您的当前位置:首页中国钛及钛合金研究和产业未来大有可为——“第十七届全国钛及钛

中国钛及钛合金研究和产业未来大有可为——“第十七届全国钛及钛

来源:小侦探旅游网
528

中国材料进展第38卷

中国钛及钛合金研究和产业未来大有可为

———“第十七届全国钛及钛合金学术交流会”专题采访

 优异性能 钛合金具有密度小ꎬ一直得到多个行业的高度重视、比强度高、耐腐蚀性好等多种ꎬ被誉为“第三金属”(钢铝之后的)、“空间金属”、“海洋金属”等ꎬ在国防军工装备轻量化发展、性能提升ꎬ“节能减排、绿色发展”、“建设海洋强国”等各方面需求和政策支持下ꎬ其重要性和发展前景不言而喻ꎮ我国钛及钛合金研究及产业经过65年发展ꎬ形成了冶炼、熔炼、加工、应用全产业链ꎬ技术体系较完整ꎬ在航空航天、化工领域、医疗行业等领域获得较广泛应用ꎬ基础研究水平在国际上占有重要地位ꎮ广阔的市场需求、良好的技术积累ꎬ毫无疑问ꎬ中国钛合金研究和产业未来大有可为ꎮ

由中国有色金属学会主办的“全国钛及钛合金学术交流会”自1973年在宝鸡成功举办第一届会议以来ꎬ已先后成功举办了16届ꎬ并发展成为我国钛行业的科技盛会和钛领域重要的产学研交流平台ꎮ2019年4月14~17日ꎬ由南京工业大学等单位承办的“第十七届全国钛及钛合金学术交流会”在六朝古都南京成功召开ꎮ会议共进行了11个大会特邀报告、41个分会特邀报告和192个口头报告ꎬ报告人来自我国钛合金冶金、材料、制造及应用领域的近30家高校、15家研究院所和10家企业ꎮ相关领域专家、学者、硕博学生和工程师等600余人参加交流会ꎮ钛行业的科技工作者们共同分享了近3年钛行业基础研究、应用研究的最新进展和可喜成果ꎬ交流探讨了国内外发展动态和关键问题ꎬ通过内容丰富的交流以及不同学术思想的碰撞ꎬ启发了思路ꎬ增强了合作ꎮ位之一«中国材料进展ꎬ并派编辑(笔者»杂志社是本届学术交流会的协办单

)参会学习ꎮ笔者了解到近3年我国在海绵钛冶金、TiAl合金成形技术及应用、高品质钛合金粉末制备、粉末冶金制备钛合金大型构件、钛合金增材制造、钛合金低成本制备加工技术、钛基复合材料成形技术等钛领域众多方向有重大进展ꎮ中国有色金属学会贾明星理事长在大会致辞中说ꎬ钛合金在C919大飞机项目、4500米深潜器等重大工程的应用ꎬ表明了我国钛产业的发展又上了一个新台阶ꎮ相信未来ꎬ钛及钛合金高端化发展的速度会越来越快ꎮ同时ꎬ笔者也了解到目前我国钛合金成本仍然很高ꎬ产品性能不均一、不稳定ꎬ应用量仍然很少ꎻ基础研究、数据积累仍然比较

弱ꎬ应用技术研究不足ꎮ钛及钛合金领域科研及产业发

展任重道远ꎮ

笔者借“第十七届全国钛及钛合金学术交流会”召开的难得机会ꎬ采访了5位钛及钛合金领域的资深专家ꎬ为钛领域同仁们介绍部分应用研究方向取得的可喜成果ꎬ探讨发展趋势和重点ꎮ希望扩大会议交流成果ꎬ增强钛领域科研人员的信心并凝聚共识ꎬ携手专家、学者ꎬ助力钛科技和产业转型升级、繁荣发展ꎮ应用进展(1)林均品教授、张继教授谈:国内TiAl合金研究、件的进展

