金属钛（Ti）银灰色，在地壳中的丰度为第7位。因其十分活泼，钛矿石熔炼十分困难，其应用研究20世纪40年代才发展起来，与高温合金、钢铁、铝合金等相比其冶炼成本高。1954年美国研发出第一种钛合金Ti-6Al-4V。钛及其合金具有：低密度、高比强度、耐高温、耐蚀、无磁性、生物相容性好等特点。我国已探明8.7亿吨的钛储量，是世界已探明储量的60%左右，发展钛合金制品在我国有着得天独厚条件。从表1-1中可知钛合金与钢、铝相比，其比强度和熔点最高，密度居中，由于以上合金特点，因此钛合金主要应用于航空航天、船舶、化工、医疗等领域，是航空、航天飞行器轻量化和提高综合性能的最佳用材。钛合金（包含：常规钛合金和钛铝系合金）按室温抗拉强度分：低强（≦700MPa）、中强（900MPa左右）、高强（≧1100MPa）等三类。按使用温度分：低温（-200℃以下）、中温（400℃左右）、高温（600℃以上）等三类。按微观组织以相组成分为四类：a相密排六方结构为主，属于固溶体单相高温钛合金（工作温度400-650℃，如TA15合金）；a+b双相密排六方与体心立方的组合结构，属于双相中温中强钛合金（工作温度≤400℃，如TC4合金）；b相体心立方结构为主，属于固溶体单相高强钛合金（强度≥1000MPa，如TB6合金）；γ+a2双相结构为主，属于轻质耐高温钛铝系合金（工作温度≥650℃，如γ-TiAl），可替代部分高温合金。钛合金熔化态下极其活泼，几乎与任何耐火材料反应，与N、H、O的反应强烈，普通陶瓷坩埚无法满足熔炼要求。与钢、铁、铝、高温合金比，其熔炼难度更大，只能在真空或惰性气体（N2气除外）保护下熔炼。熔炼坩埚主要采用水冷铜坩埚，熔炼中铜坩埚中先熔化的合金在坩埚内壁形成一层金属凝固层，把金属液与坩埚隔离，防止金属液被污染和铜坩埚被熔化。熔炼加热方式根据热源不同分为：外热式和内热式两种加热方式，外热式：电弧、等离子束、电子束等熔炼；内热式：感应熔炼。由于采用了水冷铜坩埚熔炼技术，在熔炼过程中，钛合金熔体的部分热量被铜坩埚内部的冷却水带走，再加上钛合金熔点高，导致其熔体过热度与高温合金、钢铁合金、铝合金等熔体过热度相比要低很多，合金流动性下降。同时由于钛合金的高温活泼性，其热处理一般也应在真空或者惰性气体下处理，否则会发生氧化、氮化、氢化反应，导致合金性能下降，如果在大气下热处理，热处理后钛合金表面必须进行反应层去除（机加工、化铣等）。
1.2 钛合金复杂结构件成形技术
由于以上钛合金物理化学特性，钛合金成形技术主要有：铸造、增材制造、焊接等液-固成形技术，塑性变形、粉末冶金等固-固成形技术，以及利用车削、铣削、线切割、机加工、电加工、化学加工等固态机械加工技术。其中钛合金复杂结构件成形技术主要有：钛合金熔模精铸技术、钛合金增材制造技术和钛合金粉末冶金热等静压精确成形技术。液-固成形技术中钛合金熔模精铸技术（简称：熔模精铸）是目前所有钛合金液-固成形技术中发展最早、最快、最成熟和应用最广的技术。可以实现最大尺寸在2000mm左右、最小壁厚1.0mm、表面粗糙度3.2μm的复杂构件整体精确成形，铸件具有各向同性、成本低、适合量产等特点，浇注方式有重力浇注和离心浇注。由于铸造成形中，液态收缩凝固成形会出现缩孔缩松等缺陷，需要通过热等静压和补焊，来消除这些缺陷，从而提高铸件的可靠性和疲劳性能。受限于钛合金熔融态的活泼性，其熔炼铸造技术主要有：真空自耗电极水冷铜坩埚凝壳熔铸工艺、真空感应水冷铜坩埚凝壳熔铸工艺等。