鈦與鈦合金被稱為“未來金屬”“第三種金屬”“海洋金屬”等等。鈦合金發展以來受到多國高度重視。自進入 21 世紀，我國航空航天科技事業發展空前，這樣的成就離不開高能研究團體和先進系統的支持，而這些都是基礎性但又不可或缺的金屬材料所促成的。其中，鈦作為一種輕質金屬，被廣泛應用于制造飛機、輪船和工業生產中。近幾年，鈦合金被廣泛應用于飛機發動機、加固部位、燃燒室、噴口以及渦輪盤等關鍵零部件。鈦及鈦合金被贊譽為現代的“新式金屬”。雖然鈦合金作為一種具有發展意義的金屬材料已廣泛應用于航空航天等領域的制造，但是由于提取和加工成本較高，鈦合金依舊不能滿足我國建設需求。

1、 鈦合金定義

鈦是一種化學元素，外觀為銀灰色。由于其自身分散、提取困難，成為自然界中的稀有金屬元素。主要分布于地殼和特定巖石圈層中。目前提取鈦元素的方法主要有克羅爾法和亨特法。鈦合金的結構原理 ：鈦合金主要以鈦為基礎性元素，混合其他元素形成合金。

鈦包含兩種同質異金屬，分別為 882℃以下的密排六方 ɑ 鈦和882℃以上的體心立方 β 鈦。鈦合金依據它們對不同溫度的影響可分為以下三類 ：

第一類是穩定 α 相，穩定元素有鋁、錳，水合物等。第二類是穩定 β 相，降低相互轉變溫度，穩定元素有鉬、釩（同晶型）和銅、鐵、硅等（共析型）。第三類是對相變溫度影響不大的中性元素，如錫、鋯等。

2、 鈦合金超塑性發展現狀

我國展開鈦合金超塑性成形工藝研究已經有 20 多年的歷史，超塑性的鈦材已經被劃入到了重點的扶持新材料的品種行列之中。我國先后研究出了多種超塑性鈦合金被批量應用到飛機和發動機之中。現階段，我們國家在發展飛機超塑性鈦合金結構的綜合性能方面達到了世界的先進水平。但是，在綜合化的穩定成熟使用推廣層面，依舊存在著一個較為漫長的過程。例如，在大規模性的超塑性零件批量化制造、核考驗證、應用以及配套的設施和使用，都是需要加大提升成熟力度的。另外，在高端的超塑性鈦合金領域，我們國家在超塑性鈦合金的材料回收再利用方面以及利用率和低成本的提升方面依舊落后于美國等發達的國家。因此，需要對鈦合金超塑工藝技術進行探索和長遠規劃。

3、 鈦合金超塑性

3.1 鈦合金超塑性研發背景

鈦合金的超塑性技術主要是利用其在超塑性狀態下的良好形變能力而衍生出來的一種新型加工工藝。當前，在航天航空、船艇、導彈以及汽修等制造業上使用的都是鈦合金的金屬材料。鈦合金擁有著強度大、比重輕、耐腐蝕性優等特性。但是，它的彈性模量非常低，使用傳統的形變手段是很難制造出形狀各異且符合現代化多種多樣生產需求的零部件。在此基礎之下，為了解決這一大難題，相關專家經過多年的研發制造出了超塑性鈦合金金屬。穩固 α 相、提升相互變換溫度的元素為 α 穩定的元素，例如有鋁、氧氣、氮氣以及碳等等。在鈦合金之中，主要的混合金屬元素為鋁。這種金屬元素對于鈦合金的溫度、強度以及彈性方面都是有著提升作用的。

3.2 鈦合金超塑性概念

鈦合金超塑性意為在材料的內外部條件的基礎之下，呈現出一種反常規、較低的流變抗力、反常規的高流變性能的現象。

依據鈦合金金屬材料自身的結構性和形變條件，鈦合金超塑性可以被劃分為三大類。其中一類是微晶超塑性合金，這種超合金形成超塑性的前提條件為 ：其形變的溫度要高（其熔點大致為絕對溫度的 0.4 ～ 0.7 倍之間）；形變的速度要低，材料的晶體結構應該為細微的晶粒。第二類為相變超塑性合金，又稱轉變超塑性（變態超塑性），這一類的超塑性，與前一類不同，它不要求材料中需要有細微的晶粒，它需要的是在一定的恒溫負荷條件之下，通過多次循環性的相變來獲得較大的擴展。第三類的超塑性（其他超塑性）：在應力退火的階段中，在應力的作用之下得到的超塑性。鈦合金擁有較大的活躍性和延伸能力，所以自身擁有超高的塑性、較低的流動應力。

3.3 鈦合金超塑性成形的特點

根據鈦合金超塑性在宏觀方面變形的特點，它具有大變形、易成形、無縮頸、少應力等特點。

3.3.1 大變形

超塑性材料在單方面的拉伸環節中 δ 值非常高。據現有實驗數據可知，其最高可高達 5000%。從側面證明了鈦合金超塑性在變形穩定方面比普通鈦合金材料更強。鈦合金超塑性使得鈦合金材料的成形性能加強，讓制造復雜的鈦合金金屬零件成為可能。現在一些家用電器制造件中使用鈦合金超塑性成形的零部件。除此之外，在人造衛星上的燃料箱制造中，也廣泛應用鈦合金超塑性金屬。

