中國鈦及鈦合金研究和產業未來大有可為——“第十七屆全國鈦及鈦合金學術交流會”專題采訪

鈦合金具有密度小、比強度高、耐腐蝕性好等多種優異性能，一直得到多個行業的高度重視，被譽為“第三金屬”(鋼鋁之后的)、“空間金屬”、“海洋金屬”等，在國防軍工裝備輕量化發展、性能提升，“節能減排、綠色發展”、“建設海洋強國”等各方面需求和政策支持下，其重要性和發展前景不言而喻。我國鈦及鈦合金研究及產業經過65年發展，形成了冶煉、熔煉、加工、應用全產業鏈，技術體系較完整，在航空航天、化工領域、醫療行業等領域獲得較廣泛應用，基礎研究水平在國際上占有重要地位。廣闊的市場需求、良好的技術積累，毫無疑問，中國鈦合金研究和產業未來大有可為。

由中國有色金屬學會主辦的“全國鈦及鈦合金學術交流會”自1973年在寶雞成功舉辦第一屆會議以來，已先后成功舉辦了16屆，并發展成為我國鈦行業的科技盛會和鈦領域重要的產學研交流平臺。2019年4月14～17日，由南京工業大學等單位承辦的“第十七屆全國鈦及鈦合金學術交流會”在六朝古都南京成功召開。會議共進行了11個大會特邀報告、41個分會特邀報告和192個口頭報告，報告人來自我國鈦合金冶金、材料、制造及應用領域的近30家高校、15家研究院所和10家企業。相關領域專家、學者、碩博學生和工程師等600余人參加交流會。鈦行業的科技工作者們共同分享了近3年鈦行業基礎研究、應用研究的最新進展和可喜成果，交流探討了國內外發展動態和關鍵問題，通過內容豐富的交流以及不同學術思想的碰撞，啟發了思路，增強了合作。

《中國材料進展》雜志社是本屆學術交流會的協辦單位之一，并派編輯(筆者)參會學習。筆者了解到近3年我國在海綿鈦冶金、TiAl合金成形技術及應用、高品質鈦合金粉末制備、粉末冶金制備鈦合金大型構件、鈦合金增材制造、鈦合金低成本制備加工技術、鈦基復合材料成形技術等鈦領域眾多方向有重大進展。中國有色金屬學會賈明星理事長在大會致辭中說，鈦合金在C919大飛機項目、4500米深潛器等重大工程的應用，表明了我國鈦產業的發展又上了一個新臺階。相信未來，鈦及鈦合金高端化發展的速度會越來越快。同時，筆者也了解到目前我國鈦合金成本仍然很高，產品性能不均一、不穩定，應用量仍然很少；基礎研究、數據積累仍然比較弱，應用技術研究不足。鈦及鈦合金領域科研及產業發展任重道遠。

筆者借“第十七屆全國鈦及鈦合金學術交流會”召開的難得機會，采訪了5位鈦及鈦合金領域的資深專家，為鈦領域同仁們介紹部分應用研究方向取得的可喜成果，探討發展趨勢和重點。希望擴大會議交流成果，增強鈦領域科研人員的信心并凝聚共識，攜手專家、學者，助力鈦科技和產業轉型升級、繁榮發展。

(1)林均品教授、張繼教授談：國內TiAl合金研究、應用進展

(2)張緒虎副總師談：粉末冶金制備鈦合金大型構件的進展

(3)呂維潔教授談：鈦基復合材料的大尺寸構件精密熱加工成形技術的突破

(4)常輝教授談：鈦合金低成本制備加工技術的進展及趨勢

(1)國內TiAl合金研究、應用進展

TiAl基金屬間化合物(也稱TiAl合金)是一種新型輕質的高溫結構材料，密度不到鎳基合金的50%，具有輕質、高比強、高比剛，良好的高溫抗氧化性、蠕變抗力及阻燃性能等優點，使用溫度可達到650～900 ℃,成為當代航空航天工業、兵器工業以及民用工業等領域的優秀候選高溫結構材料之一。目前工程用TiAl合金已形成兩個不同使用溫度的級別：高溫TiAl合金 (高Nb-TiAl合金)和普通TiAl合金,基礎合金成分主要差別是在Nb含量上:Ti-48Al-2Nb為普通 TiAl合金;Ti-45Al-(5～10)Nb為高Nb-TiAl合金。

