钛换热器钛锻件钛合金加工件等深加工件产品的技术与发展

钛被称为继钢、铝之后而崛起的“第三金属”，因其性能优良，广泛用于航空航天、化工冶金、能源电力、船舶和海洋工程、汽车、建筑、体育用品及医疗器械等行业。目前，世界上能进行钛工业生产的只有美国、俄罗斯、日本、中国和欧洲的少数国家，其中，以我国最具钛资源的优势。据统计，我国已探明拥有8.7亿吨的资源储量，占世界已探明储量的60％左右。换言之，在我国发展钛产品及钛设备，具有得天独厚的有利条件。

一、钛及钛合金换热器生产技术现状和发展趋势

用钛制作换热器具有优良的耐腐蚀性、传热效率高、表面光洁无结垢层、比重小、强度高、设备体积和重量小等特点，广泛应用于航空、宇宙开发、海洋工程、石油、化工、轻工、食品加工、冶金、电子、医药卫生、仪器仪表等部门(见表1)。

表 1 钛及钛合金设备及产品的主要应 用领域

钛对氯具有很强的抗腐蚀性。是海水淡化设备换热器的首选材料。目前，管壳式换热器约占全部换热器的70％左右。在强调高效、环保、节能的今天，板式换热器在热交换领域的优势已经日益明显最初板式换热器仅用于食品加工方面，后来在石油化工、制药、造纸、机械、冶金、造船、发电等部门都得到广泛的应用，近几年，在机场、酒店、商厦、轨道交通、船舶等场合，已部分地替代了传统的管壳式热交换器，取得了良好的效果。

1、钛材轧制技术

钛换热器等设备的制造水平与钛板材、带材、卷材的轧制水平有关。国内与国外在钛轧制技术上的差距主要在以下几个方面：

(1)钛轧制技术：板材、卷材、带材种类不全，国内缺乏薄板、卷材轧制技术及装备。我国钛板的生产还沿用片式生产，不能进行带式生产。更不能实现连轧：国际上普遍采用斜轧穿孔技术制造无缝钛管，而国内仍然延续“铜包套一挤压”制坯技术。我国钛材的成品率与美国差10％以上：生产的薄钛板仍不能满足生产钛焊管的需要。

(2)钛轧制设备：落后于国外，目前仍然不能生产用于制造薄壁钛焊管的板材。这类板材仍依赖进口，钛型材的生产在国内仍为空白。

2、钛材焊接技术

大多数钛合金可以使用氧乙炔焊的方法进行焊接：几乎所有的钛合金均可以使用固态焊接方法，如TIG、MIG、等离子弧焊、激光焊、电子束焊和电阻焊等，进行焊接。其中，以TIG焊和激光焊的焊接质量最好。钛合金激光焊接，因为焊接变形小，生产效率高，而且比电子束焊和TIG焊的自动化程度高，因此，其应用日趋广泛。摩擦焊接因为不会产生气孔，残余应力小，焊接质量高，也适于对钛合金进行焊接。已经用于汽车、潜艇及飞机发动机钛部件焊接。钎焊则用于钛及其合金与其它金属的连接，亦可用于钛及钛合金的微型复杂件的连接。

钛材的焊接技术在钛设备中起着非常重要的作用。未来钛焊接技术的发展方向主要是：易于操作：焊接过程自动化、智能化，从而提高焊接生产率；焊接质量稳定性好节约能源，有利于环境保护等。

3、钛材表面处理技术

任何材料都有它的优缺点，为了进一步达到提高钛合金耐蚀性、耐磨性、抗微动磨损性、高温抗氧化性等目的，对钛合金进行表面处理是进一步扩大钛合金使用范围的有效途径，可以这么说目前对金属的表面处理方法几乎全部应用到了钛合金的表面处理上，包括金属电镀、化学镀、热扩散、阳极氧化、热喷涂、低压离子工艺、电子和激光的表面合金化、非平衡磁控溅射镀膜、离子氮化、PVD法制膜、离子镀膜、纳米技术等。

钛及钛合金表面处理技术从以热渗扩、电镀、真空镀膜等为代表的传统表面强化、耐磨处理技术，发展到现阶段以等离子渗、离子束、电子束、激光束的应用为标志的现代表面处理技术，如表面氮化(气体氮化等离子氮化)、表面渗元素合金化、激光熔覆等。目前，钛及钛合金表面强化技术正朝着多种表面技术的综合应用以及多层复合膜层的研究制备方向发展。

4、钛近净成形技术

钛制品的近净成形技术，是以海绵钛+钛屑或钛及钛合金粉末作为原材料，利用PAM单锭熔炼技术制备铸锭，或粉末冶金等方法制备坯料；然后通过轧制或挤压直接出成品。已广泛用于生产钛合金气门、连杆、简体、高尔夫球头等。因为不需或仅需少量后续加工，在减少产品生产周期和节省原材料的同时，可大大降低生产成本。将会有力推动钛合金的应用，是今后钛合金成型技术的主要发展方向。