3.3.2 易成形

鈦合金超塑性在形變的過程中出現應變硬化的幾率非常小。

因此，可進行輕松的壓力加工。鈦合金超塑性金屬的填充和流動性優化，可在多種形式下進行各種類型的零部件加工，使產品質量有保障。

3.3.3 無縮頸

普通的鈦合金金屬在拉伸形變的過程中，產生初期的縮頸后，由于應力的集中導致縮頸進一步發展，出現提早斷裂的現象。失敗的樣品會遺留下非常明顯的宏觀縮頸。而鈦合金超塑性材料的形變等同于黏性物質流動的特性。雖然沒有或很少有應力硬化效應，但形變速率極其敏感。形變速率加大時，金屬材料的硬化效應會增強。因此，鈦合金超塑性金屬材料在形變的最初階段會出現縮頸。在縮頸位置形變速度改變時，對局部位置進行強化。剩余未被強化的部分將繼續進行形變。在此基礎上，縮頸得以傳播，從而獲得形變均勻的結果。

3.3.4 少應力

鈦合金超塑性金屬材料在形變過程中，其形變抵抗力很小，具有良好的粘性和半黏性特性。在一般情況下，流動應力代表形變抵抗力的大小。在最佳形變條件下，流動應力 ɑ 可以比特定形變縮小至幾分之一，甚至十分之一。這將使材料成本降低，達到最優化的局面。

4、 鈦合金超塑性工藝分類

依據鈦合金超塑性的概念化文字中可以知曉，鈦合金金屬在超塑性變形的情形之下，不同的溫度、速率以及應力效果對于金屬變形都是有著本質的變化，參考當前存在的各國學者研究出來的可靠結論，依照實現鈦合金超塑性工藝的成功因素和條件，現階段可以將鈦合金的超塑性劃分為以下幾個大類。

4.1 組合超塑性

組合超塑性即恒溫（結構）性鈦合金超塑性，這種類型的超塑性也是現今我國對其研究最深最多最廣的一類。制作上，鈦合金的超塑性工藝也多指這一種，這種鈦合金超塑性工藝展開制作的 ɑ 還要保證這種晶粒要熱穩定性能優，在高溫下具備恒定的展示狀態 ；其次，該超塑性的工藝要把控金屬變形的溫度，該變形的溫度要在 0.5Tm 以上（Tm 是熔點的絕對性溫度），并且還要恒定控制金屬在變形過程時的溫度 ；最后，應變速率應該依照情況相對降低，常規下，以普通性的鈦合金屬為例，在拉伸的實驗環節中，應變的速率至少得降一個數量級。

4.2 相變超塑性

相變超塑性又稱變溫超塑性和動態超塑性，這一類的鈦合金超塑性工藝對于細微晶粒材料的要求較為寬松，這種工藝關注在特定的溫度以及負荷條件下，通過多次的循環相變與同素異形轉變后得出來的延伸率數據，在此基礎上，進行開展的核心條件應具備固態相變的特點，在外載荷體的作用條件下，能夠在相變的溫度中進行上下的循環加熱與冷卻工作，這樣就可以實現鈦合金金屬組織內部結構的變化，使得鈦合金金屬在劇烈的運動中實現自身的超塑性。在工藝的進行中可能影響的因素有應變的速度、加熱溫度的最高點和熱幅度循環速度以及溫度的循環次數等等，另外由于相變超塑性是在相變的溫度基礎上進行升降溫的實驗，所以溫度、速率以及次數都是影響該工藝精確度的重要性因素。

4.3 其它超塑性

其它超塑性是一種以普通鈦合金金屬作為基礎，在特定條件下能迅速實現超塑性變形的工藝。例如，在熱軋碳鋼鐵棒迅速加熱環節中能夠延伸到 α+β 的這兩個相區，保溫區間維持在5s ～ 10s 之間，在拉伸的環節中，其延伸率可達 100% ～ 300%。

以上情形被稱之為短暫超塑性，能在結晶和組織轉變等不太穩定的情形下，產生等軸微小晶粒體，且在短暫時間內，通過足夠外力加持，形成鈦合金超塑性變形。

5、 鈦合金超塑性現實應用

5.1 TC4 超塑性鈦合金

鈦合金具有良好的超塑性，其中 TC4（Ti-6Al-4V）鈦合金的超塑性能是市場認為發展前景最好的合金金屬。這種鈦合金的超塑性工藝在研發和應用層面已經迅速發展，收到了較好的經濟效益。TC4 和其他鈦合金相比，具有最佳的超塑性能和較成熟的應用方面。此外，TC4 鈦合金還具有適宜的適應強度，在中高溫度范圍內具有良好的蠕變抗力，熱能的定量化和較強的抗疲勞性，并符合市場的化學腐蝕性能要求。特別是適用于制造溫度范圍較寬的金屬零部件，特別是設計為金屬部件的損傷容限規則。

