鈦合金管在航空航天工程領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與前景

鈦是 20 世紀(jì) 50 年代發(fā)展起來(lái)的一種重要金屬，其密度為4.5g/cm³ 左右，僅為鋼的58%。在室溫下，鈦合金的比拉伸強(qiáng)度為高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的1.26倍，高強(qiáng)度鋁合金的1.38 倍，在 400～500℃內(nèi)，鈦合金的比蠕變強(qiáng)度和比疲勞強(qiáng)度均明顯優(yōu)于耐熱不銹鋼 [1] 。鈦合金所展現(xiàn)出的高比強(qiáng)度、耐高溫和耐腐蝕等優(yōu)良特性，使其獲得了航空航天工業(yè)的高度重視。

1、航天產(chǎn)品種類(lèi)與特點(diǎn)

目前，主要的航天產(chǎn)品包括火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星和宇宙飛船等。隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，人類(lèi)認(rèn)識(shí)宇宙的范圍不斷增大，一些新的空間相繼被發(fā)現(xiàn)、被探索。新環(huán)境所呈現(xiàn)出的超高溫、超低溫、高真空、高應(yīng)力及強(qiáng)腐蝕等極端條件對(duì)航天飛行器的使用性能提出極大挑戰(zhàn)。因此，新型飛行器必須具有適應(yīng)新環(huán)境的特殊性能。對(duì)火箭而言，其主要的焦點(diǎn)在于承載能力和射程，火箭每減少 3 公斤的自重，就能增加 1 公斤的運(yùn)載能力，末級(jí)火箭每減輕 1 公斤，可以減少近 100 公斤的發(fā)射燃料，射程可增加 15 公里以上；新一代導(dǎo)彈則要求飛行速度更快、射程更遠(yuǎn)，因此需要彈體具有良好性能和重量輕等特點(diǎn)，比如，中程導(dǎo)彈每減輕 1 公斤，射程增加 7~8 公里，遠(yuǎn)程導(dǎo)彈則效果更明顯；衛(wèi)星減重產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益則更為樂(lè)觀，衛(wèi)星每減重 1kg，可減少 lt 的推力，可節(jié)省 3000 萬(wàn)日元的開(kāi)支，同時(shí)減重還可以增加有效載荷，經(jīng)濟(jì)效益同樣甚為樂(lè)觀，如通信衛(wèi)星每增加 1Kg 有效載荷可創(chuàng)效益 400 萬(wàn)美元。衛(wèi)星、宇宙飛船除了具備輕質(zhì)等特點(diǎn)，還需要耐高低溫及腐蝕等極端環(huán)境。

2、鈦合金在航天領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)今，鈦合金應(yīng)用最活躍的領(lǐng)域是航空航天，據(jù)統(tǒng)計(jì)，鈦在航空航天上的應(yīng)用約占鈦總產(chǎn)量的70%左右，包括軍民用飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、人造衛(wèi)星、高強(qiáng)螺栓、儲(chǔ)料箱、導(dǎo)彈尾翼、彈頭殼體等，其應(yīng)用大國(guó)也基本集中在歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，尤其是率先完成第二次工業(yè)革命的美國(guó)，美國(guó)鈦合金在航天工業(yè)的應(yīng)用始于 1955 年，到目前為止，其使用規(guī)模和技術(shù)都走在世界前列。