(2)张绪虎副总师谈:粉末冶金制备钛合金大型构密热加工成形技术的突破(3)吕维洁教授谈:钛基复合材料的大尺寸构件精展及趋势

(4)常辉教授谈:钛合金低成本制备加工技术的进

(1)国内TiAl合金研究、应用进展

的高温结构材料TiAl基金属间化合物ꎬ密度不到镍基合金的(也称TiAl合金)50%ꎬ是一种新型轻质具有轻质、高比强、高比刚ꎬ良好的高温抗氧化性、蠕变抗力及阻燃性能等优点ꎬ使用温度可达到650~900℃ꎬ成为当代航空航天工业、兵器工业以及民用工业等领域的优秀候选高温结构材料之一ꎮ目前工程用TiAl合金已形成两个不同使用温度的级别:高温TiAl合金(高Nb ̄TiAl合金)和普通TiAl合金ꎬ基础合金成分主要差别是在Nb含量上:Ti ̄48Al ̄2Nb为普通TiAl合金ꎻTi ̄45Al ̄(5~10)Nb为高Nb ̄TiAl合金ꎮ动机应用20064822 ̄TiAl年ꎬ美国波音合金作低压涡轮叶片787/747民用飞机ꎻ2016GEnx年系列发A320的PW1100G ̄JM ̄JTF发动机装配了TNM变形TiAl合金制备的低压涡轮叶片ꎻ日本、德国、美国等把TiAl合金成功应用于汽车增压涡轮叶片和排气阀ꎮ编辑从“第十七届全国钛及钛合金学术交流会”获悉ꎬ国内TiAl合金应用研究取得不少突破和进展ꎬTiAl合金研究和应用未来几年会加速发展吗?哪些方向应用会率先发展起来呢?对此ꎬ编辑采访了国内TiAl合金领域两位资深专家:北京科技大学林均品教授和钢铁研究总院张继教授ꎮ

 第5期中国材料进展

529

图1 TiAl合金与高温合金比有更高的比强度

图2 林均品教授团队研制的全尺寸TiAl合金铸造叶片

3 年有哪些重大突破和进展呢 编辑:林教授ꎬ国内TiAl大的进展挺多?

合金研究、应用方面ꎬ近

林均品教授:ꎬ比如:1)北京科技大

学牵头的“973”计划项目中ꎬ已开发出新一代高Nb ̄TiAl合金ꎬ使用温度比普通TiAl合金可提高60~100℃ꎮ目前ꎬ已铸造出航空发动机涡轮叶片样件ꎬ高Nb ̄TiAl增压涡轮通过了台架磨合试验ꎮ2)钢铁研究总院开发的二代TiAl合金Ti ̄47Al ̄2􀆰5V ̄1􀆰0Crꎬ应用在车用增压发动机上ꎬ已完成发动机整机寿命考核ꎬ正进行车辆全路况试运行ꎮ对比试验表明ꎬ涡轮减重显著改善了陆装动力的加速响应性和排放烟度ꎬ有望正式列装ꎻ研制的工业燃气轮机用低压涡轮叶片已在西门子工业燃机试验平台完成挂片24000hꎬ验证了表面和组织的长期稳定性水平ꎮ3)空发动机公司的精密铸造技术质量认证证书中科院金属所制备的TiAl合金叶片ꎬ获得英国罗罗航ꎮ4)哈工大负责的“军工973”项目将TiAl合金在航空航天领域的应用推进了一大步ꎮ

 可能最先突破和实现大规模应用的成形技术是什么呢 编辑:请您谈一下TiAl合金应用的前景?您认为?

ꎬ林均品教授:发展650~900℃使用的低密度、高比强的TiAl金属间化合物新材料是我国航空、航天、运输、能源技术发展的迫切需求ꎬ对国家安全和经济建设意义重大ꎮTiAl合金是一类全新材料ꎬ与镍基高温合金相比减重约50%ꎬ其应用将使我国高端制造产品的设计全新改变ꎬ有更新换代和突破性意义ꎬ经济效益巨大ꎮ最先突破和实现应用的成形技术将是铸造和等温锻造ꎮ

编辑:TiAl合金在我国还没有形成产业化及工程应

用ꎬ主要原因是什么呢?

