小序

航天航行器往往在大应力、超高/低温、强侵蚀等极端条件下事情，，，，，，，，对证料及构件提出了较为苛刻的服役需求，，，，，，，，而轻质并顺应这些服役情形需求是航天产品选择质料及其成形手艺的主要标准［1-3］。。。。。。。钛合金具有比强度比模量高、抗侵蚀性能好、高/低温性能优异等特点，，，，，，，，集航天质料所需特质于一体，，，，，，，，成为了航天领域应用普遍的要害质料之一［1-6］。。。。。。。从工艺手艺角度出发，，，，，，，，航天领域主流的钛合金细密成形手艺可分为细密铸造、细密铸造、旋压成形、超塑成形和粉末冶金成形［3，，，，，，，，6］。。。。。。。现在，，，，，，，，海内外对钛合金及其细密成形手艺在航空领域的研究希望已有大宗总结性报道［5-9］，，，，，，，，可是航天领域的相关概述较少。。。。。。。为此，，，，，，，，本文从航天领域钛合金相关构件的研制角度出发，，，，，，，，对海内外航天用钛合金及其细密成形手艺的研究现状举行了分类与总结，，，，，，，，最后团结我国航天工业的现实需求，，，，，，，，对其未来生长举行了展望。。。。。。。

1、航天钛合金细密成形手艺研究希望

1.1钛合金细密铸造手艺

钛合金细密铸造手艺具有成形精度高、生产周期短、尺寸无邪性好等特点，，，，，，，，可以很好地顺应高精度、重大钛合金薄壁构件的研制［10-13］。。。。。。。其中，，，，，，，，石墨型铸造和熔模细密铸造在航天领域应用普遍，，，，，，，，主要用于叶轮类、舱体类、机匣类产品的研制［12-14］。。。。。。。

现在，，，，，，，，外洋在中温中强钛合金细密铸造手艺方面已十分成熟，，，，，，，，主要合金牌号为 Ti-6-4 和 BT20。。。。。。。在高温高强钛合金细密铸造方面主要涉及 β-21S、BT35、Ti1100、IMI834 等牌号，，，，，，，，可是其铸造工艺现在仍保存铸件性能低、焊接难题、铸件开裂倾向高等弱点。。。。。。。我国在铸造钛合金质料研发方面多为仿制外洋铸造钛合金牌号，，，，，，，，其生长也基本泛起出中温中强到高温高强的趋势，，，，，，，，航天领域主流铸造钛合金牌号为ZTC4 和 ZTA15，，，，，，，，主要用作弹翼类、舵面类、舱段类产品的研制。。。。。。。别的，，，，，，，，我国也相继开发了诸如 ZTi55、ZTi600、ZTi65、ZTA35 等新型铸造高温钛合金，，，，，，，，室温抗拉强度可达 1.1 GPa，，，，，，，，高温抗拉强度可达 625 MPa，，，，，，，，使用温度为 550~700 ℃［15］。。。。。。。可是这几类新研发的铸造高温钛合金保存合金因素重大、铸件开裂倾向高、焊接难题等问题，，，，，，，，响应的铸造工艺还不敷成熟，，，，，，，，现在仅为工程研制阶段［15-16］。。。。。。。

航天领域大型、重大细密结构以及钛合金铸件高性能化的生长需求，，，，，，，，快速推动了磁悬浮熔炼、3D打印、盘算机数值模拟、热等静压致密化等新手艺新工艺在细密铸造领域的应用和生长［17-20］。。。。。。。现在，，，，，，，，3D 打印手艺已可实现 1 800 mm×1 000 mm×700 mm 整体铸造型壳或型芯的制作，，，，，，，，其精度可控制在 0.3 mm 以内，，，，，，，，代表性厂商主要有德国 ExOne、Voxeljet 公司、美国 SolidScape、3DSystem 公司［21］。。。。。。。别的，，，，，，，，数值模拟手艺已被普遍应用于铸造的充型、凝固、缩松及缩孔展望、应力漫衍展望等历程，，，，，，，，可有用指导铸造工艺、提高铸件精度和质量，，，，，，，，现在主流的数值模拟软件厂商有美国 Procast、日本 Soldia、德国 Magma Soft、中国华铸 CAE 等。。。。。。。在性能刷新方面，，，，，，，，热等静压致密化手艺已被普遍应用于铸件后处置惩罚历程中，，，，，，，，可使缺陷爆发冶金闭合、消除缩松及缩孔、改善因素偏析，，，，，，，，有用提升铸件的显微组织及力学性能，，，，，，，，但仍需要关注并解决铸件在热等静压历程中组织粗化、相变导致的性能下降以及变形控制的问题［12-13］。。。。。。。现在，，，，，，，，随着多种工艺手艺的前进，，，，，，，，钛合金细密铸造手艺泛起出了手艺种类多元化、交织化、普适化的生长趋势，，，，，，，，已可生产出直径 2 m 量级的大型钛合金铸件，，，，，，，，铸造公差可达±0.13 mm，，，，，，，，最小壁厚可控制在1.0 mm［13］。。。。。。。