在宇航設(shè)備方面，20 世紀(jì) 60 年代，美國(guó)阿波羅計(jì)劃中的宇宙飛船雙人艙及密閉艙翼梁及肋都由Ti-5Al-2.5Sn 制造，而襯里則由純鈦制造；ELDO-歐洲 1 號(hào)火箭外套由 Ti-13V-11Cr-3Al 制造；高壓儲(chǔ)氣罐或燃料儲(chǔ)藏器優(yōu)先采用 Ti-6Al-4V 合金制造；Ablestar（阿波羅）火箭用的儲(chǔ)壓器、后噴嘴由13 個(gè)鍛制的 Ti-6Al-4V（具有低含氧量）合金板組成，并經(jīng)過(guò)焊接而制成儲(chǔ)壓器，用于儲(chǔ)藏動(dòng)力燃料的氧化催化劑。德國(guó) MT 宇航公司制備出 Ф1905mm 的高強(qiáng) Ti-15V-3Cr 合金推進(jìn)系統(tǒng)貯箱，并應(yīng)用于歐洲阿爾法通信衛(wèi)星巨型平臺(tái)（見(jiàn)圖 1），實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星平臺(tái)的大幅度減重。美國(guó)第 1 代航天飛機(jī)的熱防護(hù)系統(tǒng)部分采用了鈦合金 Ti1100 作為防熱瓦，其第 2 代航天飛機(jī)的熱防護(hù)系統(tǒng)也采用快速凝固鈦合金，亞軌道單級(jí)入軌火箭運(yùn)載器 X-33 還是采用鈦合金 Ti1100 作為其機(jī)身背風(fēng)面大面積防熱系統(tǒng)材料。圖 2 為美國(guó)航天飛機(jī)計(jì)劃中飛行器用鈦合金壓力罐。在武器系統(tǒng)方面，美國(guó)采用粉末冶金技術(shù)生產(chǎn)各種導(dǎo)彈武器用鈦合金部件，如 Sidewind 導(dǎo)彈粉末鈦合金頭罩、F107 巡航導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)粉末鈦合金葉輪、Stinger 防空導(dǎo)彈粉末鈦合金戰(zhàn)斗部殼體、Stinger 防空導(dǎo)彈新型鈦鎢復(fù)合戰(zhàn)斗部殼體等。美國(guó)的“斯拉姆”增強(qiáng)響應(yīng)型遠(yuǎn)程空地導(dǎo)彈 AGM-848H、“戰(zhàn)斧”Ⅲ型巡航導(dǎo)彈等也都使用了鈦合金作為戰(zhàn)斗部殼體。民兵洲際導(dǎo)彈第二級(jí)固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體也采用 Ti-26Al-24V 鈦合金，應(yīng)用后使殼體重量減輕 30%。

圖 1 高強(qiáng) Ti-15V-3Cr 合金推進(jìn)劑儲(chǔ)箱 圖 2 美國(guó)航天飛行器上使用的鈦合金壓力罐作為美國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手俄羅斯也一直注重航天上用鈦計(jì)劃。俄羅斯鈦合金在航天工程上應(yīng)用的實(shí)

例很多。如早期研制的 OT4、BT5-1KT 和 ПT-BKT 等合金已在航天火箭等領(lǐng)域大量應(yīng)用，且應(yīng)用比例占其質(zhì)量的 5%~30%，如“能源號(hào)”運(yùn)載火箭使用了強(qiáng)度極限 1100MPa，重 3.5t 的 BT23 鈦合金大型模鍛件和鍛件，使用了 BT5-1、BT6 和 BT23（強(qiáng)度極限 1300MPa）鈦合金的焊接球罐，還用高強(qiáng)鈦合金管材制造了管結(jié)構(gòu)件（構(gòu)架）。每枚“能源號(hào)”火箭使用鈦合金結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量為 18t。此外，鈦合金也應(yīng)用于液體燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料倉(cāng)、低溫液體儲(chǔ)存箱及液氫輸送泵葉輪等。在武器方面，俄羅斯 SS-25 白楊洲際導(dǎo)彈的一、二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體采用鈦合金前后封頭，SS-N-22 日灸導(dǎo)彈的彈體則全部由鈦合金構(gòu)成。

日本作為亞洲的科技和軍事強(qiáng)國(guó)，對(duì)鈦合金在航天領(lǐng)域的應(yīng)用也做了大量研究。早在 1968 年，日本就在火箭上使用鈦合金，后又在 H-Ⅰ和 H-Ⅱ的第三級(jí)和 M-3B 固體火箭的馬達(dá)殼體上使用了鈦合金。日本第一顆試驗(yàn)衛(wèi)星“大角”號(hào)使用了 Ti-2Al-2Mn 鈦合金，其 ISAS 和 MHI 兩家公司采用超塑成形技術(shù)制造了 Ti6Al4V 衛(wèi)星貯箱，研制的低溫結(jié)構(gòu)鈦合金 LT700（Ti-3Al-5Sn-1Mo-0.2Si）也已用來(lái)制作液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪泵。

