鈦是 20 世紀 50 年代發(fā)展起來的一種重要金屬，其密度為4.5g/cm3 左右，僅為鋼的58%。在室溫下，鈦合金的比拉伸強度為高強度結(jié)構(gòu)鋼的1.26倍，高強度鋁合金的1.38 倍，在 400～500℃內(nèi)，鈦合金的比蠕變強度和比疲勞強度均明顯優(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)品種類與特點
目前，主要的航天產(chǎn)品包括火箭、導彈、衛(wèi)星和宇宙飛船等。隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，人類認識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)力及強腐蝕等極端條件對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。對火箭而言，其主要的焦點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 公斤的運載能力，末級火箭每減輕 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；新一代導彈則要求飛行速度更快、射程更遠，因此需要彈體具有良好性能和重量輕等特點，比如，中程導彈每減輕 1 公斤，射程增加 7~8 公里，遠程導彈則效果更明顯；衛(wèi)星減重產(chǎn)生的經(jīng)濟效益則更為樂觀，衛(wèi)星每減重 1kg，可減少 lt 的推力，可節(jié)省 3000 萬日元的開支，同時減重還可以增加有效載荷，經(jīng)濟效益同樣甚為樂觀，如通信衛(wèi)星每增加 1Kg 有效載荷可創(chuàng)效益 400 萬美元。衛(wèi)星、宇宙飛船除了具備輕質(zhì)等特點，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
當今，鈦合金應(yīng)用最活躍的領(lǐng)域是航空航天，據(jù)統(tǒng)計，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、航空發(fā)動機、火箭發(fā)動機、人造衛(wèi)星、高強螺栓、儲料箱、導彈尾翼、彈頭殼體等，其應(yīng)用大國也基本集中在歐美、日本等發(fā)達國家，尤其是率先完成第二次工業(yè)革命的美國，美國鈦合金在航天工業(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 60 年代，美國阿波羅計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 號火箭外套由 Ti-13V-11Cr-3Al 制造；高壓儲氣罐或燃料儲藏器優(yōu)先采用 Ti-6Al-4V 合金制造；Ablestar（阿波羅）火箭用的儲壓器、后噴嘴由13 個鍛制的 Ti-6Al-4V（具有低含氧量）合金板組成，并經(jīng)過焊接而制成儲壓器，用于儲藏動力燃料的氧化催化劑。德國 MT 宇航公司制備出 Ф1905mm 的高強 Ti-15V-3Cr 合金推進系統(tǒng)貯箱，并應(yīng)用于歐洲阿爾法通信衛(wèi)星巨型平臺（見圖 1），實現(xiàn)了衛(wèi)星平臺的大幅度減重。美國第 1 代航天飛機的熱防護系統(tǒng)部分采用了鈦合金 Ti1100 作為防熱瓦，其第 2 代航天飛機的熱防護系統(tǒng)也采用快速凝固鈦合金，亞軌道單級入軌火箭運載器 X-33 還是采用鈦合金 Ti1100 作為其機身背風面大面積防熱系統(tǒng)材料。圖 2 為美國航天飛機計劃中飛行器用鈦合金壓力罐。在武器系統(tǒng)方面，美國采用粉末冶金技術(shù)生產(chǎn)各種導彈武器用鈦合金部件，如 Sidewind 導彈粉末鈦合金頭罩、F107 巡航導彈發(fā)動機粉末鈦合金葉輪、Stinger 防空導彈粉末鈦合金戰(zhàn)斗部殼體、Stinger 防空導彈新型鈦鎢復合戰(zhàn)斗部殼體等。美國的“斯拉姆”增強響應(yīng)型遠程空地導彈 AGM-848H、“戰(zhàn)斧”Ⅲ型巡航導彈等也都使用了鈦合金作為戰(zhàn)斗部殼體。民兵洲際導彈第二級固體發(fā)動機殼體也采用 Ti-26Al-24V 鈦合金，應(yīng)用后使殼體重量減輕 30%。
圖 1 高強 Ti-15V-3Cr 合金推進劑儲箱 圖 2 美國航天飛行器上使用的鈦合金壓力罐作為美國的競爭對手俄羅斯也一直注重航天上用鈦計劃。俄羅斯鈦合金在航天工程上應(yīng)用的實