液-固成形技术中钛合金增材制造技术（简称：增材制造）最近几年刚发展起来，发展速度迅猛，是未来应用前景最有前途的液-固成形技术，使用材料有金属粉、金属丝等，通过计算机直接输入结构件3D模型制备结构件，控制光源（激光、电子束、电弧等）熔化合金，实现复杂构件的增材成形，多余金属去除量相较锻造等塑性变形和机加工成形要少，可减少工序，缩短周期，可实现优质、高精度、复杂结构自动化制造。可以实现最大尺寸在2000mm左右、最小壁厚0.5mm、表面粗糙度3.2μm的复杂构件整体精确成形。增材制造可实现组织致密，没有类似铸件的缩孔缩松缺陷，力学性能优于铸件，同时由于存在众多微小熔滴凝固界面，其可靠性和疲劳性有待继续研究和改善，其次增材制造构件力学性能具有方向性，批产能力差、成本比铸件高，但是低于锻件。由于钛合金熔融态的活泼性，其增材制造过程必须在真空或惰性气体环境下进行成形，否则会引入氧化、气孔等缺陷。固-固成形技术中钛合金粉末冶金热等静压精确成形技术（简称：粉末冶金精确成形）是近十多年发展最快的技术。可以实现最大尺寸在1500mm左右、最小壁厚1.5mm、表面粗糙度2.0μm的复杂构件整体精确成形，构件具有各向同性、没有缩松缩孔缺陷，组织致密，晶粒细小，力学性能接近锻件等特点。钛合金粉末精确成形批产能力差、成本比铸件高，但是低于锻件，其精确成形过程必须在惰性气体环境下进行成形，否则会引入氧化、气孔等缺陷。
图2-1 航空发动机中钛合金需求部位
图2-2 钛合金整体熔模精铸压气机中介机匣
新一代宇航发动机提出了高推重比、功重比等需求，为了提高发动机涡轮前进口温度就需要耐高温材料；为了减轻发动机重量就需要高比强材料；为了提高发动机整体刚性就需要减少构件连接选用部件整体成形。因此新一代宇航发动机对新材料和新工艺提出了更高需求，要求制备出的构件具备高可靠性、优异性能、低成本，新材料需求促进新的成形技术发展。随着发动机设计性能不断提高，发动机各部位工作温度的就要进一步提升，这就需发展更耐温、更高强韧的新型钛合金。对于某新一代航空发动机，其压气机部位温度将达到400℃～750℃，其燃烧室外层机匣服役环境温度达到650～750℃，发动机整体需减重20%以上，构件连接减少20%以上。镍基高温合金由于比重大（约8.9g/cm3），远高于钛合金比重（约4.5g/cm3）已经无法完全满足新型航空发动机耐高温轻量化需求。
图2-3 ZTC4钛合金熔模精铸微观组织
图2-4 钛铝合金熔模精铸叶片
图2-5 粉末冶金精确成形制备的带包套和去掉包套钛铝合金导向扩压器
图2-1中发动机的压气机部位、机匣、低压涡轮等部位是钛合金及钛铝合金主要应用主要部位。图2-2为直径1300mm的钛合金整体熔模精铸中介机匣，它是航空发动机压气机部位的重要承力构件。原设计为88个不锈钢件焊接而成，改成钛合金整体熔模精铸后，减少到一个构件，同时减重55%。同样采用增材制造技术、粉末冶金精确成形技术都可以实现多个单一零件组合在一起整体成形成一个复杂结构件的功能。图2-3为ZTC4钛合金熔模精铸微观组织α+β双相层片组织。图2-4为航空发动机钛铝合金熔模精铸低压涡轮叶片，它是航空发动机低压涡轮重要结构件，工作温度在700℃左右，原先采用高温合金精铸成形，现在采用钛铝合金熔模精铸件可以减重50%左右。在其他小型航空发动机中，如：压气机的叶轮部位，要求合金具备低密度、高比强度、耐高温（300-700℃）、耐腐蚀等特点。目前使用的耐热不锈钢压气机导向扩压器（工作温度600℃左右），由于不锈钢比重达到7.8g/cm3，无法满足新型发动机轻量化、高功重比（功重比是功率与重量之比，比值越高，发动机有效输出功率越高，飞机有效载荷更大）发展需求。钛铝合金比重3.5 g/cm3左右，工作温度700℃左右，如果解决室温塑性和强度问题，替代耐热不锈钢，制作的导向扩压器就可以实现轻量化的目标。图2-5为采用粉末冶金精确成形制备的钛铝合金导向扩压器试验件，图2-6为粉末冶金精确成形钛铝合金微观组织。高速、低能耗、高可靠性和低成本是宇航飞行器不断追求的发展目标，这就要求需要使用钛合金高比强轻质材料和大型复杂薄壁整体化成形技术。图2-7是飞行器机体上副翼定位板、机翼接头等大型框架类钛合金熔模精铸件。
