引言

航天飛行器往往在大應(yīng)力、超高/低溫、強腐蝕等極端條件下工作，對材料及構(gòu)件提出了較為苛刻的服役需求，而輕質(zhì)并適應(yīng)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，集航天材料所需特質(zhì)于一體，成為了航天領(lǐng)域應(yīng)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(nèi)外對鈦合金及其精密成形技術(shù)在航空領(lǐng)域的研究進展已有大量總結(jié)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(gòu)件的研制角度出發(fā)，對國內(nèi)外航天用鈦合金及其精密成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀進行了分類與總結(jié),最后結(jié)合我國航天工業(yè)的實際需求，對其未來發(fā)展進行了展望。

1、航天鈦合金精密成形技術(shù)研究進展

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，可以很好地適應(yīng)高精度、復(fù)雜鈦合金薄壁構(gòu)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(yīng)用廣泛，主要用于葉輪類、艙體類、機匣類產(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、鑄件開裂傾向高等缺點。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(xiàn)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、舵面類、艙段類產(chǎn)品的研制。此外，我國也相繼開發(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]。但是這幾類新研發(fā)的鑄造高溫鈦合金存在合金成分復(fù)雜、鑄件開裂傾向高、焊接困難等問題，相應(yīng)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(fù)雜精密結(jié)構(gòu)以及鈦合金鑄件高性能化的發(fā)展需求，快速推動了磁懸浮熔煉、3D打印、計算機數(shù)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(yīng)用和發(fā)展[17-20]。目前，3D打印技術(shù)已可實現(xiàn)1800mm×1000mm×700mm整體鑄造型殼或型芯的制作，其精度可控制在0.3 mm以內(nèi)，代表性廠商主要有德國ExOne、Voxeljet公司、美國SolidScape、3DSystem公司[21]。此外，數(shù)值模擬技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于鑄造的充型、凝固、縮松及縮孔預(yù)測、應(yīng)力分布預(yù)測等過程，可有效指導(dǎo)鑄造工藝、提高鑄件精度和質(zhì)量，目前主流的數(shù)值模擬軟件廠商有美國Procast、日本Soldia、德國Magma Soft、中國華鑄CAE等。在性能改進方面，熱等靜壓致密化技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于鑄件后處理過程中，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性能，但仍需要關(guān)注并解決鑄件在熱等靜壓過程中組織粗化、相變導(dǎo)致的性能下降以及變形控制的問題[12-13]。目前，隨著多種工藝技術(shù)的進步，鈦合金精密鑄造技術(shù)呈現(xiàn)出了技術(shù)種類多元化、交叉化、普適化的發(fā)展趨勢，已可生產(chǎn)出直徑2m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(guī)的近凈成形工藝，目前主要通過改進鍛造工藝來提高構(gòu)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(yīng)用廣泛，主要用于氣瓶類、貯箱類產(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鈦合金壓力容器類構(gòu)件，在大力神Ⅲ過渡級發(fā)動機得到了應(yīng)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(yīng)用到進步號探測器上，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(jié)構(gòu)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、輕質(zhì)高強承力結(jié)構(gòu)件的研制[25-26]。其中，鈦合金氣瓶類構(gòu)件的精密鍛造技術(shù)在我國航天領(lǐng)域已得到了廣泛應(yīng)用，主要朝著大尺寸、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(tǒng)中得到大量應(yīng)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(jié)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20 K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、成形過程易控制、質(zhì)量可靠性高、成形精度高等優(yōu)勢。

圖1 精密鍛造技術(shù)生產(chǎn)的鈦合金氣瓶類產(chǎn)品

Fig.1 Titanium alloy cylinders developed by precision forging technology

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、近無回彈、無殘余應(yīng)力等優(yōu)勢，目前已成為了推動航天鈦合金構(gòu)件設(shè)計概念發(fā)展的開創(chuàng)性近凈成形工藝之一，特別適用于復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)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(guī)鈦合金（Ti-6Al-4V、IMI550、BT6）到金屬間化合物、鈦基復(fù)合材料的研發(fā)歷程，目前已形成了多種超塑專用鈦合金（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，目前已實現(xiàn)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×（1300~1500 mm）×L，縱橫向力學性能差異可控制在50 MPa以內(nèi)[29]。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(guī)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(xiàn)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(yīng)用前景[29,33]。此外，在其他先進超塑鈦合金材料研制方面，我國相繼開發(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）等先進超塑鈦合金材料研發(fā)領(lǐng)域已著手開展了大量工作，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(gòu)件、多層構(gòu)件、桁架及正弦波等異型構(gòu)件的批量化生產(chǎn)能力，使超塑成形技術(shù)的研究熱點逐漸由材料研發(fā)轉(zhuǎn)向?qū)嶋H工程應(yīng)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鈦合金推進劑貯箱，可實現(xiàn)降低成本60%，結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕30%的目標。日本ISAS和MHI公司采用板材預(yù)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(wèi)星上得到大量應(yīng)用[36]。