5.2 TC4ELI 超塑性鈦合金

TC4ELI 鈦合金是 TC4 鈦合金的改良版型，它們之間的不同主要是之間存在著不同的 Al、Fe、O、H 等元素的含量。TC4ELI鈦合金具有相容性強、彈性模量小、密度小、抗腐蝕性能優越、環保無毒、屈服強度高、抗疲勞、塑性較強、易形變等特點，這種鈦合金是醫用外科植入的理想型金屬材料。醫用的 TC4ELI 鈦合金主要使用于顱骨的修復、接骨等層面。醫用的設備制造在人體內因為外傷、腫瘤等造成的涉及到骨頭、關節等部位的損傷時，通過使用鈦或者是鈦合金制作的人工性關節、接骨板以及螺絲等一些細小的零部件以及其它的一些方面，例如，踝關節、膝關節、肘關節、指尖關節、人工心臟以及鈦網層面等等都被應用了 TC4ELI 鈦合金。

5.3 SP700 超塑性鈦合金

SP700 是一種新型的以 β 相為主的 α+β 類型的超塑性鈦合金金屬，它主要是在 Ti-6Al-4V 的鈦合金成分的基點下增添了能夠讓 β 穩定性的化學元素錳和鐵，以此來降低 β 相互轉變的溫度熱量，SP700 鈦合金中 β 的轉換溫度為 1173K，比 Ti-6Al-4V 鈦合金的溫度減少了將近 100K，其中它的超塑性溫度也隨之降低，很好的完善了鈦合金冷與熱之間存在的加工性能，提升了鈦合金的超塑性能、可淬性能以及抗勞性等層面。基于 SP700 鈦合金自身具有的優質機械特性、超塑性能，所以此鈦合金成為了外國航空航天制造業中十分受歡迎的鍛造材料之一，并且以 SP700 鈦合金制造出來的鈦合金薄板應用甚廣，它還可以通過超塑成形與擴散連接相結合技術來制造生產出飛機的機艙門、隔板、導風管、殼體以及其它類型的復雜性零部件，在整體的制造方面很好的減少了連接部件的數量，達到了制造過程中整體化構建設計的需求，增強了部件結構的抗勞性與可靠性，減重效果也是卓有成效。近幾年，SP700 鈦合金的市場也擴展到了運輸設備領域內，占據著一定的市場份額。

6 、鈦合金超塑性應用的現實意義

6.1 有利于零部件的特殊化形成

鈦合金金屬材料在超塑性的制造過程中易于流動，且填充性優良，使得原來難以填充的區域在超塑性工藝的加持下得以解決，填滿的難度瞬間拉滿，在免除切削工藝基礎上，有利于杜絕浪費，加工費用得以節約。

6.2 有利于動力的節省

該鈦合金超塑性金屬自身擁有著超強的塑造性和較低的強硬度。即強硬度數值恒定情況下可以維持在 0.7 千克力 /mm²，所以后期能夠在一般性質的金屬材料加工和一定數量級的載荷下的過程中進行超塑性的流動工作，此過程中它的動力性將被大大的節省，從而達到最優值。

6.3 有利于加工工序的減化

普通的形變加工方法是需要通過多種的工序步驟才可以制作出金屬零部件，但是鈦合金采用超塑性工藝進行零部件的多類型成形則只需要一種工序即可完成，在加工的過程中也不需要多余的切削工藝介入，所以有利于制作公費的節省和預防材料的浪費。

7 、鈦合金超塑性研究的意義

鈦合金自身在現階段是眾多國家發展所不可或缺的輕質結構性金屬材料。憑借優良的特性，鈦合金在航空航天、船舶制造以及氣化工業中都占據了一定的市場地位。鈦合金的超塑性成形具有形變壓力低、可變性大以及精確度高等眾多優點。研究鈦合金超塑性工藝不僅可以擴展此工藝的知識面，而且可以為攻克鈦合金超塑性加工過程中的難點提供解決思路和依據，當前鈦合金的超塑性工藝應用已擴展到航空航天和氣工業，并挖掘其在其他領域的應用是不可避免的發展趨勢。此外，對其他金屬進行超塑性研究，可以提供制造思路和依據，這對制造業以及國家的發展都具有強大的可持續發展意義。這對客觀上加強我國國防也有利，即在經濟發展和國家安全上都具有較強的可持續發展前景。

8 、結語

綜上所述，伴隨著時代的發展和科技的進步，鈦合金材料通過它自身的優越性讓世界各國都看到了它的應用價值。鈦合金的超塑性工藝延伸了它的被利用的價值，是鈦合金進行可持續發展的重要工藝技術。盡管，當前我國在鈦合金的研發階段依舊存在著諸多的難題，但我國豐富的鈦資源將會為鈦的發展作出重要的貢獻。鈦合金終究會在我國開辟出美好的前景。

（作者單位 ：1. 沈陽飛機工業（集團）有限公司 ；2. 空軍裝備部駐沈陽地區第一軍事代表室）

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