林均品教授:主要有两方面的原因ꎮ首先是一些关键技术还没有突破:如TiAl合金零部件的低成本化制造ꎻ大型薄壁复杂TiAl合金构件凝固组织控制及整体熔模精密铸造技术ꎻTiAl合金挤压、近等温锻造、叶片模锻技术ꎬ大尺寸板材制备技术ꎬ连接及超塑成形技术ꎻ高性能低含氧量球形超细TiAl合金粉末制备及3D打印技术等ꎮ

还有就是数据库及设计准则的缺乏ꎮ当前制约TiAl合金在我国航空发动机上应用的主要原因是缺乏金属间化合物材料构件设计准则和使用经验ꎬ特别是对金属间化合物材料室温塑性和断裂韧性的要求、及其与蠕变和疲劳性能的匹配情况不明确ꎮ国外已经拥有TiAl合金的性能评价方法、设计准则和数据库ꎬ但对我国进行技术保密和封锁ꎬ因此建立我国针对典型牌号TiAl合金的性能表征、设计准则和数据库至关重要ꎮ

林均品ꎬ北京科技大学新金属材料国家重点实验室主任、教授ꎬ博导ꎬ“长江学者奖励计划”特聘教授ꎬ“973”计划首席科学家ꎬ享受国务院政府特殊津贴ꎮ中国材料研究学会理事ꎬ金属间化合物与非晶合金委员会副理事长、美国TMS高温委员会委员ꎬJournalKovove

Materialy ̄MetallicMaterialꎬJournaloftheKoreanSocietyforHeatTreatmentꎬ«中国材料进展»等编委ꎮ从事结构 ̄功能金属间化合物的研究ꎬ承担了“973”计划、“863”计划、国家军工平台建设项目、国家自然科学基金等30余项国家课题ꎮ发表论文380余篇ꎬSCI引用超3500次ꎬ出版专著2本ꎮ获省部级科技成果一等奖2项ꎬ授权国家发明专利40余项ꎮ是TiAl合金领域最高水平系列国际会议“GammaAlloyTech ̄30nology余次(ꎮ

GAT)”主席或共同主席ꎬ在国际会议上作特邀报告

530

中国材料进展第38卷

  编辑:张教授ꎬ您带领团队在国内TiAl合金应用方面率先取得较大进展ꎬ研制的TiAl精密铸造件应用在重型车辆用增压发动机上ꎬ已完成发动机整机寿命考核ꎬ正进行车辆全路况试运行ꎬ对重型车辆性能提升、环保性有很大意义ꎮ从报告中得知ꎬ整个推进应用的过程非常复杂、非常不容易ꎬ您可以给我们简单介绍下吗?

张继教授:是的ꎬ我们完成了从部件考核、发动机考核、到整车考核一个全流程试验ꎬ这个过程不光要解决材料自身的问题ꎬ还涉及部件加工、TiAl与钢轴连接、轴系动平衡调整等问题ꎬ需要很多新知识、新技术ꎬ需要材料研究人员和设计、制造及组装部门不断加强沟通、协同创新ꎮ

编辑:TiAl合金未来哪些方向会获得更多应用?张继教授:从国外和国内看ꎬTiAl铸造件应该会更快取得应用ꎮ像TiAl合金铸造件主要用在发动机燃烧室和发动机后段ꎬ风险相对小一些ꎻ而锻造件将应用在发动机前端ꎬ性能要求更高ꎬ风险更大ꎬ考核试验的过程会更长些ꎮ

编辑:TiAl铸造件或TiAl合金的市场规模大吗?会对高端钛材的用量提升贡献多少?

张继教授:TiAl合金铸件成本仍很高ꎬ是高温合金铸件的4倍左右ꎬ主要高在工艺成本ꎮ未来主要民用领域应用是民用航空发动机和特殊用途车辆的涡轮增压柴油机发动机等ꎬ形成批量仍需一定的时间ꎮTiAl系合金中

目前Ti2AlNb的应用已经成一定批量ꎬ现一年能到10吨左右ꎬ会对钛材用量提升有所贡献ꎮ

张 继ꎬ钢铁研究总院高温材料所教授、常务副所长ꎬ中国金属学会高温材料分会秘书长ꎮ长期从事新型高温合金材料和相关工艺技术研究ꎬ承担“973”计划、“863”计划等各类科研项目20余项ꎬ在ActaMaterialiaꎬ