2006年，美國波音787/747民用飛機GEnx系列發動機應用4822-TiAl合金作低壓渦輪葉片；2016年A320的PW1100G-JM-JTF發動機裝配了TNM變形TiAl合金制備的低壓渦輪葉片；日本、德國、美國等把TiAl合金成功應用于汽車增壓渦輪葉片和排氣閥。編輯從“第十七屆全國鈦及鈦合金學術交流會”獲悉，國內TiAl合金應用研究取得不少突破和進展，TiAl合金研究和應用未來幾年會加速發展嗎？哪些方向應用會率先發展起來呢？對此，編輯采訪了國內TiAl合金領域兩位資深專家：北京科技大學林均品教授和鋼鐵研究總院張繼教授。

圖1 TiAl合金與高溫合金比有更高的比強度

圖2 林均品教授團隊研制的全尺寸TiAl合金鑄造葉片

編輯：林教授，國內TiAl合金研究、應用方面，近3年有哪些重大突破和進展呢？

林均品教授：大的進展挺多，比如：1)北京科技大學牽頭的“973”計劃項目中，已開發出新一代高Nb-TiAl合金，使用溫度比普通TiAl合金可提高60～100 ℃。目前，已鑄造出航空發動機渦輪葉片樣件，高Nb-TiAl增壓渦輪通過了臺架磨合試驗。2)鋼鐵研究總院開發的二代TiAl合金Ti-47Al-2.5V-1.0Cr，應用在車用增壓發動機上，已完成發動機整機壽命考核，正進行車輛全路況試運行。對比試驗表明，渦輪減重顯著改善了陸裝動力的加速響應性和排放煙度，有望正式列裝；研制的工業燃氣輪機用低壓渦輪葉片已在西門子工業燃機試驗平臺完成掛片24 000 h，驗證了表面和組織的長期穩定性水平。3)中科院金屬所制備的TiAl合金葉片，獲得英國羅羅航空發動機公司的精密鑄造技術質量認證證書。4)哈工大負責的“軍工973”項目將TiAl合金在航空航天領域的應用推進了一大步。

編輯：請您談一下TiAl合金應用的前景？您認為，可能最先突破和實現大規模應用的成形技術是什么呢？

林均品教授：發展650～900 ℃使用的低密度、高比強的TiAl金屬間化合物新材料是我國航空、航天、運輸、能源技術發展的迫切需求，對國家安全和經濟建設意義重大。TiAl合金是一類全新材料，與鎳基高溫合金相比減重約50%，其應用將使我國高端制造產品的設計全新改變，有更新換代和突破性意義，經濟效益巨大。最先突破和實現應用的成形技術將是鑄造和等溫鍛造。

編輯：TiAl合金在我國還沒有形成產業化及工程應用，主要原因是什么呢？

林均品教授：主要有兩方面的原因。首先是一些關鍵技術還沒有突破：如TiAl合金零部件的低成本化制造；大型薄壁復雜TiAl合金構件凝固組織控制及整體熔模精密鑄造技術；TiAl合金擠壓、近等溫鍛造、葉片模鍛技術，大尺寸板材制備技術，連接及超塑成形技術；高性能低含氧量球形超細TiAl合金粉末制備及3D打印技術等。

還有就是數據庫及設計準則的缺乏。當前制約TiAl合金在我國航空發動機上應用的主要原因是缺乏金屬間化合物材料構件設計準則和使用經驗，特別是對金屬間化合物材料室溫塑性和斷裂韌性的要求、及其與蠕變和疲勞性能的匹配情況不明確。國外已經擁有TiAl合金的性能評價方法、設計準則和數據庫，但對我國進行技術保密和封鎖，因此建立我國針對典型牌號TiAl合金的性能表征、設計準則和數據庫至關重要。

林均品,北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室主任、教授，博導，“長江學者獎勵計劃”特聘教授，“973”計劃首席科學家，享受國務院政府特殊津貼。中國材料研究學會理事，金屬間化合物與非晶合金委員會副理事長、美國TMS高溫委員會委員，JournalKovoveMaterialy-MetallicMaterial，JournaloftheKoreanSocietyforHeatTreatment，《中國材料進展》等編委。從事結構-功能金屬間化合物的研究，承擔了“973”計劃、“863”計劃、國家軍工平臺建設項目、國家自然科學基金等30余項國家課題。發表論文380余篇，SCI引用超3500次，出版專著2本。獲省部級科技成果一等獎2項，授權國家發明專利40余項。是TiAl合金領域最高水平系列國際會議“Gamma Alloy Technology (GAT)”主席或共同主席，在國際會議上作特邀報告30余次。