1.2钛合金细密铸造手艺

钛合金细密铸造手艺是通例的近净成形工艺，，，，，，，，现在主要通过刷新铸造工艺来提高构件的使用性能［22］。。。。。。。其中，，，，，，，，细密模锻和等温超塑性铸造在航天领域应用普遍，，，，，，，，主要用于气瓶类、贮箱类产品的研制。。。。。。。外洋细密铸造工艺所涉及的钛合金牌号主要有Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Sn ELI、OT4-1、BT5-1、LT700等［23-24］。。。。。。。例如，，，，，，，，美国接纳细密铸造工艺乐成研制了Ti-6Al-4V 和 Ti-5Al-2.5Sn ELI 钛合金压力容器类构件，，，，，，，，在鼎力大举神Ⅲ过渡级发念头获得了应用。。。。。。。俄罗斯接纳细密铸造生产的 OT4-1、BT5-1燃料贮箱已乐成应用到前进号探测器上，，，，，，，，日本接纳细密铸造工艺生产的LT700锻件已乐成运用到H2A、H2B火箭压力容器等低温结构零部件中［23］。。。。。。。

我国航天领域钛合金细密铸造手艺主要涉及TC4ELI、TA7ELI、TC4、TC11等牌号，，，，，，，，现在多用于压力容器类、轻质高强承力结构件的研制［25-26］。。。。。。。其中，，，，，，，，钛合金气瓶类构件的细密铸造手艺在我国航天领域已获得了普遍应用，，，，，，，，主要朝着大尺寸、大变形量、高成形精度、高成形性的偏向生长，，，，，，，，现在已迅速靠近或抵达国际先进水平［27］。。。。。。。例如，，，，，，，，我国接纳细密模锻手艺已乐成研制出容积为 20 L 的 TA7ELI 钛合金低温气瓶，，，，，，，，现在已在 XX-3A，，，，，，，，XX-5 运载火箭增压运送系统中获得大宗应用［图 1（a）］［24］。。。。。。。近期，，，，，，，，航天质料及工 艺研究所首次接纳 TA7ELI 钛合金宽厚板团结等温超塑性铸造手艺乐成研制出体积为 130 L 的 TA7ELI钛合金低温冷氦气瓶［图 1（b）］，，，，，，，，解决了 TA7ELI热加工性能差、易因素偏析、制造本钱高等短板，，，，，，，，其在 20K条件下低温抗拉强度可达 1.45 GPa，，，，，，，，延伸率≥10%，，，，，，，，壁厚尺寸精度可达±0.2 mm，，，，，，，，且具有变形速率低、成形历程易控制、质量可靠性高、成形精度高等优势。。。。。。。

1.3钛合金超塑成形手艺

超塑成形手艺由于具有成形精度高、近无回弹、无剩余应力等优势，，，，，，，，现在已成为了推动航天钛合金构件设计看法生长的开创性近净成形工艺之一，，，，，，，，特殊适用于重大薄壁结构件的研制［28-32］。。。。。。。外洋在超塑成形钛合金质料领域已履历了由通例钛合金（Ti-6Al-4V、IMI550、BT6）到金属间化合物、钛基复合质料的研发历程，，，，，，，，现在已形成了多种超塑专用钛合金（超细晶 Ti-6-4、SP700、BT23）［29-30］。。。。。。。