IntermetallicsꎬMaterials

ScienceandEngineeringꎬ«金属学报»

等知名刊物上发表论文60余篇ꎬ作国际会议邀请报告12次ꎬ主持编写«中国高温合金手册»ꎮ获2016国际先进材料会议(9thIWAM)杰出贡献奖等ꎮ

(2)微纳复合强化钛基复合材料的大尺寸构件精密热加工成形技术取得重大突破

  上海交通大学吕维洁教授在“第十七届全国钛会 ̄金属间化合物与钛基复合材料分会”邀请报告中介绍到ꎬ他们团队在微纳复合强化钛基复合材料精密热加工成形技术的应用基础理论研究方面取得多项成果ꎬ并且已制备出直径达600mm的精密构件ꎬ在航天、兵器领域获得应用ꎬ使高性能钛基复合材料向工程化应用迈出一大步ꎮ

图3 钛基复合材料构件照片

  编辑:您可以介绍下微纳复合强化钛基复合材料ꎬ及其此次大尺寸构件精密成形加工技术突破的重要意义吗?

吕维洁教授:高性能钛合金材料是国家在重大装备制造中布局的重中之重ꎬ而原位自生颗粒增强钛基复合材料是在钛合金基础上ꎬ通过添加多元多尺度增强相发展出来的一类特殊新材料ꎬ突破了传统钛材强度低、模量小和耐热性差的臼壳ꎬ应用领域(航空、航天、兵器

等)和前景非常巨大ꎮ但是ꎬ制约钛基复合材料发展和规模化工程应用的关键问题仍然存在3点:复合调控难、组织优化难、形变加工难ꎮ

我们团队提出了钛基复合材料“控形、控型和控性”以及“微纳复合强化”的设计思想ꎬ从“设计复合 ̄复合响应 ̄变形加工”三方面ꎬ解决了原位自生钛基复合材料中有效增强体种类、尺寸、形态、分布等难以有效控制的难题ꎬ实现了多元多相高性能钛基复合材料的可控制备ꎬ

 第5期中国材料进展

531

研制出的钛基复合材料具有非常优异的高强高模和耐高温特性ꎮ然而ꎬ钛基复合材料由于存在陶瓷颗粒相ꎬ使其大尺寸构件精密成形加工非常困难ꎬ也是该材料大型构件成型和应用的瓶颈ꎮ针对复合材料精密成型难等关键科学和技术问题ꎬ近几年我们开展了热加工成形和工程应用的关键基础理论和应用研究ꎬ构筑了微纳复合强化钛基复合材料超塑性加工判据ꎬ解决了钛基复合材料的大变形难题ꎬ为高性能锻件研制供了实践依据ꎬ实现了高性能钛基复合材料精密热加工成形技术的应用基础理论创新ꎮ

编辑:钛基复合材料未来的发展趋势和重要问题ꎬ您认为有哪些?

吕维洁教授:钛基复合材料研究ꎬ未来既要深入拓展材料的基础研究ꎬ但也要持续扩大应用领域和工程化规模ꎬ形成研发 ̄应用 ̄发展的良性循环ꎮ其预期的增长点和发展趋势包括复合材料结构的优化、多元多尺度复合强韧化、纳米力学及构件服役性能评价ꎬ以及复杂构件的智能精密成形技术等方面ꎮ

吕维洁ꎬ上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室研究员、长聘教授ꎬ博导ꎮ长期从事原位自生钛基复合材料研究ꎮ创新性地提出利用多元、多尺度增强体复合强化提高钛合金性能的技术路线ꎬ建立了钛基复合材料“设计复合 ̄复合响应 ̄变形加工”的全链条基础理论

和制备技术体系ꎮ主持5项国家自然科学基金项目ꎬ及“973”计划、“863”计划等50多项课题ꎮ出版专著3本ꎬ发表SCI论文200余篇ꎬSCI论文他引2200多次ꎬ授权发明专利26项ꎮ获得国家自然科学二等奖、上海市自然科学一等奖、上海市科技进步二等奖、中国国际工业博览会创新奖、中国国际高新技术成果交易会优秀产品奖等奖励ꎮ获教育部新世纪优秀人才ꎬ上海市优秀学术带头人、上海市曙光学者、上海市科技启明星和全国优秀博士学位论文等荣誉ꎮ