編輯：張教授，您帶領團隊在國內TiAl合金應用方面率先取得較大進展，研制的TiAl精密鑄造件應用在重型車輛用增壓發動機上，已完成發動機整機壽命考核，正進行車輛全路況試運行，對重型車輛性能提升、環保性有很大意義。從報告中得知，整個推進應用的過程非常復雜、非常不容易，您可以給我們簡單介紹下嗎？

張繼教授：是的，我們完成了從部件考核、發動機考核、到整車考核一個全流程試驗，這個過程不光要解決材料自身的問題，還涉及部件加工、TiAl與鋼軸連接、軸系動平衡調整等問題，需要很多新知識、新技術，需要材料研究人員和設計、制造及組裝部門不斷加強溝通、協同創新。

編輯：TiAl合金未來哪些方向會獲得更多應用？

張繼教授：從國外和國內看，TiAl鑄造件應該會更快取得應用。像TiAl合金鑄造件主要用在發動機燃燒室和發動機后段，風險相對小一些；而鍛造件將應用在發動機前端，性能要求更高，風險更大，考核試驗的過程會更長些。

編輯：TiAl鑄造件或TiAl合金的市場規模大嗎？會對高端鈦材的用量提升貢獻多少？

張繼教授：TiAl合金鑄件成本仍很高，是高溫合金鑄件的4倍左右，主要高在工藝成本。未來主要民用領域應用是民用航空發動機和特殊用途車輛的渦輪增壓柴油機發動機等，形成批量仍需一定的時間。TiAl系合金中目前Ti2AlNb的應用已經成一定批量，現一年能到10噸左右，會對鈦材用量提升有所貢獻。

張 繼,鋼鐵研究總院高溫材料所教授、常務副所長，中國金屬學會高溫材料分會秘書長。長期從事新型高溫合金材料和相關工藝技術研究，承擔“973”計劃、“863”計劃等各類科研項目20余項，在ActaMaterialia,Intermetallics,MaterialsScienceandEngineering,《金屬學報》等知名刊物上發表論文60余篇，作國際會議邀請報告12次，主持編寫《中國高溫合金手冊》。獲2016國際先進材料會議(9thIWAM)杰出貢獻獎等。

(2)微納復合強化鈦基復合材料的大尺寸構件精密熱加工成形技術取得重大突破

上海交通大學呂維潔教授在 “第十七屆全國鈦會-金屬間化合物與鈦基復合材料分會”邀請報告中介紹到，他們團隊在微納復合強化鈦基復合材料精密熱加工成形技術的應用基礎理論研究方面取得多項成果，并且已制備出直徑達600 mm的精密構件，在航天、兵器領域獲得應用，使高性能鈦基復合材料向工程化應用邁出一大步。

圖3 鈦基復合材料構件照片

編輯：您可以介紹下微納復合強化鈦基復合材料，及其此次大尺寸構件精密成形加工技術突破的重要意義嗎？

呂維潔教授：高性能鈦合金材料是國家在重大裝備制造中布局的重中之重，而原位自生顆粒增強鈦基復合材料是在鈦合金基礎上，通過添加多元多尺度增強相發展出來的一類特殊新材料，突破了傳統鈦材強度低、模量小和耐熱性差的臼殼，應用領域(航空、航天、兵器等)和前景非常巨大。但是，制約鈦基復合材料發展和規模化工程應用的關鍵問題仍然存在3點：復合調控難、組織優化難、形變加工難。

我們團隊提出了鈦基復合材料“控形、控型和控性”以及“微納復合強化”的設計思想，從“設計復合-復合響應-變形加工”三方面，解決了原位自生鈦基復合材料中有效增強體種類、尺寸、形態、分布等難以有效控制的難題，實現了多元多相高性能鈦基復合材料的可控制備，研制出的鈦基復合材料具有非常優異的高強高模和耐高溫特性。然而，鈦基復合材料由于存在陶瓷顆粒相，使其大尺寸構件精密成形加工非常困難，也是該材料大型構件成型和應用的瓶頸。針對復合材料精密成型難等關鍵科學和技術問題，近幾年我們開展了熱加工成形和工程應用的關鍵基礎理論和應用研究，構筑了微納復合強化鈦基復合材料超塑性加工判據，解決了鈦基復合材料的大變形難題，為高性能鍛件研制供了實踐依據，實現了高性能鈦基復合材料精密熱加工成形技術的應用基礎理論創新。

