(zhuǎn)變的溫度熱量，SP700 鈦合金中 β 的轉(zhuǎn)換溫度為 1173K，比 Ti-6Al-4V 鈦合金的溫度減少了將近 100K，其中它的超塑性溫度也隨之降低，很好的完善了鈦合金冷與熱之間存在的加工性能，提升了鈦合金的超塑性能、可淬性能以及抗勞性等層面。基于 SP700 鈦合金自身具有的優(yōu)質(zhì)機(jī)械特性、超塑性能，所以此鈦合金成為了外國(guó)航空航天制造業(yè)中十分受歡迎的鍛造材料之一，并且以 SP700 鈦合金制造出來的鈦合金薄板應(yīng)用甚廣，它還可以通過超塑成形與擴(kuò)散連接相結(jié)合技術(shù)來制造生產(chǎn)出飛機(jī)的機(jī)艙門、隔板、導(dǎo)風(fēng)管、殼體以及其它類型的復(fù)雜性零部件，在整體的制造方面很好的減少了連接部件的數(shù)量，達(dá)到了制造過程中整體化構(gòu)建設(shè)計(jì)的需求，增強(qiáng)了部件結(jié)構(gòu)的抗勞性與可靠性，減重效果也是卓有成效。近幾年，SP700 鈦合金的市場(chǎng)也擴(kuò)展到了運(yùn)輸設(shè)備領(lǐng)域內(nèi)，占據(jù)著一定的市場(chǎng)份額。

6 、鈦合金超塑性應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)意義

6.1 有利于零部件的特殊化形成

鈦合金金屬材料在超塑性的制造過程中易于流動(dòng)，且填充性優(yōu)良，使得原來難以填充的區(qū)域在超塑性工藝的加持下得以解決，填滿的難度瞬間拉滿，在免除切削工藝基礎(chǔ)上，有利于杜絕浪費(fèi)，加工費(fèi)用得以節(jié)約。

6.2 有利于動(dòng)力的節(jié)省

該鈦合金超塑性金屬自身擁有著超強(qiáng)的塑造性和較低的強(qiáng)硬度。即強(qiáng)硬度數(shù)值恒定情況下可以維持在 0.7 千克力 /mm²，所以后期能夠在一般性質(zhì)的金屬材料加工和一定數(shù)量級(jí)的載荷下的過程中進(jìn)行超塑性的流動(dòng)工作，此過程中它的動(dòng)力性將被大大的節(jié)省，從而達(dá)到最優(yōu)值。

6.3 有利于加工工序的減化

普通的形變加工方法是需要通過多種的工序步驟才可以制作出金屬零部件，但是鈦合金采用超塑性工藝進(jìn)行零部件的多類型成形則只需要一種工序即可完成，在加工的過程中也不需要多余的切削工藝介入，所以有利于制作公費(fèi)的節(jié)省和預(yù)防材料的浪費(fèi)。

7 、鈦合金超塑性研究的意義

鈦合金自身在現(xiàn)階段是眾多國(guó)家發(fā)展所不可或缺的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)性金屬材料。憑借優(yōu)良的特性，鈦合金在航空航天、船舶制造以及氣化工業(yè)中都占據(jù)了一定的市場(chǎng)地位。鈦合金的超塑性成形具有形變壓力低、可變性大以及精確度高等眾多優(yōu)點(diǎn)。研究鈦合金超塑性工藝不僅可以擴(kuò)展此工藝的知識(shí)面，而且可以為攻克鈦合金超塑性加工過程中的難點(diǎn)提供解決思路和依據(jù)，當(dāng)前鈦合金的超塑性工藝應(yīng)用已擴(kuò)展到航空航天和氣工業(yè)，并挖掘其在其他領(lǐng)域的應(yīng)用是不可避免的發(fā)展趨勢(shì)。此外，對(duì)其他金屬進(jìn)行超塑性研究，可以提供制造思路和依據(jù)，這對(duì)制造業(yè)以及國(guó)家的發(fā)展都具有強(qiáng)大的可持續(xù)發(fā)展意義。這對(duì)客觀上加強(qiáng)我國(guó)國(guó)防也有利，即在經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家安全上都具有較強(qiáng)的可持續(xù)發(fā)展前景。

8 、結(jié)語

綜上所述，伴隨著時(shí)代的發(fā)展和科技的進(jìn)步，鈦合金材料通過它自身的優(yōu)越性讓世界各國(guó)都看到了它的應(yīng)用價(jià)值。鈦合金的超塑性工藝延伸了它的被利用的價(jià)值，是鈦合金進(jìn)行可持續(xù)發(fā)展的重要工藝技術(shù)。盡管，當(dāng)前我國(guó)在鈦合金的研發(fā)階段依舊存在著諸多的難題，但我國(guó)豐富的鈦資源將會(huì)為鈦的發(fā)展作出重要的貢獻(xiàn)。鈦合金終究會(huì)在我國(guó)開辟出美好的前景。

（作者單位 ：1. 沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司 ；2. 空軍裝備部駐沈陽地區(qū)第一軍事代表室）