5、钛加工的数值模拟技术

钛及钛合金材料制备过程的计算机模拟技术的发展，对钛合金及其产品的研制和开发，开创了更广阔的空间。先进国家先后展开了对钛及钛合金材料熔炼、铸造以及加工制造过程、热处理等方面的计算机模拟技术的研究和相关软件的设计与开发。通过计算机的模拟计算来设计加工工艺，可以避免传统设计中的许多缺点，节省了人力、物力，同时极大地提高了新材料制备和加工工艺设计的准确性。

二、钛压力容器生产技术现状和发展趋势

钛压力容器主要用于耐腐蚀容器。也可用作低温容器，在航空航天中用于贮存液体燃料。由于钛材价格较高，一般只在钢、铝、铜等容器不能满足使用要求时才采用钛容器。民用钛材中约有3／4用于钛容器(含换热器)，因而钛容器是钛材的主要用户。

1、钛压力容器的焊接技术压力容器广泛应用于石油、化工、锅炉等各工业部门，是国民经济生产中重要的特种设备。压力容器是承受内外压力的设备，具有多种结构形式，基本组成由壳体、封头、法兰、接管、支座等构成。这些部件均需要通过焊接组装成为一个整体。因此，焊接过程是压力容器生产制造过程中的核心内容。对于压力容器而言，焊接自动化技术可以概括为硬件因素和软件因素。硬件因素主要指压力容器自动焊接设备和方法：软件因素主要指焊接控制技术、人工智能技术及焊接专家系统等。目前，压力容器焊接自动化技术在国际上已经获得了广泛应用。

2，钛压力容器的无损检测技术

压力容器大多在高温高压、低温高压或高载荷的条件下运行，工况十分恶劣：如果部件在制造中就留有缺陷或是在使用中新产生裂纹就会大大降低其安全可靠性，若不能及时发现，往往会导致灾难陛后果。由于无损检测技术不仅具有巨大的社会意义，也具有十分重要的经济意义，因此得到世界各国政府的高度重视。

声发射检测技术，始于20世纪60年代。是一种日趋成熟的无损检测方法，用于压力容器检测和结构的完整性评价方面，在美国、欧盟和日本等工业发达国家已得到广泛应用。国内也有相应检测标准，即GJB2044—1994“钛合金压力容器检测方法”。

三、钛铸件生产技术现状和发展趋势

钛合金铸造产品，主要采用熔模铸造和机加工石墨型铸造两种生产工艺。熔模铸造适于制造复杂、大型、薄壁的铸件：石墨型铸造则适用于结构相对简单的构件。

1、钛合金的熔炼技术

近年来。在钛的熔炼技术方面，最引人注目的进展是发展了冷床炉熔炼技术，包括电子束冷床炉和等离子冷床炉技术。目前，冷床炉熔炼已达到商业化水平。可熔炼重达25t的铸锭。它能生产无偏析、无夹杂的优质钛及钛合金铸锭，满足航空转动部件对高性能钛材的需求。它还能生产扁锭、空心锭，简化板材和大管材的后续加工，并可大量回收残钛。但目前这种熔炼技术还存在成本高、操作复杂等问题。

电子束和等离子冷床熔炼工艺在美国、日本等工业发达国家得到了快速发展，正逐渐取代传统的真空电弧熔炼工艺。电子束已成功应用于纯钛和TC4钛合金的熔炼，而等离子束是熔炼复杂成分钛合金的最有效手段。我国近几年才开始等离子束冷床熔炼技术的研究。

与此同时，俄罗斯也发展了一种类似于冷床炉的新型熔炼技术，即所谓的凝壳一自耗电极熔炼。此外，冷坩埚熔炼技术近来也有较大发展，该熔炼技术与离心浇铸工艺结合起来用于钛铸件的精密铸造。目前正在制造第二代的冷坩埚熔炼炉。第二代冷坩埚炉可大大提高熔化能力，缩短熔炼时间，并实现完全悬浮熔炼，消除金属凝壳。

我国已将研究感应凝壳熔炼技术列入重点研究项目，中国近年来在钛合金的熔炼技术方面也取得了很大的发展，2006年实现钛及钛合金铸锭生产22120t的生产规模。2008年我国共生产钛锭34469吨，2008年我国共生产钛加工材23640吨，比上一年增加了84，6％。2008年我国出口海绵钛5584，05吨，进口1133，6吨。净出口4450，45吨；出口钛加工材8046，995吨，进口3963，771吨，净出口4083，224吨；我国第一次成为海绵钛和钛加工材的双净出口国。

2、钛合金的精铸技术

采用精密铸造技术，可以生产结构复杂的薄壁构件，提高钛合金材料的利用率，降低生产成本。近年来，钛的铸造技术方面的主要进展是。发展了冷坩埚+离子浇铸技术、真空吸铸技术和真空压铸技术。钛合金熔模铸造工艺主要采用三种熔模型壳：石墨熔模型壳、金属钨面层陶瓷型壳和氧化物陶瓷型壳。