同樣，中國(guó)隨著航天工程迅猛發(fā)展，鈦合金也得到廣泛應(yīng)用。從 1970 年?yáng)|方紅一號(hào)”衛(wèi)星成功發(fā)射到現(xiàn)在的神舟系列飛船、嫦娥探測(cè)器等，這些航天器上均使用了鈦合金。如“東方紅”一號(hào)衛(wèi)星的觀測(cè)裙和播放“東方紅”樂(lè)曲用的天線(xiàn)就采用鈦合金，新型衛(wèi)星結(jié)構(gòu)和總裝系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，空間遙感器系統(tǒng)和燃料貯箱等方面也使用鈦合金。我國(guó)研制的液氫環(huán)境下使用的低溫 TA7ELI 鈦合金氣瓶（如圖 3）已用于長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭；哈工大用 TC4 鈦合金制備了月球車(chē)的輪圈，如圖 4 所示；最近托舉我國(guó)大型運(yùn)載火箭“長(zhǎng)征五號(hào)”飛天的大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵葉片也采用鈦合金。此外，我國(guó)還用 BT20 等高強(qiáng)鈦合金制造導(dǎo)彈的發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、噴管等構(gòu)件。

3、 鈦合金在航天領(lǐng)域的發(fā)展前景分析

鈦合金同鋁合金及鋼相比，它具有更高的比強(qiáng)度，在航天器上應(yīng)用，對(duì)減輕結(jié)構(gòu)重量，提高性能具有明顯效果。我國(guó)是世界上鈦資源最豐富的國(guó)家之一，但鈦材的產(chǎn)量同美國(guó)、日本等工業(yè)強(qiáng)國(guó)相比還有一定差距，尤其是鈦材在航空航天領(lǐng)域的使用量差距甚大。美國(guó)在 1955 年首次將鈦合金應(yīng)用于航天領(lǐng)域，當(dāng)年使用量為 1.7t，僅占鈦材用量的 1%。之后，鈦合金的用量逐年增加，到 1963年占鈦材用量的 32%，達(dá)到 1784t，為初始用量的 1000 倍以上。如今，美英等發(fā)達(dá)國(guó)家將 50%以上的鈦合金運(yùn)用在航空航天的事業(yè)中，而相比之下，我國(guó)在航空航天領(lǐng)域中鈦合金的投入量還不足 10%，航天領(lǐng)域則更少。隨著我國(guó)深空探測(cè)、載人工程、月球探測(cè)等重大航天工程的深入發(fā)展，一些航天飛行器如火箭、衛(wèi)星、飛船、導(dǎo)彈等迫切需要使用一些輕質(zhì)、高強(qiáng)構(gòu)件來(lái)提高性能和增加射程，而鈦合金所展現(xiàn)出的優(yōu)異特性正為航天所需，因此，鈦合金未來(lái)在我國(guó)航天領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。

4、目前鈦合金在航天領(lǐng)域應(yīng)用存在的問(wèn)題

鈦資源在地殼中非常豐富，居所有元素中的第 9 位，在結(jié)構(gòu)金屬中，僅次于鋁、鐵、鎂居第四位，其含量占地殼重量的 0.61%，然而多年來(lái)并未得到廣泛應(yīng)用，而其應(yīng)用潛力，特別是在航天領(lǐng)域的應(yīng)用潛力十分巨大。在富資源和大市場(chǎng)之間轉(zhuǎn)化存在較大的阻力，歸其原因就在于存在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的問(wèn)題。

