摘要：鈦合金具有密度低、比強度高、高溫力學性能、生物相容性及耐蝕性優異等突出特點，在航空、航天、船舶、海洋、石化和生物醫學工程等領域得到廣泛應用。本文對鈦合金的發展歷史、組織性能和制備方法等進行了總結。主要介紹了真空自耗爐熔煉、激光快速成形技術制備鈦合金。激光快速成型技術尤其獨特的優點，如晶粒細小、成分均勻、組織致密的獨特快速凝固組織、綜合力學性能優異；零件的材料利用率高等。

關鍵詞：鈦合金；真空自耗熔煉；激光成

鈦是五十年代興起的一種重要結構金屬，同其它結構金屬相比，它具有兩個顯著的優點：比強度高和耐腐蝕性能好。鈦還具有韌性好、熔點高、熱膨脹系數低及耐生物侵蝕等，在航空、航天、和生物醫學工程等領域得到廣泛應用。但是用常規方法生產的鈦合金的強度和使用溫度與先進的飛機、火箭等飛行器的要求相比還存在較大差距。快速凝固技術的應用可以有效地提高常規鈦合金的性能，并為研制新型鈦合金創造了條件。

從70年代末期開始，在一般快速凝固技術的基礎上對設備和工藝參數做了一些改進，研究出一些適用于鈦合金生產的快速凝固方法和設備。金屬材料激光表面重熔處理是實現快速凝固的基本方法之一，由于其獨特的“無界面熱阻”自淬火快速熱傳導作用，激光表面重熔也是迄今為止能實現冷速最快的方法之一。因此激光表面重熔作為快速凝固理論研究的基本手段和提高零件表面性能的主要方法得到廣泛應用。

1鈦合金的組織性能

鈦具有兩種同素異晶體，分別為a和β來表示。熔點為1720℃，在882℃以上時呈體心立方晶格結構，稱為B鈦；在低于882℃時呈密排六方結構，稱為d鈦。鈦的導熱性較差，其導熱系數比不銹鋼略低。鈦的純度對其導熱性的影響較大。當鈦中存在雜質時，其導熱系數則有所下降。純鈦在25℃的比熱容為527.5J/（kg.℃），隨溫度提高，鈦的比熱容也逐步增加。

鈦及大多數鈦合金的密度約為4.5/cm3，介于鋁和鋼之間。高強度鈦合金的強度極限可達到1470MPa以上，比強度約為33。對于鋼來說，要達到這樣高的比強度，則需要具有2500-2600MPa的強度極限。然而，制造和在結構中使用這樣的鋼，制備成形工藝上是十分困難的；即使鋼的強度還能提高，銹蝕也是一個很大的缺點，嚴重影響其應用。高強度不銹鋼不僅熱處理工藝復雜，且在許多情況下耐蝕性仍不足。

2國外鈦合金的研究進展

2.1BT37合金宇航用鈦合金。由于大型航空發動機壓氣機對工作300-350℃用材的需要，俄羅斯的全俄輕金屬研究院研究了同時添加錫和鋯來改善BT22鈦合金的強度和高溫蠕變性能，研制出了性能優于BT22的一種新的航空用鈦合金。新合金的名義化學成分為：Ti-5M-5Mo-5V-1Fe-1Cr-1.7Sn-2.5Zr，被賦予正式牌號BT37。用BT37合金來取代傳統的BT3-1、BT6熱強鈦合金來制造在300-350℃工作的壓氣機大尺寸盤和葉片，可使重量減輕20 25%。

2.2Timetal5111船用鈦合金。美國Timer公司與美國海軍聯合開發了一種具有強度適中韌性高焊接性能好的近a鈦合金，命名為Timet-a15111，其名義化學成分為：Ti-5M-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si該合金的突出特點是具有良好的斷裂韌性及抗應力腐蝕性能，同時又具有良好的室溫蠕變性能。其沖擊韌性約為.Ti-6M-4V的3倍，并且易焊接，可以進行大規格型材的焊接，主要用于艦船制造和海洋工程。

2.3生物用鈦合金。最新開發的生物鈦合金主要有：Ti-5A1-3Mo-4Zr、Ti-6A1-7Nb、Ti-13Nb-13Zr、Ti-35Zr-10Nb、Ti-16Nb-10Hf、Ti-35.3Nb-5.1Ta一-.1Zr等。為了減少或消除A1、V元素的不利影響開發了一系列生物用新型鈦合金，其中Ti-12Mo-6Zr-2Fe是一種亞穩態合金，與Ti-6A1-4V合金相比，該合金具有較高的強度、斷裂韌性，較好的耐磨性，優秀的耐蝕性和較低的彈性模量，適合用于矯形器件。用zr、Nb、Ta、Pd和sn作為合金元素來改善鈦合金力學性能、耐蝕性和生物相容性是開發生物鈦合金的主要途徑。如開發出的Ti-15Mo-5Zr-3A1（時效態）及Ti-15Sn-4Nb-2Ta-0.2Pd（時效態）的強度較高；Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金的耐磨性和力學性能都接近于Ti-6Al-4合金，且彈性模量更接近于人體骨骼。

2.4汽車用鈦鋁合金。日本大同鋼鐵公司研制成一種新型鈦鋁合金，將它應用于制造汽車發動機的排氣閥，可大大改善發動機的性能。這種新型鈦鋁合金的成分為稱33.5A1-1Nb-0.5Cr-0.5Si（wt%），其中加入Nb和si是為了提高抗氧化性能及抗蠕變性能。將用這種新型鈦鋁合金制成的排氣閥裝在汽油發動機上，以每分鐘6400轉的速度運轉150小時后的試車結果表明，該閥門由磨損和氧化所造成的損耗很小。在另外一種不增壓發動機上的試車結果表明，在很短時間內，發動機轉速就高達每分鐘13000轉，最大突變轉速可提高到每分鐘14000轉。