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”運載火箭使用了強度極限 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（強度極限 1300MPa）鈦合金的焊接球罐，還用高強鈦合金管材制造了管結(jié)構(gòu)件（構(gòu)架）。每枚“能源號”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)動機的燃料倉、低溫液體儲存箱及液氫輸送泵葉輪等。在武器方面，俄羅斯 SS-25 白楊洲際導彈的一、二級發(fā)動機殼體采用鈦合金前后封頭，SS-N-22 日灸導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國，對鈦合金在航天領(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的第三級和 M-3B 固體火箭的馬達殼體上使用了鈦合金。日本第一顆試驗衛(wèi)星“大角”號使用了 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）也已用來制作液體火箭發(fā)動機的渦輪泵。
同樣，中國隨著航天工程迅猛發(fā)展，鈦合金也得到廣泛應(yīng)用。從 1970 年東方紅一號”衛(wèi)星成功發(fā)射到現(xiàn)在的神舟系列飛船、嫦娥探測器等，這些航天器上均使用了鈦合金。如“東方紅”一號衛(wèi)星的觀測裙和播放“東方紅”樂曲用的天線就采用鈦合金，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）已用于長征系列運載火箭；哈工大用 TC4 鈦合金制備了月球車的輪圈，如圖 4 所示；最近托舉我國大型運載火箭“長征五號”飛天的大推力液氧煤油發(fā)動機渦輪泵葉片也采用鈦合金。此外，我國還用 BT20 等高強鈦合金制造導彈的發(fā)動機殼體、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，它具有更高的比強度，在航天器上應(yīng)用，對減輕結(jié)構(gòu)重量，提高性能具有明顯效果。我國是世界上鈦資源最豐富的國家之一，但鈦材的產(chǎn)量同美國、日本等工業(yè)強國相比還有一定差距，尤其是鈦材在航空航天領(lǐng)域的使用量差距甚大。美國在 1955 年首次將鈦合金應(yīng)用于航天領(lǐng)域，當年使用量為 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%，達到 1784t，為初始用量的 1000 倍以上。如今，美英等發(fā)達國家將 50%以上的鈦合金運用在航空航天的事業(yè)中，而相比之下，我國在航空航天領(lǐng)域中鈦合金的投入量還不足 10%，航天領(lǐng)域則更少。隨著我國深空探測、載人工程、月球探測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、導彈等迫切需要使用一些輕質(zhì)、高強構(gòu)件來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，鈦合金未來在我國航天領(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。在富資源和大市場之間轉(zhuǎn)化存在較大的阻力，歸其原因就在于存在經(jīng)濟和技術(shù)上的問題。
在經(jīng)濟上，目前，鈦合金價格較為昂貴，而隨著人類探索宇宙的頻次越來越多，范圍越來越廣，低成本制造已在行業(yè)內(nèi)形成共識，因此采用高性能低成本的航天材料，是未來航天型號發(fā)展的一個必然趨勢。
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。鈦的化學活性大，在 600℃以上，易吸收氧，形成硬度很高的硬化層。鈦的導熱系數(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)濟及技術(shù)方面的因素，鈦合金在國內(nèi)航天領(lǐng)域的應(yīng)用尚未普及。因此，促進鈦合金在航天領(lǐng)域的應(yīng)用還需要開展大量的工作，其中一個主要方面就是開發(fā)鈦合金先進成形技術(shù)以降低鈦合金制品的成本。
5、先進成形技術(shù)及其在航天領(lǐng)域的應(yīng)用
