摘要：近年来，基于飞机、船舶、发动机等制造行业的迫切需要，国内外提出了对制造材料和制造技术的新的时代发展要求，同时也迎来了新的挑战和机遇。世界许多国家逐渐意识到了钛合金金属材料在航空航天中的重要作用。作为科技快速发展的国家，我国对于钛合金材料也采取了鼓励研究和开发的政策。因此，本文立足于钛合金的角度，阐述了钛合金的超塑成形工艺和应用。

　　关键词：钛合金；超塑成形；工艺；应用

　　钛合金在制造飞机中是不可或缺的材料，其在我国的航空航天行业中占据着重要的地位。从七十年代开始，中国就一直在对钛合金进行研究和创新。目前，国内已经有多家从事钛合金超塑成形研究的机构。在多年的发展和努力下，钛合金的超塑成形工艺得到了良好的创新和发展，并被广泛应用于军用和民用领域。这一发展不仅促进了军事制造方面的发展，同时也对经济产生了积极的推动作用。

　　1钛合金概念

　　1.1钛合金的定义

　　钛是一种在20世纪才被广泛发现并使用的金属矿物。它的密度为4.51g/cm3，熔点将近2000℃。这种金属在自然界中分布较广，占据了地球地壳质量的百分之六。钛是金属元素中含量第十高的，全球储量是铜的几十倍。钛合金是由钛为基础元素与其他元素混合而成的一种合金。它具有抗高温、高强度和抗腐蚀等优良性能。因此，钛合金被世界各国广泛应用于航天航空、轮船、汽车以及其它工业领域中，成为重要的组成部分。

　　1.2钛合金的特性

　　1.2.1密度小、强度高、比强度较大

　　钛的密度为4.51g/cm3，是普通钢密度的一半，强度比铝要大近三倍。此外，钛合金的强度是常用工业金属合金中最大的。它的强度可与铁碳合金相媲美。钛合金的强度甚至远远超过不锈钢、铝合金、镁合金等合金。因此，它在航空航天、飞机和导弹建造等领域中是不可或缺的金属结构材料，常常被视为理想的材料。

　　1.2.2抗腐蚀性较为优异

　　金属钛合金的钝性关键在于氧化膜的形成。钛在氧化物质中的抗腐蚀性要优于还原性的物质。当钛合金处于500℃以上的空气中时，其表面会迅速形成薄而密集的氧化钛膜。因此，钛合金在一些具有腐蚀介质的环境中具有较好的抗腐蚀能力。例如，在海水、次氯酸盐、硝酸盐、强碱以及硫化物等介质中，钛合金都表现出良好的抗腐能力。

　　1.2.3抗热性能优异

　　在高温环境下，钛合金金属材料可以保持其原有的内部特性。相比于铝合金，钛合金的抗热性能大大提高，且其适应的温度范围也更广。根据现有的实验数据表明，新型的钛合金已经能够承受高达600℃的温度。

　　1.2.4低温性能优异

　　钛合金除了在高温环境下具有稳定的性能外，其在低温甚至极低温的环境下仍然可以维持其自身的化学特性。相较于常规温度下的强度，它的强度更加优异，并具有较好的韧性。在低于0℃的温度下，钛合金仍然能够保持其原有的强韧性。例如TA7，即使在超低温条件下，仍然可以维持其原有的塑性。因此，钛合金是一种重要的低温性能金属材料。

　　1.2.5无磁性

　　钛是无磁性的，因此经常被广泛应用于潜艇壳体的制造中。例如，使用钛合金制造的海上船只具有体重轻、速度快、攻击性强的特点，从而大大降低了其遭受攻击的几率，并防止了水雷的爆炸。

　　2钛合金市场发展趋势

　　钛合金主要是由钛基元素与其他金属混合而成的一种合金。随着科学技术的不断发展，越来越多的国家意识到了钛合金材料的重要性。在对钛合金进行研究和发展的过程中，逐渐将其应用于实际实践中。在全球市场中，钛合金被广泛应用于国防、航空航天和工业相关的原件建造等领域。其中，航空领域的应用需求最大，占据了一半以上的市场份额。同时，根据相关专业数据的统计，截至2021年，全球范围内钛合金市场的销售额已经达到近50亿美元，并且年增长率超过了5%。

　　近年来，我国意识到了钛合金材料的重要性，发布了相关政策，大力推行、研发和开展应用型工作。2019年，我国颁布了《产业结构调整指导目录(2019年征求意见稿)》，其表明将高性能、较细、较粗、复合型结构硬质合金材料以及低模量的钛合金金属材料、抗腐蚀性钛合金金属材料以及航空航天特用的钛合金金属固定元件等列为产业结构调整的鼓励性项目。我国钛合金材料需求结构中，钛合金材料大量应用于化工建造方面。在航空航天领域上，我国航空业钛合金的使用比例为五分之一，与全球使用比例可以看作存在一定差距，同时也证明了我国航空钛合金市场有着较大的发展潜力和推广市场。现阶段在高端性钛合金市场领域，我国企业大批量生产相关军用与航空领域的钛合金金属是稀缺的，呈现出一种“双寡头”的市场竞争格局，该现状亟待突破和发展。