2.5高強鈦合金。俄羅斯研制的VST5553（Ti-5A1-5Mo-5V-3Cr）作為高強近B鈦合金可替代BT22和Ti-1023鐵合金大量使用在飛機的起落架上，該合金的淬透性更好，俄羅斯的VSMPO聯合體分別用B鍛和a+B鍛制造了該合金的大型鍛件。另外俄羅斯研制的VST3553（Ti-3M5-Mo-5V-3Cr）是用于緊固件用鈦合金，其強度和加工性能均優于Ti-64。

2.6阻燃鈦合金。

AlloyC（Ti-35VTi-15Cr）是美國研制的一種高穩定化的阻燃鈦合金，該合金具有良好的阻燃性能和力學性能，已在F22飛機的F119發動機中得到實際應用。

3鈦合金的制備方法

3.1真空白耗電弧爐熔煉。目前生產鈦及其合金鑄錠的主要方法依然是真空白耗電弧爐熔煉（VAR），它可以成功的熔煉易偏析和高活性的金屬材料。其實質是自耗電極作負極，銅坩堝作正極，在真空或惰性氣氛中，將已知化學成分的自耗電極在電弧高溫加熱下迅速熔化，形成熔池并受到攪拌，一些易揮發雜質將加速擴散到熔池表面被去除，合金的化學成分經攪拌可達到充分均勻。

VAR技術的優點是熔煉速度快，可生產大型鑄錠，可滿足一般工業要求，能去除氫等氣體；能降低高蒸氣微量元素的含量；可得到從下向上的近定向凝固柱狀晶；降低宏觀偏析和微觀偏析。隨著科學技術的進步，技術不斷完善，通過運用先進的技術生產出了大規模低偏析高質量的鑄錠。

VAR技術還存在著一些不足，如熔煉易偏析合金元素較多的鈦合金時，仍然會出現宏觀和微觀偏析；化學成分均勻性差；容易產生組織缺陷；制造電極、破碎料增加成本等。雖然通過改進新工藝生產出了高質量的鈦合金，但是提高了生產成本。另外該工藝回收廢料困難，生產的鑄錠發生夾雜的頻率很高，因而限制了它在熔煉高質量合金中的應用。現在，自耗電極電弧爐多用來重熔鑄錠這在一定程度上克服了上述缺點，可生產致密無缺陷成分均勻具有所要求的化學成分尺寸和晶粒結構鑄錠。

3.2激光快速成形技術。高性能金屬結構件激光熔化沉積“近凈成形”制造技術，利用快速原型制造的基本原理，以金屬粉末（或絲材）為原材料，通過高能激光束對金屬原材料的逐層熔化堆積，直接由零件CAD模型一步完成全致密、高性能、大型復雜金屬零件的“近終成形”制造，是一種具有“變革性”意義的數字化、短周期、低成本、先進“近凈成形”制造新技術，在航空、航天等國防裝備研制與生產中具有廣闊的應用前景，與傳統制造技術相比，具有以下突出優點：

（1）無需零件毛坯制備和鍛壓模具加工、無需大型或超大型鍛鑄工業裝備及其相關配套設施；

（2）零件具有晶粒細小、成分均勻、組織致密的獨特快速凝固組織、綜合力學性能優異；

（3）零件的材料利用率高，制造成本低、生產制造周期短；

（4）工藝與設備簡單、工序少而短、具有高度柔性與“超常”快速反應能力；

（5）可以方便地實現包括w、Mo、Nb、Ta等各種難熔及Ti、zr等各種高活性高性能金屬材料零件的材料制備和零件直接“近凈成形”：

（6）可根據零件的工作條件和性能要求，實現多材料梯度復合高性能金屬的直接近凈成形制造；

（7）具有對構件設計與批量變化的高度柔性與快速反應能力。激光快速成形技術的獨特優點，為克服大型鈦合金結構件上述制造技術缺點提供了一條新途徑，也由于鈦合金結構件激光快速成形技術對先進國防裝備研制與生產的重要性和廣泛實用性美國等西方工業及軍事強國對其十分重視。

4結論

綜上所述，鈦合金因其優良的性能在航空工業有著廣泛的應用前景。目前，世界先進戰斗機的鈦用量在20%以上，民用客機用鈦量在10以上。美國F-22，鈦合金用量已占機體總重量的41%，應用部位：隔框、主翼梁、后梁、水平尾翼轉軸等，使用的主要鈦合金材料為Ti-6M-4V，還有一些結構件使用了Ti-62222S，如機身隔框Ti-6A1-4V鈦合金模鍛件和后機身發動機機艙框架Ti-6A1-4V鈦合金模鍛件。美國Boe-ing787飛機，鈦合金用量達到了15%；歐洲A380飛機，單架飛機用鈦65噸，占飛機總重量的10%，而且采用了全鈦掛架。

同時，鈦的冶煉技術一旦有所突破，其價格也將明顯降低。隨著鈦合金的開發研制、鈦材品種的增多及價格的降低，鈦在民用工業中的應用將成倍增加，特別是在造船、汽車制造、化工、電子、海洋開發、海水淡化、地熱發電、排污防腐等民用領域將獲得廣泛的應用。與此同時，市場的需求也將加速鈦工業與鈦材加工技術的發展。

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