图2-6 钛铝合金 (Ti-48Al-2Cr-2Nb) 粉末冶金精确成形微观组织(不同组织含量: 94% γ相，5% α2相，1% B2相) (工艺: HIP:1200℃/140MPa/4 hours)
图2-7 F-22飞机机翼上钛合金熔模精铸构件应用部位（图中黄色所示）图2-8为采用增材制造工艺研制的航空发动机钛合金遄达XWB-84发动机中间级压气机机匣，实现了复杂多环多异形结构整体成形，解决了熔模精铸整体成形合格率低的问题。图2-9 为激光增材制造钛合金微观组织，可以看出存在着一定方向性的柱状晶，整个构件存在着各项异性的问题，需要热处理调控。
图2-8 增材制造遄达XWB-84发动机中间级压气机机匣
(a)全柱状晶组织形成示意图
03
1.1）高温钛合金方面：国内已初步验证了使用温度在650℃以上的钛铝合金的应用可行性，但由于该类合金室温塑性低，一般室温延伸率只有1%左右，缺乏该类合金成形及应用技术方面系统性研究，特别是在室温和高温下和不同成形工艺下合金缺口敏感性、裂纹扩展速率、疲劳性能、断裂韧性、抗氧化性等高可靠长寿命性能数据不全，材料组成及成形工艺对这些性能影响因素作用机理和规律不清，成分-工艺-组织-性能关联性数据严重不足，性能波动大，工艺性能差，合金设计准则缺失，技术成熟度偏低，导致应用研究进展缓慢，设计不敢用。1.2）高强钛合金方面：已经研发出强度在1100MPa以上的高强钛合金，试样级常规室温性能测试较全面，但是缺少系统性的疲劳性能、断裂韧性等数据测试研究，特别是带有结构特征的元件级性能数据缺乏，影响设计人员对该合金的选用。1.3）基于以上两方面问题分析，由于未真正实现设计—材料—制造的协同设计理念；没有完全建立从标准试样、结构特征元件到真实构件的“积木式”合金性能研究模式；无系统全面的性能数据库，缺乏高可靠统计许用值；无统一、适用、通用的宇航材料标准体系；不注重全供应链管理，产品稳定性、可靠性差；缺乏新材料、新工艺技术快速迭代机制；未明显突破返回料利用，全流程成本偏高，以上这些原因导致新材料的应用缓慢，设计无材料敢用。2.1）由于钛合金整体成形构件的复杂程度越来越高，导致构件的尺寸和内外部质量的检测盲区、应力集中区、变形区大幅增加，完整成形控制、组织性能控制、尺寸控制和内外部缺陷控制的难度上升。2.2）除了上面钛合金整体成形构件存在的问题之外，由于钛铝合金的低塑性特点，导致其复杂结构件的整体精确成形难度更大，同时构件裂纹风险剧增。钛铝合金低应力精确成形、低应力缺陷修复、低应力机加工等关键技术未完全突破，构件测试评价研究未系统开展，检测、考核评价方法与应用准则缺失，导致设计不敢用。2.3）成形过程中，熔模精铸工序多、影响构件质量因素多而繁杂、研制周期长、能耗和污染偏大、自动化数字化智能化不足，增材制造和粉末冶金精确成形的成本高、大型复杂构件批产能力弱，粉末冶金精确成形的构件复杂程度还不够高。