編輯：鈦基復合材料未來的發展趨勢和重要問題，您認為有哪些？

呂維潔教授：鈦基復合材料研究，未來既要深入拓展材料的基礎研究，但也要持續擴大應用領域和工程化規模，形成研發-應用-發展的良性循環。其預期的增長點和發展趨勢包括復合材料結構的優化、多元多尺度復合強韌化、納米力學及構件服役性能評價，以及復雜構件的智能精密成形技術等方面。

呂維潔，上海交通大學金屬基復合材料國家重點實驗室研究員、長聘教授，博導。長期從事原位自生鈦基復合材料研究。創新性地提出利用多元、多尺度增強體復合強化提高鈦合金性能的技術路線，建立了鈦基復合材料“設計復合-復合響應-變形加工”的全鏈條基礎理論和制備技術體系。主持5項國家自然科學基金項目，及“973”計劃、“863”計劃等50多項課題。出版專著3本，發表SCI論文200余篇，SCI論文他引2200多次，授權發明專利26項。獲得國家自然科學二等獎、上海市自然科學一等獎、上海市科技進步二等獎、中國國際工業博覽會創新獎、中國國際高新技術成果交易會優秀產品獎等獎勵。獲教育部新世紀優秀人才，上海市優秀學術帶頭人、上海市曙光學者、上海市科技啟明星和全國優秀博士學位論文等榮譽。

(3)粉末冶金制備鈦合金大型構件，進展迅速、成果豐碩

中國航天科技集團航天材料及工藝研究所張緒虎副總師在“第十七屆全國鈦及鈦合金學術交流會”大會報告上，作了題為“航天鈦合金材料及構件精密成型技術國內外研究進展和發展趨勢”的精彩大會報告。就鈦合金材料在航天領域應用研究的進展和發展趨勢，編輯采訪了張緒虎副總師。

圖4 粉末冶金制備的鈦合金大型、復雜構件

編輯：張副總師，請您談下鈦合金精密成型技術方面，國內取得的進展？

張副總師：航天用鈦合金有變形構件、鑄造構件，還有粉末冶金構件，相比而言，粉末冶金技術及應用近年取得較大進展。這主要是因為我國的鈦合金制粉技術取得突破和較大進展，國內很多企業可以提供高品質、多品種的3D打印鈦合金粉和粉末冶金用鈦合金粉，可以保證國內鈦合金粉末冶金構件的各種材料需求。

編輯：粉末冶金技術具有哪些特點和優勢呢？

張副總師：粉末冶金技術制備的結構件，性能可達到鍛件的性能水平，并且性能均一性好、制備過程短。產業化前景很好，優勢明顯。

編輯：除了高品質粉末，采用粉末冶金技術制備高性能航天領域鈦合金構件，還需要解決什么關鍵技術難題呢？

張副總師：我們單位經過幾個“五年計劃”的實施和研究積累，還解決了大型構件熱等靜壓技術、應力控制技術、大型復雜構件粉末冶金制備技術、型模去除技術等，可以實現大批量、穩定生產。隨著技術的積累和進步，粉末冶金技術制備構件的高性能、低成本優勢將日益凸顯出來，航空航天領域的市場規模很大。

張緒虎，中國航天科技集團公司第一研究院七○三所副總工程師兼特種金屬材料及工藝事業部主任、研究員。主要從事先進金屬材料、金屬基復合材料及其工藝技術的研究工作和多種武器型號產品的開發、研制、批產工作。負責和參與“863”計劃，裝發十二項、十八項、二十項課題，航天民用技術等30余項課題。獲得國防科技進步二等獎2項、三等獎3項、中國有色金屬工業科學技術一等獎1項；申請各類國家發明專利(國防及實用新型)50余項；發表各類學術論文近百篇。