　　欧洲是第二大钛合金供应商，其钛合金生产市场份额达到了五分之一。北美则是最大的钛合金消费市场，其钛合金消费额占世界的近50%，西奥菲为北美最大的钛合金制品生产商。而欧洲则是仅次于北美的第二大钛合金消费市场，其自身的钛合金消费额也达到了近20%。

　　3钛合金超塑成形发展

　　在当前的发展过程中，钛合金因其卓越特性被广泛应用于最新的航空航天和导弹制造中。然而，钛合金的缺点也不容忽视，例如其弹性较低、抵抗力较大，导致用传统的变形方法生产复杂零件较为困难。为了解决这一难题，人们经过研究研制出了超塑性的钛合金。钛合金超塑性成形技术主要指的是在常规的内部和外部条件下，钛合金材料表现出一种异常高的流变性能和流变抗力的现象。这种创新工艺利用了钛合金在超塑性成形下良好的变形能力。

　　3.1钛合金超塑成形的前提条件

　　(1)温度的把控。在超塑成形的制造过程中，钛合金需要符合一定的温度条件。由于不同的钛合金对温度的适应能力不同，所以具体的温度数值应该根据相应钛合金的特性来相应调整。

　　(2)应变的速率值。拥有超塑性的金属在常规情况下的应变速率较慢，这主要是由于钛合金内部的原子需要一定时间才能扩散。

　　(3)细致的晶粒结构体。钛合金的超塑成形工艺还需要拥有等轴细致的晶粒建构体。

　　3.2钛合金超塑成形的模具

　　钛合金超塑成形的温度需要控制在700℃~1000℃之间，所以，选择模具材料时需要考虑其专门的特性，如高温强度、热稳定性、热膨胀系数、价格以及加工等。市场上常见的模具包括抗热合金、抗热钢、陶瓷和碳纤维等复合材料。对于碳纤维增强型复合材料，制造者不仅需要考虑其体积和重量，还需要知道其收缩数值等特性，以便更好地进行超塑成形脱模。此外，碳纤维增强型复合材料模具的制造设备价格低廉，性价比高。

　　3.3钛合金超塑成形的工艺

　　(1)高温加热。钛合金常采用模炉内加热法进行超塑性成形。具体步骤是先将模具放入高温炉内加热，直到加热点达到规定的成形温度，再将钛合金金属原料放入模具中，利用模具的传导热量原理，使钛合金金属原料升温到超塑性所需的温度范围内。

　　(2)密封。由于钛合金金属超塑成型是通过气压成形的，所以密封这一工作需要贯穿在从模具到金属材料的方方面面，这样才可以是得气压成型达到最佳的工作氛围点。

　　(3)真空。为了使得钛合金金属零部件贴膜工作的进行，需要对其模腔内进行抽空处理，以是得对钛合金金属原料起到很好的保护作用。

　　(4)刷制预防涂料。考虑其钛合金超塑成形的需求温度之高，所以为了预防出现氧化和吸氢的情况的发生，后续需要在钛合金金属的表面部分涂制特定的保护材料，以很好的起到保护和预防的作用。另外，在此工作情况之下，保护材料的选择也是非常重要的，需要考虑其保护材料与模具和钛合金金属的适配度，以及金属表面需要光泽无污染。在现如今的市面上，较为常用的保护材料有石墨水剂等。

　　(5)充气。由于钛合金的超塑性成形工艺是以气压成形的，所以在金属成形的过程中是需要一定量的惰性气体来作为压力点的，以防止钛合金金属材料出现氧化和吸氢的局面。另外还要注意充气的速率一定要较为缓慢。

　　4钛合金超塑成形方法

　　4.1超塑成形与扩散连接相结合技术

　　超塑成形与扩散连接相结合的方法，主要利用钛合金材料在同一温度下的超塑性和扩散连接性，完成工程成形中的连接作用。该工艺技术广泛应用于传统制作工艺下形状复杂、成形难度较大的薄壁结构部件等制造情况。现阶段主要有三种成形方法：先SPF后DB、先DB后SPF、DB和SPF同时进行。这种技术在金属工艺制造中得到了广泛应用。

　　例如，对于飞机飞行器的整体结构部件，如发动机舱门、大型口盖和宽弦风扇空心叶片等，采用超塑成形与扩散连接相结合的方法，可提高整个飞行器的性能，减小重量并延长使用寿命，以往的成形工艺无法达到此特殊的优越性能。例如，作为一种外观比较复杂的结构形零部件，飞行器的口盖需要具备减重性能。考虑到其外观特点和制作工艺难点，制造工艺包括板材下料、预压热成形、超塑成形、外观加工和终检等步骤。国外的罗罗公司采用该超塑成形与扩散连接相结合技术，成功制造了钛合金宽弦无凸肩空心风扇叶片。俄罗斯在本土成立了钛合金超塑成形研究机构——乌法超塑性成形研究所，专门研究钛合金。德国的MBB公司也通过钛合金超塑成形与扩散连接相结合技术，制造了卫星上的推进剂箱体等部件。