在經(jīng)濟(jì)上，目前，鈦合金價(jià)格較為昂貴，而隨著人類(lèi)探索宇宙的頻次越來(lái)越多，范圍越來(lái)越廣，低成本制造已在行業(yè)內(nèi)形成共識(shí)，因此采用高性能低成本的航天材料，是未來(lái)航天型號(hào)發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)。

在技術(shù)上，鈦合金屬于難變形金屬，常溫下塑性差，變形抗力大，不易加工。鈦的化學(xué)活性大，在 600℃以上，易吸收氧，形成硬度很高的硬化層。鈦的導(dǎo)熱系數(shù)低，約為鐵的 1/5，鋁的 1/14。鈦的彈性模量小，約為鋼的 1/2。

考慮到經(jīng)濟(jì)及技術(shù)方面的因素，鈦合金在國(guó)內(nèi)航天領(lǐng)域的應(yīng)用尚未普及。因此，促進(jìn)鈦合金在航天領(lǐng)域的應(yīng)用還需要開(kāi)展大量的工作，其中一個(gè)主要方面就是開(kāi)發(fā)鈦合金先進(jìn)成形技術(shù)以降低鈦合金制品的成本。

5、先進(jìn)成形技術(shù)及其在航天領(lǐng)域的應(yīng)用

傳統(tǒng)的加工方式，如機(jī)加等已不能滿(mǎn)足先進(jìn)航天器對(duì)鈦合金構(gòu)件的需求，因此需要開(kāi)發(fā)先進(jìn)的鈦合金成形技術(shù)以實(shí)現(xiàn)零件大量、高效地成形。下面將介紹幾種先進(jìn)制造技術(shù)及其在航天領(lǐng)域的應(yīng)用情況。

5.1 3D 打印技術(shù)

3D 打印是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)，國(guó)外稱(chēng)為增材制造（Additive manufacturing）。從技術(shù)優(yōu)勢(shì)看，3D 打印不需切削材料，也不需模具，可批量制造，還可遠(yuǎn)程操控，尤其適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積非常小的產(chǎn)品，制造速度快，生產(chǎn)周期短。3D 打印技術(shù)以其優(yōu)良的特性正獲得航天工業(yè)的青睞，并已應(yīng)用于航天相關(guān)零件的制造。隨著政府、軍方等機(jī)構(gòu)紛紛出臺(tái)政策支持 3D 技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用，必將推動(dòng) 3D 打印技術(shù)在航天領(lǐng)域應(yīng)用廣度與深度的持續(xù)深化。

圖 6 3D 打印的衛(wèi)星雙反射面天線(xiàn) 圖 7 3D 打印的三叉戟 II D5 潛射彈道導(dǎo)彈連接器后蓋國(guó)外企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)利用 3D 打印技術(shù)不僅打印出了飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星的零部件，還打印出了發(fā)動(dòng)機(jī)、無(wú)人機(jī)整機(jī)，在成本、周期、質(zhì)量等方面取得了顯著效益，充分顯示了 3D 打印技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用前景。歐洲航天局（ ESA） 和瑞士 SWISSto12 公司開(kāi)發(fā)出專(zhuān)門(mén)為未來(lái)空間衛(wèi)星設(shè)計(jì)的首個(gè) 3D 打印雙反射面天線(xiàn)原型，如圖 6 所示，通過(guò)采用 3D 打印，不僅顯著增加天線(xiàn)的精度，還可降低成本，縮短交付時(shí)間，增加射頻設(shè)計(jì)的靈活性，最重要的是減輕部件質(zhì)量。俄羅斯托木斯克理工大學(xué)（TPU）設(shè)計(jì)并制造的首枚外殼由 3D 打印的 CubeSat 納米衛(wèi)星 Tomsk -TPU-120 于 2016年3月底搭載進(jìn)步 MS-02 太空貨運(yùn)飛船被送往國(guó)際空間站。美國(guó)海軍在 2016 年 3 月進(jìn)行的三叉戟 II D5潛射彈道導(dǎo)彈第 160 次試射中成功測(cè)試了首個(gè)使用 3D 打印的導(dǎo)彈部件—可保護(hù)導(dǎo)彈電纜接頭的連接器后蓋，如圖 7 所示，通過(guò) 3D 打印該零件的設(shè)計(jì)和制造時(shí)間縮短了一半。