傳統(tǒng)的加工方式，如機加等已不能滿足先進航天器對鈦合金構(gòu)件的需求，因此需要開發(fā)先進的鈦合金成形技術(shù)以實現(xiàn)零件大量、高效地成形。下面將介紹幾種先進制造技術(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)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)，國外稱為增材制造（Additive manufacturing）。從技術(shù)優(yōu)勢看，3D 打印不需切削材料，也不需模具，可批量制造，還可遠程操控，尤其適用于結(jié)構(gòu)復雜、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、軍方等機構(gòu)紛紛出臺政策支持 3D 技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用，必將推動 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 圖 7 3D 打印的三叉戟 II D5 潛射彈道導彈連接器后蓋國外企業(yè)和研究機構(gòu)利用 3D 打印技術(shù)不僅打印出了飛機、導彈、衛(wèi)星的零部件，還打印出了發(fā)動機、無人機整機，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 公司開發(fā)出專門為未來空間衛(wèi)星設(shè)計的首個 3D 打印雙反射面天線原型，如圖 6 所示，通過采用 3D 打印，不僅顯著增加天線的精度，還可降低成本，縮短交付時間，增加射頻設(shè)計的靈活性，最重要的是減輕部件質(zhì)量。俄羅斯托木斯克理工大學（TPU）設(shè)計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月底搭載進步 MS-02 太空貨運飛船被送往國際空間站。美國海軍在 2016 年 3 月進行的三叉戟 II D5潛射彈道導彈第 160 次試射中成功測試了首個使用 3D 打印的導彈部件—可保護導彈電纜接頭的連接器后蓋，如圖 7 所示，通過 3D 打印該零件的設(shè)計和制造時間縮短了一半。
我國于 2015 年 9 月 25 日采用全固體運載火箭“長征十一號”發(fā)射了“浦江一號”等四顆微小衛(wèi)星，其中“浦江一號”是國內(nèi)衛(wèi)星上首次采用了 3D 打印技術(shù)，其天線支架采用 3D 打印鈦合金材料。
5.2 熱等靜壓技術(shù)
熱等靜壓（Hot Isostatic Pressing，簡稱 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，同時該技術(shù)還能生產(chǎn)基本不需要機加工的近終形部件。據(jù)統(tǒng)計，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到 80％～90%，其價格比常規(guī)工藝制得的產(chǎn)品低 20％以上，同時顯著減少了機加工的時間和成本。
熱等靜壓技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用始于 1976 年，當時 Howmet 公司采用熱等靜壓技術(shù)對鑄件進行致密化處理以滿足宇航關(guān)鍵、高應(yīng)力場合的應(yīng)用。俄羅斯在世界上首先采用熱等靜壓技術(shù)研制出了整體復雜形狀的鈦合金氫泵渦輪，見圖 8，并在 RD-0120 型氫氧發(fā)動機上得到了應(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 導彈用薄壁網(wǎng)格狀承載結(jié)構(gòu)
美國航天飛機的蒙皮和殼體由鈦基復合材料（即由 Ti-15-3 箔材與 SCS-SiC 纖維網(wǎng)交替層組成）通過熱等靜壓技術(shù)制造。此外，火箭發(fā)動機葉輪、燃料貯箱殼體、飛行器殼體等需要高力學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，在模具里對金屬擠壓或進行氣動吹塑成形。超塑成形可以一次成形復雜的簿壁零部件，其成型比（成型面積與原材料面積比）可達 4，而且精度較高。
擴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，故又稱擴散焊接，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 / 擴散連接（SPF/DB）是一種把超塑成形與擴散連接相結(jié)合用于制造高精度大型零件的近無余量加工方法，在航空航天工業(yè)發(fā)展的推動下，經(jīng)過 30 多年的開發(fā)研究和驗證試驗，已進入了實用階段。
國外 SPF/DB 工藝廣泛用于航天零部件的生產(chǎn)，英、美、法等國家已研制鈦合金夾層結(jié)構(gòu)的前置翼和導彈彈翼、導彈外殼、推進劑箱、進氣道、整流罩、導流片、容器、各種梁、框結(jié)構(gòu)及發(fā)動機零部件等。如 NASA 采用 SPF/DB 技術(shù)制成超聲速中程戰(zhàn)略巡航導彈的防護系統(tǒng)；美國沃特公司在超聲速戰(zhàn)術(shù)導彈制造中，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，可使制造費用降低 50%以上。