我国对超塑性钛合金质料的早期研究主要以仿制外洋牌号为主，，，，，，，，现在已实现了 TC4 钛合金超塑用细晶板材的工业化生产，，，，，，，，平均晶粒尺寸可控制在 5 μm 左右 ，，，，，，，，板 幅 尺 寸 可 达（0.8~3.0）mm×（1 300~1 500mm）×L，，，，，，，，纵横向力学性能差别可控制在 50 MPa 以内［29］。。。。。。。近期，，，，，，，，我国已乐成研制出超塑用高强细晶SP700 钛合金板材，，，，，，，，其晶粒尺寸可达 1~2 μm 量级，，，，，，，，板材规格可达（0.6~3.0）mm×1 000 mm×（2 000~3 000）mm。。。。。。。该合金在 770~800 ℃即可体现出优异的超塑性，，，，，，，，延伸率高达 2 000%，，，，，，，，较细晶 TC4板材而言其超塑成形温度可降低约 140 ℃，，，，，，，，在航天领域具有辽阔的应用远景［29，，，，，，，，33］。。。。。。。别的，，，，，，，，在其他先进超塑钛合金质料研制方面，，，，，，，，我国相继开发了诸如 SPTi55、BTi-62421S、BTi-6431S 等高温钛合金超塑板，，，，，，，，并在金属间化合物（TiAl、Ti3Al、Ti2AlNb）等先进超塑钛合金质料研发领域已着手开展了大宗事情，，，，，，，，现在已突破了外洋对我国高质 量超塑用钛合金板材的手艺封闭与限制［29-30，，，，，，，，34］。。。。。。。

在钛合金超塑成形工艺手艺方面，，，，，，，，外洋现在已具备单层构件、多层构件、桁架及正弦波等异型构件的批量化生产能力，，，，，，，，使超塑成形手艺的研究热门逐渐由质料研发转向现实工程应用［24，，，，，，，，35-36］。。。。。。。例如，，，，，，，，美国使用超塑成形手艺乐成研制了150 mm直径的Ti-6Al-4V钛合金推进剂贮箱，，，，，，，，可实现降低本钱60%，，，，，，，，结构质量减轻30%的目的。。。。。。。日本ISAS和MHI公司接纳板材预焊接+吹胀的方法乐成研制出Ti-6Al-4V钛合金超塑成形N2H4燃料贮箱（图2），，，，，，，，已在卫星上获得大宗应用［36］。。。。。。。

我国现在在钛合金超塑成形领域已突破单层胀形控壁厚手艺、SPF/DB 空心构件成形手艺以及大型三层/四层空腔翼板成形手艺等要害手艺，，，，，，，，在我国航天领域主要应用于研制卫星、导弹、运载火箭用大型单层构件（压力容器、蒙皮）、多层结构（舱段、舵翼）以及大型空心结构翼面类产品［24］。。。。。。。

例如，，，，，，，，航天质料及工艺研究所接纳超塑成形正反胀手艺乐成研制出 TC4 钛合金环形气瓶［图 3（a）］，，，，，，，，其半环毛坯壁厚在环向和径向控制误差划分为±0.2 mm 和±0.3 mm，，，，，，，，基本抵达了净成形水平［37］。。。。。。。除半环产品外，，，，，，，，航天质料及工艺研究所亦开展了诸如卫星用大规格 TC4 钛合金外貌张力贮箱（直径笼罩 0.6~1.0 m 量级，，，，，，，，且基本已具备净成形能力）、TA15 钛合金发念头喷管（形状及壁厚尺寸精度可达±0.2 mm，，，，，，，，并实现了 2 m 量级变壁厚异型构件的制造能力），，，，，，，，以及 TC4 钛合金波纹板等构件的研制［图 3（b）~3（d）］［24，，，，，，，，37］。。。。。。。

1.4钛合金细密旋压手艺

旋压成形手艺团结了铸造、挤压、拉伸、弯曲、环轧等工艺优势并可实现少无切削加工，，，，，，，，能够知足航天器用钛合金空心回转体结构件的多品种小批量、轻质细密、高可靠的服役需求，，，，，，，，在航天领域特殊适用于壳体类、压力容器类、封头、喷管延伸段等产品的研制，，，，，，，，是钛合金回转型薄壁构件的首选工艺［38-43］。。。。。。。