我國(guó)于 2015 年 9 月 25 日采用全固體運(yùn)載火箭“長(zhǎng)征十一號(hào)”發(fā)射了“浦江一號(hào)”等四顆微小衛(wèi)星，其中“浦江一號(hào)”是國(guó)內(nèi)衛(wèi)星上首次采用了 3D 打印技術(shù)，其天線(xiàn)支架采用 3D 打印鈦合金材料。

5.2 熱等靜壓技術(shù)

熱等靜壓（Hot Isostatic Pressing，簡(jiǎn)稱(chēng) HIP）技術(shù)是將制品放置到密閉的容器中，向制品施加各向同等壓力的同時(shí)施以高溫，在高溫高壓的作用下，使制品得以燒結(jié)或致密化。熱等靜壓技術(shù)在制備具有高密度、高純度、高均勻性、高韌性等優(yōu)良綜合性能的材料方面占據(jù)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)該技術(shù)還能生產(chǎn)基本不需要機(jī)加工的近終形部件。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用 HIP 近終成形工藝制得的產(chǎn)品，其材料的利用率一般可達(dá)到 80％～90%，其價(jià)格比常規(guī)工藝制得的產(chǎn)品低 20％以上，同時(shí)顯著減少了機(jī)加工的時(shí)間和成本。

熱等靜壓技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用始于 1976 年，當(dāng)時(shí) Howmet 公司采用熱等靜壓技術(shù)對(duì)鑄件進(jìn)行致密化處理以滿(mǎn)足宇航關(guān)鍵、高應(yīng)力場(chǎng)合的應(yīng)用。俄羅斯在世界上首先采用熱等靜壓技術(shù)研制出了整體復(fù)雜形狀的鈦合金氫泵渦輪，見(jiàn)圖 8，并在 RD-0120 型氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了應(yīng)用。俄羅斯 VILS研究院還采用熱等靜壓技術(shù)制造了導(dǎo)彈用的薄壁網(wǎng)格狀承載結(jié)構(gòu)件，如圖 9 所示。

圖 8 VT5-1 鈦合金氫泵轉(zhuǎn)子 圖 9 導(dǎo)彈用薄壁網(wǎng)格狀承載結(jié)構(gòu)

美國(guó)航天飛機(jī)的蒙皮和殼體由鈦基復(fù)合材料（即由 Ti-15-3 箔材與 SCS-SiC 纖維網(wǎng)交替層組成）通過(guò)熱等靜壓技術(shù)制造。此外，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪、燃料貯箱殼體、飛行器殼體等需要高力學(xué)性能的大尺寸薄壁構(gòu)件，以及控制舵舵芯骨架等部件的制造也應(yīng)用了 HIP 技術(shù)。

5.3 超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)（SPF/DB）

超塑成形就是利用材料的超塑特性，在模具里對(duì)金屬擠壓或進(jìn)行氣動(dòng)吹塑成形。超塑成形可以一次成形復(fù)雜的簿壁零部件，其成型比（成型面積與原材料面積比）可達(dá) 4，而且精度較高。

擴(kuò)散連接是一種固體焊接方法，是兩種相同或不相同的金屬或非金屬緊密貼合在一起，在一定溫度和壓力下，彼此不熔化而焊接在一起，故又稱(chēng)擴(kuò)散焊接，是獲得整體構(gòu)件的一種方法，可以減少零件數(shù)量，改善構(gòu)件的抗疲勞性能。

超塑成形 / 擴(kuò)散連接（SPF/DB）是一種把超塑成形與擴(kuò)散連接相結(jié)合用于制造高精度大型零件的近無(wú)余量加工方法，在航空航天工業(yè)發(fā)展的推動(dòng)下，經(jīng)過(guò) 30 多年的開(kāi)發(fā)研究和驗(yàn)證試驗(yàn)，已進(jìn)入了實(shí)用階段。

