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(zhì)并適應這些服役環(huán)境需求是航天產(chǎn)品選擇材料及其成形技術(shù)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(yōu)異等特點(diǎn)，集航天材料所需特質(zhì)于一體，成為了航天領(lǐng)域應用廣泛的關(guān)鍵材料之一［1-6］。從工藝技術(shù)角度出發(fā)，航天領(lǐng)域主流的鈦合金精密成形技術(shù)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(shù)在航空領(lǐng)域的研究進(jìn)展已有大量總結性報道［5-9］，但是航天領(lǐng)域的相關(guān)概述較少。為此，本文從航天領(lǐng)域鈦合金相關(guān)構件的研制角度出發(fā)，對國內外航天用鈦合金及其精密成形技術(shù)的研究現狀進(jìn)行了分類(lèi)與總結，最后結合我國航天工業(yè)的實(shí)際需求，對其未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。

1、航天鈦合金精密成形技術(shù)研究進(jìn)展

1.1鈦合金精密鑄造技術(shù)

鈦合金精密鑄造技術(shù)具有成形精度高、生產(chǎn)周期短、尺寸靈活性好等特點(diǎn)，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(lǐng)域應用廣泛，主要用于葉輪類(lèi)、艙體類(lèi)、機匣類(lèi)產(chǎn)品的研制［12-14］。

目前，國外在中溫中強鈦合金精密鑄造技術(shù)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(kāi)裂傾向高等缺點(diǎn)。我國在鑄造鈦合金材料研發(fā)方面多為仿制國外鑄造鈦合金牌號，其發(fā)展也基本呈現出中溫中強到高溫高強的趨勢，航天領(lǐng)域主流鑄造鈦合金牌號為ZTC4 和 ZTA15，主要用作彈翼類(lèi)、舵面類(lèi)、艙段類(lèi)產(chǎn)品的研制。此外，我國也相繼開(kāi)發(fā)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(lèi)新研發(fā)的鑄造高溫鈦合金存在合金成分復雜、鑄件開(kāi)裂傾向高、焊接困難等問(wèn)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(lǐng)域大型、復雜精密結構以及鈦合金鑄件高性能化的發(fā)展需求，快速推動(dòng)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(shù)新工藝在精密鑄造領(lǐng)域的應用和發(fā)展［17-20］。目前，3D 打印技術(shù)已可實(shí)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?xún)?，代表性廠(chǎng)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(shù)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(guò)程，可有效指導鑄造工藝、提高鑄件精度和質(zhì)量，目前主流的數值模擬軟件廠(chǎng)商有美國 Procast、日本 Soldia、德國 Magma Soft、中國華鑄 CAE 等。在性能改進(jìn)方面，熱等靜壓致密化技術(shù)已被廣泛應用于鑄件后處理過(guò)程中，可使缺陷發(fā)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(xué)性能，但仍需要關(guān)注并解決鑄件在熱等靜壓過(guò)程中組織粗化、相變導致的性能下降以及變形控制的問(wèn)題［12-13］。目前，隨著(zhù)多種工藝技術(shù)的進(jìn)步，鈦合金精密鑄造技術(shù)呈現出了技術(shù)種類(lèi)多元化、交叉化、普適化的發(fā)展趨勢，已可生產(chǎn)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(shù)

鈦合金精密鍛造技術(shù)是常規的近凈成形工藝，目前主要通過(guò)改進(jìn)鍛造工藝來(lái)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(lǐng)域應用廣泛，主要用于氣瓶類(lèi)、貯箱類(lèi)產(chǎn)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(lèi)構件，在大力神Ⅲ過(guò)渡級發(fā)動(dòng)機得到了應用。俄羅斯采用精密鍛造生產(chǎn)的 OT4-1、BT5-1燃料貯箱已成功應用到進(jìn)步號探測器上，日本采用精密鍛造工藝生產(chǎn)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(lǐng)域鈦合金精密鍛造技術(shù)主要涉及TC4ELI、TA7ELI、TC4、TC11等牌號，目前多用于壓力容器類(lèi)、輕質(zhì)高強承力結構件的研制［25-26］。其中，鈦合金氣瓶類(lèi)構件的精密鍛造技術(shù)在我國航天領(lǐng)域已得到了廣泛應用，主要朝著(zhù)大尺寸、大變形量、高成形精度、高成形性的方向發(fā)展，目前已迅速接近或達到國際先進(jìn)水平［27］。例如，我國采用精密模鍛技術(shù)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(shù)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(guò)程易控制、質(zhì)量可靠性高、成形精度高等優(yōu)勢。