(3)粉末冶金制备钛合金大型构件ꎬ进展迅速、成果丰硕

中国航天科技集团航天材料及工艺研究所张绪虎副总师在“第十七届全国钛及钛合金学术交流会”大会报告上ꎬ作了题为“航天钛合金材料及构件精密成型技术国内外研究进展和发展趋势”的精彩大会报告ꎮ就钛合金材料在航天领域应用研究的进展和发展趋势ꎬ编辑采访了张绪虎副总师ꎮ

编辑:张副总师ꎬ请您谈下钛合金精密成型技术方

图4 粉末冶金制备的钛合金大型、复杂构件

面ꎬ国内取得的进展?

张副总师:航天用钛合金有变形构件、铸造构件ꎬ还有粉末冶金构件ꎬ相比而言ꎬ粉末冶金技术及应用近年取得较大进展ꎮ这主要是因为我国的钛合金制粉技术取得突破和较大进展ꎬ国内很多企业可以提供高品质、多品种的3D打印钛合金粉和粉末冶金用钛合金粉ꎬ可以保证国内钛合金粉末冶金构件的各种材料需求ꎮ

编辑:粉末冶金技术具有哪些特点和优势呢?张副总师:粉末冶金技术制备的结构件ꎬ性能可达到锻件的性能水平ꎬ并且性能均一性好、制备过程短ꎮ产业化前景很好ꎬ优势明显ꎮ

编辑:除了高品质粉末ꎬ采用粉末冶金技术制备高性能航天领域钛合金构件ꎬ还需要解决什么关键技术难题呢?

张副总师:我们单位经过几个“五年计划”的实施和研究积累ꎬ还解决了大型构件热等静压技术、应力控制技术、大型复杂构件粉末冶金制备技术、型模去除技术等ꎬ可以实现大批量、稳定生产ꎮ随着技术的积累和进步ꎬ粉末冶金技术制备构件的高性能、低成本优势将日益凸显出来ꎬ航空航天领域的市场规模很大ꎮ

张绪虎ꎬ中国航天科技集团公司第一研究院七○三所副总工程师兼特种金属材料及工艺事业部主任、研究员ꎮ主要从事先进金属材料、金属基复合材料及其工艺技术的研究工作和多种武器型号产品的开发、研制、批产工作ꎮ负责和参与“863”计划ꎬ装发十二项、十八

项、二十项课题ꎬ航天民用技术等30余项课题ꎮ获得国防科技进步二等奖2项、三等奖3项、中国有色金属工业科学技术一等奖1项ꎻ申请各类国家发明专利(国防及实用新型)50余项ꎻ发表各类学术论文近百篇ꎮ

532

中国材料进展第38卷

(4)加快发展钛合金低成本制备加工技术ꎬ推动钛合金在重大工程的广泛应用

 加工技术国内外研究进展与发展趋势 南京工业大学常辉教授在题为“钛合金低成本制备”的大会报告中介绍说ꎬ2017年ꎬ我国钛锭年产能有146700吨ꎬ而加工材产量只有55400吨左右ꎬ消费量只有55130吨ꎬ综合产能利用率仅为37􀆰6%ꎬ消费不足ꎬ产能过剩ꎮ这主要是因为钛合金的成本还是太高ꎬ是钢铁价格的近17倍左右ꎬ是铝合金价格的4􀆰5倍左右ꎮ据美国波音公司统计分析ꎬ航空钛合金材料从原料到成品入库的总成本中ꎬ海绵钛原材料成本占46%ꎬ熔炼、加工成形、热处理、检验等成本占54%ꎮ加快研究、突破钛合金低成本制备加工技术、大力推动钛合金在我国相关重大工程中的广泛应用ꎬ是我国钛合金研究和产业发展的重要方向ꎮ对此ꎬ编辑采访了国内钛合金领域知名专家常辉教授ꎬ请他介绍下钛合金低成本制备加工技术的重要性及其途径ꎮ

编辑:常教授ꎬ您认为国内钛合金研究、应用与国外的差距有哪些?可否谈下钛合金低成本制备加工技术的重要性?