圖2 日本采用超塑成形技術(shù)研制的鈦合金燃料貯箱

Fig.2 Titanium alloy fuel tanks developed by superplastic forming technology

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(gòu)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(yīng)用于研制衛(wèi)星、導(dǎo)彈、運載火箭用大型單層構(gòu)件（壓力容器、蒙皮）、多層結(jié)構(gòu)（艙段、舵翼）以及大型空心結(jié)構(gòu)翼面類產(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展了諸如衛(wèi)星用大規(guī)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)動機噴管（外形及壁厚尺寸精度可達±0.2 mm，并實現(xiàn)了2 m量級變壁厚異型構(gòu)件的制造能力），以及TC4鈦合金波紋板等構(gòu)件的研制[圖3(b)~3(d)][24,37]。

圖3 鈦合金超塑成形技術(shù)在我國航天領(lǐng)域的典型應(yīng)用

Fig.3 Typical applications of titanium alloy superplastic forming technology of aerospace industry in china

1.4 鈦合金精密旋壓技術(shù)

旋壓成形技術(shù)結(jié)合了鍛造、擠壓、拉伸、彎曲、環(huán)軋等工藝優(yōu)勢并可實現(xiàn)少無切削加工，能夠滿足航天器用鈦合金空心回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)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、壓力容器類、封頭、噴管延伸段等產(chǎn)品的研制，是鈦合金回轉(zhuǎn)型薄壁構(gòu)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(gòu)件精密化、無模低成本快速旋壓、軋-旋/擠-旋/鍛-旋連續(xù)復(fù)合成形等先進技術(shù)，使鈦合金精密旋壓技術(shù)在航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)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鈦合金推進系統(tǒng)貯箱[圖4(a)]，在“阿爾法”通信衛(wèi)星得到了應(yīng)用[24]。美國采用無模旋壓技術(shù)成功研制了直徑1.2 m量級的Ti-6Al-4V鈦合金封頭，實現(xiàn)了單道次90%的冷旋壓變形量，成功應(yīng)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(gòu)件包括波紋管、氣瓶、火箭發(fā)動機外殼、噴管、蒙皮、筒形件等[38,40,45]。例如，哈爾濱工業(yè)大學利用有限元模擬技術(shù)結(jié)合普旋成形工藝成功研制出0.8 mm壁厚的TC4鈦合金月球車輪圈[圖4(c)][46]。航天材料及工藝研究所通過開展大尺寸薄壁TC4鈦合金筒形件強力旋壓缺陷形成機理研究，并結(jié)合有限元數(shù)值模擬技術(shù)，成功研制出Φ670 mm的TC4衛(wèi)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]。西安航天動力機械廠采用正旋拉旋+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(nèi)膽[47]。

圖4 鈦合金精密旋壓技術(shù)在國內(nèi)外航天領(lǐng)域的應(yīng)用

Fig.4 Applications of titanium alloy spinning forming technology in the aerospace industry

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(yīng)用，但是受溫度場均勻性、回彈效應(yīng)、擴散效應(yīng)、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(xù)復(fù)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現(xiàn)批量性應(yīng)用，需著重開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、無織構(gòu)和偏析、內(nèi)應(yīng)力小、材料利用率高、可近凈成形等優(yōu)勢，其成形的構(gòu)件可兼具鑄件的復(fù)雜型面特點以及鍛件優(yōu)異的力學性能優(yōu)勢，特別適合航天工業(yè)對大型、復(fù)雜、薄壁、高可靠性結(jié)構(gòu)件的研制需求[49-54]。