國內(nèi)對 SPF/DB 技術(shù)的研究開始于 70 年代末，經(jīng)過 30 多年的發(fā)展，我國 SPF/DB 技術(shù)取得了很大的進步。針對航天型號對金屬防熱結(jié)構(gòu)的需求，航天材料及工藝研究所開展了鈦合金波紋板 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)體零件方面具有獨特的優(yōu)勢。國外，精密旋壓技術(shù)已發(fā)展到較高水平，美國強力旋壓生產(chǎn)的 Ф3900mm 的大型導彈殼體，徑向尺寸精度達到 0.05mm，表面粗糙度Ra 為 1.6～3.2，壁厚差≤0.03mm。美國航空航天局（NASA）和 MT 宇航公司共同開發(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 5.5m、深度 1.6m、壁厚 3~5mm。宇宙神洲際導彈的 Ti-6Al-4V 鈦合金球形氣瓶的兩個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%。還有黃銅騎士導彈擴壓器，可供大力神導彈Ⅳ使用的固體火箭發(fā)動機殼體，北極星導彈發(fā)動機殼體等，均是用旋壓法成形的。
國內(nèi)也積極開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)航天型號發(fā)展率先開展了 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。航天科技集團公司第 708 研究所與該集團公司 211 廠（首都機械廠）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)動機儲氣箱體。此外，旋壓技術(shù)還應(yīng)用于固體火箭發(fā)動機外殼、葉片罩、陀螺儀導向罩、內(nèi)蒙皮、月球車輪轂等各種薄壁回轉(zhuǎn)體零件的制造。
6、建議
我國鈦合金研制經(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，但與鈦工業(yè)發(fā)達國家相比仍有差距，尚不能滿足國家工程的需求，尤其是在應(yīng)用潛力巨大的航天領(lǐng)域。因此，如何擴大鈦合金在我國航天領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，提高我國航天科技及國防實力是我國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（尤其是與航天制造企業(yè)）要加強溝通，了解客戶需求，依托各自優(yōu)勢，積極聯(lián)合申報一些國家重大專項課題；
（2）開發(fā)具有高性能的鈦合金，如高強鈦合金、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性能、物理性能、化學性能和工藝性能等；
（3）進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、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，可以通過以下技術(shù)途徑來實現(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/擴散連接、精密旋壓成形等；（2）通過優(yōu)化工藝條件，控制和補償影響成形精度的因素，實現(xiàn)精確成形。
（5）發(fā)展組織性能控制技術(shù)，實現(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加工方式和加工條件很敏感。通過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數(shù)、形態(tài)、晶粒度和晶體學織構(gòu)取向等，從而獲得所需要的力學性能。通過恰當?shù)淖冃畏绞胶妥冃螚l件，在提高鈦合金成形能力的同時提高構(gòu)件的組織性能，是鈦合金塑性成形領(lǐng)域研究的熱點。
（6）發(fā)展基于全過程多尺度建模仿真的數(shù)字化塑性成形技術(shù)，實現(xiàn)變形、組織和性能預測一體化預測和仿真優(yōu)化。通過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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作者簡介
韓冬，男，西安航天動力機械廠，1966 年生，工學博士，研究員，航天科技集團公司學術(shù)技術(shù)帶頭人，中國航天獎獲得者，享受國務(wù)院政府津貼。從事金屬材料旋壓成形研究。
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