凝壳炉的应用和熔模精密铸造与金属造型、陶瓷造型工艺的发展，为许多大型复杂的薄壁钛铸件缩短生产时间、降低成本展现了一定的空间。目前高性能的钛合金大型整体精铸件，大多数都是采用金属面层陶瓷型壳或氧化物面层陶瓷型壳浇注出来的。

大型薄壁精密铸造技术使钛铸件性能接近钛锻件。而成本较钛锻件降低约50％。

展望未来。数字技术的应用将会带来更好的工艺模拟模型，随着计算机工艺控制、辅助生产、无损检验技术的进步，将促进钛精铸件的设计和生产，钛合金精密铸件的市场前景也更加广阔。

四、钛锻件生产技术现状和发展趋势

20世纪90年代以来，钛合金锻件被大量推广到民用领域，如环保设备、汽车、石油化工、电力、生物医学、建筑、体育休闲等行业，且市场需求越来越大。

1、钛合金精密模锻技术

与普通模锻相比，精密模锻能获得表面质量好、加工余量少和尺寸精度较高的锻件主要应用在两个方面：一是精化毛坯，即利用精锻工艺取代粗切削加工工序：二是精锻零件，即通过精密模锻直接获得成品零件。精密模锻发展的总趋势是产品的复杂化和质量优化：工艺设计的模拟化和准确化：模具设计制造技术的CAD／CAM一体化。

TC4钛合金的α-β预制坯与β终锻相结合的锻造工艺，不但能降低设备吨位、节约能耗，还能够利用TC4在β相区极好的塑性，使复杂零件成型性好。只要锻件在β相区终锻变形量足够大，就能达到细化晶粒、提高制件的断裂韧性、高温抗蠕变性能和高温疲劳性能的目的。

2、钛合金等温锻造技术

在钛合金的热加工中，加热温度至关重要。温度越低变形抗力越大，且易产生裂纹等缺陷。同时对变形速度也有很大的依赖性，这些都是锻造中应该特别注意的地方。

钛合金等温锻造技术是一项新的工艺方法，该工艺结合热机械处理能获得综合力学性能最优化的钛合金等温锻件，但在模具材料、模具制造和模具加热装置等方面的成本投入比常规锻造方法要高，因而近年来大多用于制造航空航天工业中飞机的零部件。

宝钢公司，借助于计算机模拟的帮助，采用等温锻造技术，成功地锻造出了国内最大的TA15钛合金整体精密框形件，该锻件的研制成功，标志着我国具备了大型钛合金锻件的生产能力，拉近了与先进国家的距离，为研制更大型的钛合金复杂精锻件奠定了良好的基础。

3、钛合金超塑性成形技术

超塑成型技术被视为解决复杂、大型或用常规成型方法难以加工的材料成型的一个重要途径，并被誉为面向21世纪的成型技术。这是因为，这种技术能显著地降低构件成本、减轻质量、节约原材料和解决加工困难的问题。

目前，钛合金超塑成形技术主要应用于航空航天领域，开发在其它领域的应用将是超塑成形技术发展的必然趋势。钛合金超塑性成形技术的应用有：超塑性等温锻造、超塑性挤压、超塑性气胀、超塑性成形与扩散连接结合技术、钛合金超塑性成形模具材料选用研究等。

超塑性成型是钛合金零部件的最好成形方法，非常适用于制造导弹零部件，如钛合金导弹外壳、整流罩、容器、梁和框及钛球等。

目前，开发出的超塑性钛合金有：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的使用已较为广泛。

国内，宝钢开发了钛合金锻件近净形技术——等温超塑变形工艺的研究。通过将锻件毛坯放置在加热到变形温度或接近变形温度的模具中，进行较慢速度变形而获得近净形尺寸锻件，这种工艺得到越来越多的应用。

4、钛合金的热处理技术

对钛合金进行固溶淬火和时效强化处理，能获优异工艺性能和使用性能，达到提高产品质量、延长使用寿命、提高经济效益的目的。

英国伯明翰大学研制开发了一种陶瓷相转变处理技术，该技术通过热处理在一TiA1合金表面形成氧化铝和二氧化钛的陶瓷相复合层。用该技术制造的γ—TiA1合金发动机阀。可以将剪切抗力提高100倍。利用这种技术，也可以在TiNi形状记忆合金表面形TiO陶瓷相复合层。

五、结束语

可以预料钛材料在21世纪将会作为重要的新材料而得到更为广泛的应用。因此，低成本钛合金和低成本加工方法的研究开发已势在必行，而降低原材料生产成本更是首当其冲。我国作为钛资源和钛原料大国，更应大力加强海绵钛新生产工艺和新型低成本钛合金的研究与开发，并努力跟踪国外冷床炉精炼技术、电渣熔炼技术、连铸连轧技术、真空压铸技术、粉末成型技术等先进的制造技术，大力开发和研制具有自主知识产权的新技术，从而实现大幅度降低钛合金生产和零件制造成本，为扩大钛合金的应用和赶超钛合金应用的世界先进水平打下坚实的技术基础。

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