隨著鈦合金熔煉技術(shù)、致密化變形精度控制技術(shù)、先進制粉技術(shù)、有限元分析技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的突破，國外目前已實現(xiàn)了鈦合金HIP粉末冶金技術(shù)在航天領(lǐng)域的大規(guī)模工程化應(yīng)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(zhuǎn)速達550 m/s，并可大幅縮短加工周期[圖5(a)~(b)]。美國P&W Rocketdyne和Synertech PM公司采用等離子旋轉(zhuǎn)電極法（PREP）制粉并借助計算機模擬等先進技術(shù)，成功研制出火箭發(fā)動機鈦合金殼體、閥體等構(gòu)件，已在航天領(lǐng)域得到應(yīng)用并實現(xiàn)了大批量市場化供貨[圖5(c)][51]。英國伯明翰大學研制的鈦合金發(fā)動機機匣成功實現(xiàn)了復(fù)雜型面構(gòu)件的一體化近凈成形，并已達到了工程化應(yīng)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現(xiàn)最終產(chǎn)品的研制[圖5(d)]。

圖5 鈦合金HIP粉末冶金技術(shù)在國外航天領(lǐng)域的應(yīng)用

Fig.5 Applications of titanium alloy powder metallurgy technology of aerospace industry in the foreign countries

隨著多年的技術(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(gòu)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、艙體類、異形曲面類以及機匣類等構(gòu)件，可以很好地滿足航天領(lǐng)域的任務(wù)需求[50,53,55-57]。作為國內(nèi)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(gòu)件變形控制技術(shù)、大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的制備技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，并實現(xiàn)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(nèi)部框架結(jié)構(gòu)凈成形能力[圖6(a)]，其力學性能與鍛件持平，材料利用率可達70%以上，并且可實現(xiàn)減重15%以上的目標，滿足了飛行器對輕質(zhì)高強、高耐溫結(jié)構(gòu)件的需求。此外，通過合理的包套設(shè)計結(jié)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1.46 GPa，延伸率≥12%，尺寸精度＜0.2 mm，目前已通過全面考核，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以內(nèi)，材料利用率≥70%，可實現(xiàn)整體成形，其加工周期可由6個月縮短至1個月，大幅提高了生產(chǎn)效率且性能超過鍛件水平。此外還研制了Ti3Al發(fā)動機延伸段[圖6(d)]以及TA15發(fā)動機噴管[圖6(e)]。

圖6 鈦合金HIP粉末冶金技術(shù)在我國航天領(lǐng)域的應(yīng)用

Fig.6 Applications of titanium alloy powder metallurgy technology of aerospace industry in china

隨著航天型號的發(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(fù)雜程度高的產(chǎn)品，并且已實現(xiàn)了工程化應(yīng)用。但是與國外先進技術(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(shù)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)過程中芯模快速去除技術(shù)缺乏、流程長，且可重復(fù)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(jié)構(gòu)系數(shù)、提高飛行器的總體技術(shù)指標，應(yīng)進一步推動以鈦合金為代表的新材料、新工藝的應(yīng)用發(fā)展。因此，在大型、復(fù)雜、薄壁航天器結(jié)構(gòu)件的研制中，采用鈦合金精密成形技術(shù)是未來制造不可或缺的關(guān)鍵性選擇。

（1）在低溫環(huán)境應(yīng)用領(lǐng)域，需著重關(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，以滿足管路類、氣瓶類、葉輪類結(jié)構(gòu)件的使用需求。

（2）在高溫環(huán)境應(yīng)用方面，需重點關(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(yīng)用推廣，以滿足舵翼類、復(fù)雜進氣道類、噴管類、防/隔熱結(jié)構(gòu)件類的使用需求。

（3）此外，對耐600 ℃以上的高溫、復(fù)雜熱結(jié)構(gòu)件的研制，需著重推進Ti-Al系金屬間化合和鈦基復(fù)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(yīng)用推廣工作。

3、結(jié)語

材料和制造技術(shù)是航天領(lǐng)域發(fā)展的基礎(chǔ)，為推動鈦合金及其精密成形技術(shù)在我國航天領(lǐng)域的應(yīng)用并縮短與國外先進水平的差距，需重點關(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(fù)雜鈦合金構(gòu)件精密成形技術(shù)的協(xié)同發(fā)展，提高我國鈦合金構(gòu)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，未來我國先進鈦合金材料的研發(fā)以及精密成形技術(shù)的進步必將迎來飛躍式發(fā)展。

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