常辉教授:差距主要表现在以下几个方面:其一是钛合金基础研究水平差距较大ꎬ国外的研究比较深入和系统ꎬ数据积累非常丰富ꎮ其二是钛合金产品的一致性和稳定性有较大差距ꎮ这种差距一方面是由于管理方面的问题ꎬ但更重要的是工艺稳定性和一致性的控制水平有较大差距ꎮ其三是采用诸如材料基因组工程技术或材料集成计算工程技术ꎬ来研究钛合金全流程制备加工过程中成分 ̄组织 ̄性能 ̄服役性能之间关系ꎬ在这一前沿方向我们已经落后了ꎮ另外ꎬ就是钛合金的应用技术研究比较落后ꎬ对钛合金的应用造成影响ꎮ

研究和提出钛合金的低成本化途径和方法ꎬ是扩大钛合金用途和用量的根本途径ꎬ也是目前我国钛工业发展到现在的一个比较突出的问题ꎮ发展钛合金低成本制备加工技术对进一步促进我国钛合金产业向更高水平发展、钛合金制备加工技术的升级和换代以及大幅提高我国钛合金的应用范围和用量等将起到非常重要的作用ꎬ也是我国从钛合金大国向钛合金强国转变的必经之路ꎮ

编辑:钛合金低成本制备加工技术目前有哪些途径和方法呢?

常辉教授:钛合金低成本制备加工技术发展主要有3条技术途径:一是解决钛金属提取冶金的低成本化问

题ꎬ发展连续高效的提取冶金新技术ꎬ实现钛金属成本的显著降低ꎻ二是发展钛合金的短流程高效制备新技术ꎬ大幅降低钛合金制备加工成本ꎻ三是采用高效低成本的近净成形新技术ꎬ大幅提高钛合金材料的利用率ꎬ进而大幅降低钛合金的使用成本ꎮ

编辑:我国钛合金低成本制备加工技术研究ꎬ取得了哪些重要进展呢?

常辉教授:我国钛合金低成本制备加工技术研究得到了广大科技工作者的高度关注ꎬ目前在钛金属提取冶金新技术、钛合金短流程制备加工新技术以及高效低成本近净成形新技术等几个方面均取得了一定的进展ꎬ比如北京科技大学的可溶阳极电解钛(USTB)新技术、南京工业大学的钛合金连铸连轧(CC ̄HR)短流程新技术以及中国航天科技集团航天材料及工艺研究所的钛粉末冶金大型构件制备新技术等ꎮ

编辑:您认为ꎬ钛合金应用量ꎬ未来将在哪些领域取得爆发式发展呢?

常辉教授:如果钛合金成本能够降低50%左右ꎬ钛合金用量将取得非常大的提升ꎬ特别是在海洋工程领域和兵器装备领域ꎬ当然民用领域的用量也将会得到大幅提升ꎮ估计用量将会达到30~60万吨/年的规模ꎬ与现在6万吨左右/年用量相比ꎬ用量将会提高5~10倍ꎮ到时ꎬ我国钛工业水平也将会达到新的高度ꎮ

常 辉ꎬ南京工业大学材料学院教授/副院长ꎬ新材料研究院副院长ꎮ多年从事钛合金相变与组织控制及低成本制备加工技术方面研究ꎮ先后承担国家重点工程计划项目、“973”计划、“863”计划等各类科研项目50余项ꎬ已发表论文

世界钛会国际组委会委员150、余篇中国有色金属学会常务理事ꎬ授权专利20余项ꎮ现任

ꎬ国家及江苏省相关科技计划项目评审专家ꎮ

感谢5位专家接受采访或供稿ꎮ针对钛及钛合金领域近年重要进展的具体内容和专家的更多指导ꎬ«中国材料进展»编辑部近期将邀约前沿、高水平综述或组织专栏ꎬ敬请跟踪、关注ꎮ

(«中国材料进展»编辑 惠 琼)

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容