國(guó)外 SPF/DB 工藝廣泛用于航天零部件的生產(chǎn)，英、美、法等國(guó)家已研制鈦合金夾層結(jié)構(gòu)的前置翼和導(dǎo)彈彈翼、導(dǎo)彈外殼、推進(jìn)劑箱、進(jìn)氣道、整流罩、導(dǎo)流片、容器、各種梁、框結(jié)構(gòu)及發(fā)動(dòng)機(jī)零部件等。如 NASA 采用 SPF/DB 技術(shù)制成超聲速中程戰(zhàn)略巡航導(dǎo)彈的防護(hù)系統(tǒng)；美國(guó)沃特公司在超聲速戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈制造中，采用脹管 SPF/DB 組合工藝制造的鈦部件取代 17-4PH 制造的相同部件，可使制造費(fèi)用降低 50%以上。

國(guó)內(nèi)對(duì) SPF/DB 技術(shù)的研究開(kāi)始于 70 年代末，經(jīng)過(guò) 30 多年的發(fā)展，我國(guó) SPF/DB 技術(shù)取得了很大的進(jìn)步。針對(duì)航天型號(hào)對(duì)金屬防熱結(jié)構(gòu)的需求，航天材料及工藝研究所開(kāi)展了鈦合金波紋板 SPF技術(shù)研究，成功制備出 TC4 鈦合金防熱瓦等熱結(jié)構(gòu)部件。

5.4 精密旋壓技術(shù)

旋壓成形技術(shù)是一種綜合了鍛造、擠壓、拉伸、環(huán)軋、滾壓等技術(shù)的先進(jìn)制造技術(shù)，其能夠?qū)崿F(xiàn)材料的近凈成形，在制造薄壁回轉(zhuǎn)體零件方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。國(guó)外，精密旋壓技術(shù)已發(fā)展到較高水平，美國(guó)強(qiáng)力旋壓生產(chǎn)的 Ф3900mm 的大型導(dǎo)彈殼體，徑向尺寸精度達(dá)到 0.05mm，表面粗糙度Ra 為 1.6～3.2，壁厚差≤0.03mm。美國(guó)航空航天局（NASA）和 MT 宇航公司共同開(kāi)發(fā)制造了應(yīng)用于AresA 火箭的大尺寸 2195 鋁合金燃料貯箱，見(jiàn)圖 9，首先采用攪拌摩擦焊連接多塊鋁合金板材形成大尺寸平板，之后將大尺寸平板旋壓成穹形，其直徑高達(dá) 5.5m、深度 1.6m、壁厚 3~5mm。宇宙神洲際導(dǎo)彈的 Ti-6Al-4V 鈦合金球形氣瓶的兩個(gè)半球件是熱旋壓成形的，加熱溫度為 535℃～595℃，

每塊板料的旋壓時(shí)間為 3min～5min。旋壓法與常規(guī)鍛造加工方法比較，可降低成本 25%～35%。還有黃銅騎士導(dǎo)彈擴(kuò)壓器，可供大力神導(dǎo)彈Ⅳ使用的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，北極星導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等，均是用旋壓法成形的。

國(guó)內(nèi)也積極開(kāi)展金屬旋壓成形技術(shù)研究并將其應(yīng)用于航天領(lǐng)域。航天材料及工藝研究所根據(jù)航天型號(hào)發(fā)展率先開(kāi)展了 Al-Mg-Sc 合金的研制工作，采用旋壓、滾彎、低應(yīng)力高精度機(jī)械加工及氬弧焊等集成技術(shù)制造了內(nèi)徑Φ 300mm、外徑Φ 570 mm、長(zhǎng)度 1800mm 的柱形 1570 鋁鈧合金油箱殼體，如圖 10 所示。航天科技集團(tuán)公司第 708 研究所與該集團(tuán)公司 211 廠（首都機(jī)械廠）旋壓成形 TC4鈦合金球形、橢球形氣瓶，產(chǎn)品主要應(yīng)用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)儲(chǔ)氣箱體。此外，旋壓技術(shù)還應(yīng)用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外殼、葉片罩、陀螺儀導(dǎo)向罩、內(nèi)蒙皮、月球車(chē)輪轂等各種薄壁回轉(zhuǎn)體零件的制造。