1.3鈦合金超塑成形技術(shù)

超塑成形技術(shù)由于具有成形精度高、近無(wú)回彈、無(wú)殘余應力等優(yōu)勢，目前已成為了推動(dòng)航天鈦合金構件設計概念發(fā)展的開(kāi)創(chuàng )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(lǐng)域已經(jīng)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(fā)歷程，目前已形成了多種超塑專(zhuān)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(shí)現了 TC4 鈦合金超塑用細晶板材的工業(yè)化生產(chǎn)，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(xué)性能差異可控制在 50 MPa 以?xún)龋?9］。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(yōu)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(lǐng)域具有廣闊的應用前景［29，33］。此外，在其他先進(jìn)超塑鈦合金材料研制方面，我國相繼開(kāi)發(fā)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(jìn)超塑鈦合金材料研發(fā)領(lǐng)域已著(zhù)手開(kāi)展了大量工作，目前已突破了國外對我國高質(zhì) 量超塑用鈦合金板材的技術(shù)封鎖與限制［29-30，34］。

在鈦合金超塑成形工藝技術(shù)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(chǎn)能力，使超塑成形技術(shù)的研究熱點(diǎn)逐漸由材料研發(fā)轉向實(shí)際工程應用［24，35-36］。例如，美國利用超塑成形技術(shù)成功研制了150 mm直徑的Ti-6Al-4V鈦合金推進(jìn)劑貯箱，可實(shí)現降低成本60%，結構質(zhì)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(lǐng)域已突破單層脹形控壁厚技術(shù)、SPF/DB 空心構件成形技術(shù)以及大型三層/四層空腔翼板成形技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，在我國航天領(lǐng)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(lèi)產(chǎn)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(shù)成功研制出 TC4 鈦合金環(huán)形氣瓶［圖 3（a）］，其半環(huán)毛坯壁厚在環(huán)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(huán)產(chǎn)品外，航天材料及工藝研究所亦開(kāi)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(fā)動(dòng)機噴管（外形及壁厚尺寸精度可達±0. 2 mm，并實(shí)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(shù)

旋壓成形技術(shù)結合了鍛造、擠壓、拉伸、彎曲、環(huán)軋等工藝優(yōu)勢并可實(shí)現少無(wú)切削加工，能夠滿(mǎn)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(zhì)精密、高可靠的服役需求，在航天領(lǐng)域特別適用于殼體類(lèi)、壓力容器類(lèi)、封頭、噴管延伸段等產(chǎn)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(shù)已突破了大型薄壁構件精密化、無(wú)模低成本快速旋壓、軋-旋/擠-旋/鍛-旋連續復合成形等先進(jìn)技術(shù)，使鈦合金精密旋壓技術(shù)在航天領(lǐng)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(jìn)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(wú)模旋壓技術(shù)成功研制了直徑 1. 2 m 量級的 Ti-6Al-4V 鈦合金封頭，實(shí)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(wù)艙貯箱封頭的制造［圖 4（b）］。我國在鈦合金旋壓技術(shù)領(lǐng)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(fā)動(dòng)機外殼、噴管、蒙皮、筒形件等［38，40，45］。例如，哈爾濱工業(yè)大學(xué)利用有限元模擬技術(shù)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(chē)輪圈［圖 4（c）］［46］。航天材料及工藝研究所通過(guò)開(kāi)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(shù)，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(dòng)力機械廠(chǎng)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(huán)形內膽［47］。

鈦合金精密旋壓技術(shù)雖然已經(jīng)在我國航天領(lǐng)域得到較為廣泛的應用，但是受溫度場(chǎng)均勻性、回彈效應、擴散效應、料模尺寸匹配性等關(guān)鍵技術(shù)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(shù)處于起步階段，連續復合成形技術(shù)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(shí)現批量性應用，需著(zhù)重開(kāi)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(shù)研究［44-45，48］。

1.5鈦合金熱等靜壓粉末冶金技術(shù)