钛合金及其构件成形技术要实现宇航应用，必须严格执行以下研究、生产和应用的全流程，才可以从基础研究走向工程化应用。具体见图3-1。按照基础研究、应用研究、工程应用的完整研发流程，基于设计—材料—制造—应用的协同设计理念，突破材料设计制备、成分—组织—性能匹配控制及优化、塑韧性可靠性疲劳性能提高等关键技术。1.1）建立从标准试样、结构特征元件到真实构件的“积木式”合金材料的“积木式”研究模式，结合高精度与高置信度仿真技术，通过合金材料常规全面性能和构件服役性能的系统评价，面向合金材料全生命周期开展系统的材料设计和研制。1.2）加强低塑韧性钛铝等新型合金应用研究。进一步改善钛铝合金塑性，提高其损伤容限性能；系统开展钛铝合金组织性能评价（主要包含：疲劳、蠕变性能，缺口敏感性，组织稳定性等）；提高低塑性材料设计应用水平；深入开展钛铝合金高温下表面处理工艺研究，提高其抗氧化、抗腐蚀、抗高温气流冲击的能力。基于设计—材料—制造的协同设计理念，建立面向设计—材料—制造—应用—维护的一体化设计体系。在零件设计阶段，必须关注零件服役性能的材料性能可达性，零件结构的可制造性，零件成本的可承受性，制造的环境友好性等四性；同时向下游供应链延伸，关注钛合金构件的可机加性、可焊接性、可维护性等。2.1）钛合金熔模精铸技术：引入增材制造技术与熔模精铸技术相结合，实现熔模、型壳和型芯的快速精确制造，去除熔模和型芯模具设计制造、熔模和型芯压制、型壳涂覆等工序，减少工序、缩短研制周期。突破高惰性高退让性型壳制备技术、高惰性易脱除型芯制备技术、低塑性钛铝合金低应力精铸和机加工艺等关键技术，提高复杂构件成形质量，减少裂纹等缺陷。2.2）增材制造和粉末冶金精确成形技术：通过开发增材制造和粉末冶金精确成形用低成本钛合金粉末、丝材制备技术，进一步降低原材料成本。增材制造在开发多能源、多光束、快速扫描等技术基础上，突破循环加热下微熔滴快速凝固界面控制、复杂结构成形变形控制、复杂结构组织及表面粗糙度控制、钛铝合金成形过程微裂纹控制等关键技术，提升批产能力。粉末冶金精确成形方面，开展复杂模具和型芯设计技术研究，突破模具和型芯约束条件下合金粉末均匀高紧实度充填控制、高温高压下粉末与模具和型芯界面作用控制、复杂结构成形变形控制等关键技术，提升复杂构件研制能力。2.3）全流程检测及控制技术：加强光学照相、超声、锥束CT扫描等复杂构件内外部尺寸形状测量技术开发应用，实现全流程对复杂构件尺寸形状的测量，发现尺寸形状变化规律，从而建立全流程监测和控制方法。采用锥束CT扫描、X射线、超声、内窥镜等无损检测手段，实现对复杂构件内外部质量的全面准确检测，发现内外部缺陷分布规律，从而建立全流程内外部缺陷控制方法。采用X射线衍射、超声等残余应力测量手段，发现复杂构件残余应力分布和变化规律，从而建立全流程复杂构件残余应力控制方法。2.4）建立完备的材料数据库、工艺数据库，开展熔模精铸、增材制造、粉末冶金精确成形等复杂构件成形技术的全流程模拟仿真；研发复杂构件成形制造过程全流程质量大数据分析平台软件，构建涵盖复杂构件设计-工艺-生产-检测的制造过程质量大数据分析核心算法、软件与平台。实现从设计优化到、工艺优化到成形过程监测与控制的数字化和智能化，提高构件质量，缩短研制周期，减少能源消耗，降低研制成本。2.5）开展复杂构件的补焊与焊接技术、机加工、振动抛光/冲击强化/喷丸强化技术等研究，提供复杂构件的可靠性、疲劳寿命等综合性能。针对钛合金铸件的酸洗、粉末构件模具的酸洗等工序，开展低污染绿色化铣工艺研究。2.6）复合成形技术：为了发挥各个成形技术优势，规避各自缺点和短板，利用多种成形技术的集成和交叉，积极发展复合成形技术，主要包含：钛合金增材制造+熔模精铸复合成形技术、钛合金熔模精铸+粉末冶金精确成形复合成形技术、钛合金增材制造+粉末冶金精确成形复合成形技术等。