6、建議

我國(guó)鈦合金研制經(jīng)歷了從仿制到創(chuàng)新研制的歷程，到目前為止，已獲得長(zhǎng)足的發(fā)展。一些新型的鈦合金相繼被研發(fā)成功并應(yīng)用于國(guó)家重大工程，產(chǎn)能也在經(jīng)歷近十年的高速發(fā)展后成為世界第一生產(chǎn)大國(guó)，但與鈦工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有差距，尚不能滿(mǎn)足國(guó)家工程的需求，尤其是在應(yīng)用潛力巨大的航天領(lǐng)域。因此，如何擴(kuò)大鈦合金在我國(guó)航天領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，提高我國(guó)航天科技及國(guó)防實(shí)力是我國(guó)鈦合金工作者的重要使命，為此建議如下：

（1）鈦合金生產(chǎn)商和用戶(hù)（尤其是與航天制造企業(yè)）要加強(qiáng)溝通，了解客戶(hù)需求，依托各自?xún)?yōu)勢(shì)，積極聯(lián)合申報(bào)一些國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)課題；

（2）開(kāi)發(fā)具有高性能的鈦合金，如高強(qiáng)鈦合金、耐高溫鈦合金、低溫鈦合金等，高性能是要求具有良好的性能匹配，即必須綜合考慮其力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能和工藝性能等；

（3）進(jìn)一步降低鈦合金的成本，要充分重視鈦合金基礎(chǔ)研究和性能數(shù)據(jù)積累，為鈦合金工藝改進(jìn)、成材率提高、產(chǎn)品規(guī)格完善以及鈦合金研發(fā)的原始創(chuàng)新提供支撐；

（4）發(fā)展鈦合金精確成形技術(shù)。鈦合金構(gòu)件的精確成形，可以通過(guò)以下技術(shù)途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)：（1）發(fā)展改善材料加工性的成形方法，以減小塑性成形件的余量，實(shí)現(xiàn)凈成形或近凈成形，如激光快速成形、精密鑄造、粉末冶金、超塑成形/擴(kuò)散連接、精密旋壓成形等；（2）通過(guò)優(yōu)化工藝條件，控制和補(bǔ)償影響成形精度的因素，實(shí)現(xiàn)精確成形。

（5）發(fā)展組織性能控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)成形成性一體化制造。鈦合金的使用性能由其微觀組織決定，而鈦合金的微觀組織對(duì)加工方式和加工條件很敏感。通過(guò)合理的塑性變形可以改變鈦合金的微觀組織參數(shù)，如改變鈦合金的相體積分?jǐn)?shù)、形態(tài)、晶粒度和晶體學(xué)織構(gòu)取向等，從而獲得所需要的力學(xué)性能。通過(guò)恰當(dāng)?shù)淖冃畏绞胶妥冃螚l件，在提高鈦合金成形能力的同時(shí)提高構(gòu)件的組織性能，是鈦合金塑性成形領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

（6）發(fā)展基于全過(guò)程多尺度建模仿真的數(shù)字化塑性成形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)變形、組織和性能預(yù)測(cè)一體化預(yù)測(cè)和仿真優(yōu)化。通過(guò)仿真模擬建立鈦合金成分、加工工藝、組織和性能之間的數(shù)字化關(guān)系，有利于縮短新型鈦合金的研發(fā)周期，降低生產(chǎn)制造成本。

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作者簡(jiǎn)介

韓冬，男，西安航天動(dòng)力機(jī)械廠，1966 年生，工學(xué)博士，研究員，航天科技集團(tuán)公司學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人，中國(guó)航天獎(jiǎng)獲得者，享受?chē)?guó)務(wù)院政府津貼。從事金屬材料旋壓成形研究。

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