(4)加快發展鈦合金低成本制備加工技術，推動鈦合金在重大工程的廣泛應用

南京工業大學常輝教授在題為“鈦合金低成本制備加工技術國內外研究進展與發展趨勢”的大會報告中介紹說，2017年，我國鈦錠年產能有146 700噸，而加工材產量只有55 400噸左右，消費量只有55 130噸，綜合產能利用率僅為37.6%，消費不足，產能過剩。這主要是因為鈦合金的成本還是太高，是鋼鐵價格的近17倍左右，是鋁合金價格的4.5倍左右。據美國波音公司統計分析，航空鈦合金材料從原料到成品入庫的總成本中，海綿鈦原材料成本占46%，熔煉、加工成形、熱處理、檢驗等成本占54%。加快研究、突破鈦合金低成本制備加工技術、大力推動鈦合金在我國相關重大工程中的廣泛應用，是我國鈦合金研究和產業發展的重要方向。對此，編輯采訪了國內鈦合金領域知名專家常輝教授，請他介紹下鈦合金低成本制備加工技術的重要性及其途徑。

編輯：常教授，您認為國內鈦合金研究、應用與國外的差距有哪些？可否談下鈦合金低成本制備加工技術的重要性？

常輝教授：差距主要表現在以下幾個方面：其一是鈦合金基礎研究水平差距較大，國外的研究比較深入和系統，數據積累非常豐富。其二是鈦合金產品的一致性和穩定性有較大差距。這種差距一方面是由于管理方面的問題，但更重要的是工藝穩定性和一致性的控制水平有較大差距。其三是采用諸如材料基因組工程技術或材料集成計算工程技術，來研究鈦合金全流程制備加工過程中成分-組織-性能-服役性能之間關系，在這一前沿方向我們已經落后了。另外，就是鈦合金的應用技術研究比較落后，對鈦合金的應用造成影響。

研究和提出鈦合金的低成本化途徑和方法，是擴大鈦合金用途和用量的根本途徑，也是目前我國鈦工業發展到現在的一個比較突出的問題。發展鈦合金低成本制備加工技術對進一步促進我國鈦合金產業向更高水平發展、鈦合金制備加工技術的升級和換代以及大幅提高我國鈦合金的應用范圍和用量等將起到非常重要的作用，也是我國從鈦合金大國向鈦合金強國轉變的必經之路。

編輯：鈦合金低成本制備加工技術目前有哪些途徑和方法呢？

常輝教授：鈦合金低成本制備加工技術發展主要有3條技術途徑：一是解決鈦金屬提取冶金的低成本化問題，發展連續高效的提取冶金新技術，實現鈦金屬成本的顯著降低；二是發展鈦合金的短流程高效制備新技術，大幅降低鈦合金制備加工成本；三是采用高效低成本的近凈成形新技術，大幅提高鈦合金材料的利用率，進而大幅降低鈦合金的使用成本。

編輯：我國鈦合金低成本制備加工技術研究，取得了哪些重要進展呢？

常輝教授：我國鈦合金低成本制備加工技術研究得到了廣大科技工作者的高度關注，目前在鈦金屬提取冶金新技術、鈦合金短流程制備加工新技術以及高效低成本近凈成形新技術等幾個方面均取得了一定的進展，比如北京科技大學的可溶陽極電解鈦(USTB)新技術、南京工業大學的鈦合金連鑄連軋(CC-HR)短流程新技術以及中國航天科技集團航天材料及工藝研究所的鈦粉末冶金大型構件制備新技術等。

編輯：您認為，鈦合金應用量，未來將在哪些領域取得爆發式發展呢？

常輝教授：如果鈦合金成本能夠降低50%左右，鈦合金用量將取得非常大的提升，特別是在海洋工程領域和兵器裝備領域，當然民用領域的用量也將會得到大幅提升。估計用量將會達到30～60萬噸/年的規模，與現在6萬噸左右/年用量相比，用量將會提高5～10倍。到時，我國鈦工業水平也將會達到新的高度。

常 輝，南京工業大學材料學院教授/副院長，新材料研究院副院長。多年從事鈦合金相變與組織控制及低成本制備加工技術方面研究。先后承擔國家重點工程計劃項目、“973”計劃、“863”計劃等各類科研項目50余項，已發表論文150余篇，授權專利20余項。現任世界鈦會國際組委會委員、中國有色金屬學會常務理事，國家及江蘇省相關科技計劃項目評審專家。

感謝5位專家接受采訪或供稿。針對鈦及鈦合金領域近年重要進展的具體內容和專家的更多指導，《中國材料進展》編輯部近期將邀約前沿、高水平綜述或組織專欄，敬請跟蹤、關注。