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

隨著(zhù)鈦合金熔煉技術(shù)、致密化變形精度控制技術(shù)、先進(jìn)制粉技術(shù)、有限元分析技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的突破，國外目前已實(shí)現了鈦合金HIP粉末冶金技術(shù)在航天領(lǐng)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(jìn)技術(shù)，成功研制出火箭發(fā)動(dòng)機鈦合金殼體、閥體等構件，已在航天領(lǐng)域得到應用并實(shí)現了大批量市場(chǎng)化供貨［圖5（c）］［51］。

英國伯明翰大學(xué)研制的鈦合金發(fā)動(dòng)機機匣成功實(shí)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(chǎn)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(shí)現最終產(chǎn)品的研制［圖5（d）］。

隨著(zhù)多年的技術(shù)發(fā)展，我國目前已具備航天領(lǐng)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(chǎn)品主要有舵翼類(lèi)、艙體類(lèi)、異形曲面類(lèi)以及機匣類(lèi)等構件，可以很好地滿(mǎn)足航天領(lǐng)域的任務(wù)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(zhì)鈦合金粉末研制技術(shù)、粉末冶金構件變形控制技術(shù)、大型復雜結構件的制備技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，并實(shí)現了鈦合金 HIP 粉末冶金關(guān)鍵產(chǎn)品的研制和工程化批量生產(chǎn)［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(xué)性能與鍛件持平，材料利用率可達70%以上，并且可實(shí)現減重15%以上的目標，滿(mǎn)足了飛行器對輕質(zhì)高強、高耐溫結構件的需求。此外，通過(guò)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(guò)全面考核，有效地支撐了我國航天型號的發(fā)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?xún)?，材料利用率?0%，可實(shí)現整體成形，其加工周期可由6個(gè)月縮短至1個(gè)月，大幅提高了生產(chǎn)效率且性能超過(guò)鍛件水平。此外還研制了Ti3Al發(fā)動(dòng)機延伸段［圖6（d）］以及TA15發(fā)動(dòng)機噴管［圖6（e）］。

隨著(zhù)航天型號的發(fā)展，我國目前鈦合金HIP粉末冶金技術(shù)不僅可以研制出復雜程度高的產(chǎn)品，并且已實(shí)現了工程化應用。但是與國外先進(jìn)技術(shù)相比，我國在耐600 ℃以上高溫鈦合金粉末冶金技術(shù)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(guān)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(chǎn)過(guò)程中芯?？焖偃コ夹g(shù)缺乏、流程長(cháng)，且可重復使用率低、生產(chǎn)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(shù)在航天領(lǐng)域中的發(fā)展方向

針對我國未來(lái)航天領(lǐng)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(shù)指標，應進(jìn)一步推動(dòng)以鈦合金為代表的新材料、新工藝的應用發(fā)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(shù)是未來(lái)制造不可或缺的關(guān)鍵性選擇。

（1）在 低 溫 環(huán) 境 應 用 領(lǐng) 域 ，需 著(zhù) 重 關(guān) 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(shù)的發(fā)展，以滿(mǎn)足管路類(lèi)、氣瓶類(lèi)、葉輪類(lèi)結構件的使用需求。

（2）在高溫環(huán)境應用方面，需重點(diǎn)關(guān)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(shù)的發(fā)展及工程化應用推廣，以滿(mǎn)足舵翼類(lèi)、復雜進(jìn)氣道類(lèi)、噴管類(lèi)、防/隔熱結構件類(lèi)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(zhù)重推進(jìn) 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(shù)的工程化應用推廣工作。

3、結語(yǔ)

材料和制造技術(shù)是航天領(lǐng)域發(fā)展的基礎，為推動(dòng)鈦合金及其精密成形技術(shù)在我國航天領(lǐng)域的應用并縮短與國外先進(jìn)水平的差距，需重點(diǎn)關(guān)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(zhì)、薄壁、復雜鈦合金構件精密成形技術(shù)的協(xié)同發(fā)展，提高我國鈦合金構件成形工藝成熟度、精密度以及產(chǎn)品合格率，控制并降低研制成本，縮短生產(chǎn)周期，未來(lái)我國先進(jìn)鈦合金材料的研發(fā)以及精密成形技術(shù)的進(jìn)步必將迎來(lái)飛躍式發(fā)展。

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