　　4.2气压成形技术

　　气压成形，又称吹塑成形，是最能凸显钛合金超塑成形整体特性的工艺。超塑性气压成形的制造方法主要是利用超塑性钛合金材料流动应力异常低、伸长率强大以及良好的复制特性，最终制造出外观形状各异的壳体类型零部件。气压成形具有一次性加工成形、加工便捷、加工零部件尺寸自由、受压力较小、模具成本低廉和无剩余应力等优良性能。

　　随着钛合金在航空航天制造中的广泛应用，钛合金薄壁整体结构部件的需求逐渐增加。由于其它方法存在的不足，液压成形和传统的超塑成形无法满足生产要求。但是，高温环境下的钛合金金属很容易发生围观变形的现象，如错位运动、孪生和晶体滑移等。因此，气压成形是生产钛合金薄壁整体结构部件的最佳方法。使用热气压成形技术，利用感应性加热圈迅速加热，然后利用高压气体作为介质传递力量。在高温、内部气压、管件端部沿轴方向的压力以及模具内壁的同步作用下实现下气胀成形。这种热气压成形具有回弹性能小、成形精度高、整体性能优、成功率高等特点。例如，现在市场上有TA15钛合金、TC4钛合金等可以采用气压成形工艺生产。

　　4.3超塑等温成形技术

　　钛合金等温成形技术是一种较为新式的成形工艺方法。超塑等温成形技术主要是通过抗热合金模具作为载体来进行成形的。其原理是通过在模具周围缠绕高频的感应加热线圈，使钛合金金属原料和模具能够在相同的温度下成形。这是一种低应变速率继续塑性变形的成形技术，从而获得所需要的复合零件。超等温成形包括等温精力模锻、等温超塑性成形和粉末肧等三种具体的方法。最近几年，它已广泛应用于航空航天制造工艺中，其中包括生产TC4与TB6钛合金构件。

　　例如，美国的GE公司通过使用等温成形技术制造带叶片的压气机整体叶盘转子，而精密成形的钛合金零部件难以获得一定的质检合格率。但等温成形技术和超塑性等温成形技术的应用为高温合金与钛合金压气机盘的制造过程提供了强有力的保障，这些成形技术不仅可以获得所需组织结构，还可以获得优良的力学特性。

　　4.4真空成形技术

　　真空成形是一种板材在超塑性温度范围内，通过放置于真空模具中形成的成形技术。该技术主要原理是利用工件和模具之间的热线膨胀数，在高温下软化材料并应力松弛，从而实现钛合金件的成形。与传统成形工艺相比，真空成形不需要繁琐的夹具，通常使用陶瓷模具来避免材料在高温下蠕变和出现褶皱。真空成形技术可分为两类：凸模法和凹模法。

　　凸模法是将已达到一定温度的原材料吸在凸起处进行成形的一种工艺手段，适用于制造内部尺寸要求较高的钛合金容器等零部件。相较而言，凹模法则是通过将原材料吸附在凹凸面之间的方式进行成形，适用于外部尺寸要求较高的钛合金零部件。目前，真空成形技术在国外得到了广泛的应用，尤其是用于飞机的整体壁板部分，例如美国和日本等国已经成功地利用真空成形加工方法制造出了Ti-6AL-4V合金零件。

　　4.5模压成形

　　模压成形法主要采用的是偶合模。

　　5钛合金超塑成形应用

　　伴随着航空航天、轮船、汽车等行业的不断发展，对于超塑成形的钛合金薄板的质量和需求也在不断提高。在国外，SP700钛合金已经成为了航空航天制造中广泛使用的机体结构材料，用于制造机舱门、隔板、飞机尾翼、飞机外形壳体以及以导风管为标志的具有薄壁性质的一系列零部件，很好地满足了整体化结构性的设计要求，并且成功减轻了整架飞机的重量；同时，在制造成本上也得以降低。此外，SP700钛合金还被用于制造BAe125行政机应急舱门以降低重量，以及用于ATP直升机检修舱门以降低生产成本。在国内，我国在几十年的研究中发展了钛合金超塑成形工艺技术，该技术已经成功代替了不锈钢零部件，并被应用于电瓶罩的制造。而在重量和成本上，都达到了最优处理。此外，该技术还成功应用于发动机口盖的制造中，替代了铝合金铆连接件。

　　6结语

　　综上所述，钛合金的超塑成形工艺技术在航空航天和工业上都得到了广泛的推行和应用。钛合金的应用也将成为未来空间发展的重要道路。然而，随着社会的快速发展，钛合金的超塑性仍然受到经济和技术上的制约。钛合金仍然存在着较大的开发潜力，有着更加广阔的市场和应用空间。