现在，，，，，，，，外洋钛合金旋压手艺已突破了大型薄壁构件细密化、无模低本钱快速旋压、轧-旋/挤-旋/锻-旋一连复合成形等先进手艺，，，，，，，，使钛合金细密旋压手艺在航天领域获得普遍应用［44］。。。。。。。例如，，，，，，，，德国 MT 宇航公司接纳强力旋压工艺制备出 Φ1.905 m 的高强 Ti-15V-3Cr 钛合金推进系统贮箱［图 4（a）］，，，，，，，，在“阿尔法”通讯卫星获得了应用［24］。。。。。。。美国接纳无模旋压手艺乐成研制了直径 1.2 m 量级的 Ti-6Al-4V 钛合金封头，，，，，，，，实现了单道次 90% 的冷旋压变形量，，，，，，，，乐成应用于“阿波罗”号宇宙飞船效劳舱贮箱封头的制造［图 4（b）］。。。。。。。我国在钛合金旋压手艺领域所涉及钛合金牌号有 TA1、TA2、TA15、TC3、TC4、TB2 等，，，，，，，，典范航天构件包括波纹管、气瓶、火箭发念头外壳、喷管、蒙皮、筒形件等［38，，，，，，，，40，，，，，，，，45］。。。。。。。例如，，，，，，，，哈尔滨工业大学使用有限元模拟手艺团结普旋成形工艺乐成研制出 0.8 mm 壁厚的 TC4 钛合金月球车轮圈［图 4（c）］［46］。。。。。。。航天质料及工艺研究所通过开展大尺寸薄壁 TC4 钛合金筒形件强力旋压缺陷形成机理研究，，，，，，，，并团结有限元数值模拟手艺，，，，，，，，乐成研制出 Φ670 mm 的 TC4 卫星用贮箱筒段［图 4（d）］，，，，，，，，其壁厚尺寸精度为 0~0.2 mm，，，，，，，，轮廓尺寸精度为 0~0.5 mm［42-43］。。。。。。。西安航天动力机械厂接纳正旋拉旋+反旋拉旋的工艺计划乐成研制出直径Φ500 mm的TC4钛合金薄壁环形内胆［47］。。。。。。。

钛合金细密旋压手艺虽然已经在我国航天领域获得较为普遍的应用，，，，，，，，可是受温度场匀称性、回弹效应、扩散效应、料模尺寸匹配性等要害手艺的局限，，，，，，，，我国航天钛合金旋压制品现在基本接纳高温有模成形工艺，，，，，，，，且快速细密旋压手艺处于起步阶段，，，，，，，，一连复合成形手艺仍处于工程试验研究阶段，，，，，，，，尤其是大直径、薄壁整体钛合金旋压成形件仍未实现批量性应用，，，，，，，，需着重开展钛合金质料可旋性、旋压尺寸精度控制 、控 形/控 性 及 热 处 理 、旋 压 模 拟 仿 真 等 技 术研究［44-45，，，，，，，，48］。。。。。。。

1.5钛合金热等静压粉末冶金手艺

热等静压（HIP）粉末冶金手艺具有致密度高、无织构和偏析、内应力小、质料使用率高、可近净成形等优势，，，，，，，，其成形的构件可兼具铸件的重大型面特点以及锻件优异的力学性能优势，，，，，，，，特殊适合航天工业对大型、重大、薄壁、高可靠性结构件的研制需求［49-54］。。。。。。。

随着钛合金熔炼手艺、致密化变形精度控制手艺、先进制粉手艺、有限元剖析手艺等要害手艺的突破，，，，，，，，外洋现在已实现了钛合金HIP粉末冶金手艺在航天领域的大规模工程化应用。。。。。。。法国Senecma公司研制的低温粉末钛合金叶轮在-253 ℃条件下事情转速达550 m/s，，，，，，，，并可大幅缩短加工周期［图 5（a）~（b）］。。。。。。。美国 P&WRocketdyne和Synertech PM公司接纳等离子旋转电极法（PREP）制粉并借助盘算机模拟等先进手艺，，，，，，，，乐成研制出火箭发念头钛合金壳体、阀体等构件，，，，，，，，已在航天领域获得应用并实现了大批量市场化供货［图5（c）］［51］。。。。。。。

英国伯明翰大学研制的钛合金发念头机匣乐成实现了重大型面构件的一体化近净成形，，，，，，，，并已抵达了工程化应用水平，，，，，，，，其接纳60 kg粉末可生产出56 kg的最终样件，，，，，，，，成形精度高达近90%，，，，，，，，仅需少许机加工即可实现最终产品的研制［图5（d）］。。。。。。。

随着多年的手艺生长，，，，，，，，我国现在已具备航天领域所需的中高强钛合金、低温/高温钛合金、超高强钛合金以及金属间化合物等质料和构件的 HIP 粉末冶金一体成形能力，，，，，，，，所涉及的产品主要有舵翼类、舱体类、异形曲面类以及机匣类等构件，，，，，，，，可以很好地知足航天领域的使命需求［50，，，，，，，，53，，，，，，，，55-57］。。。。。。。作为海内最先研究钛合金 HIP 粉末冶金成形工艺的单位，，，，，，，，航天质料及工艺研究所在型号需求的牵引下，，，，，，，，现在已突破了高品质钛合金粉末研制手艺、粉末冶金构件变形控制手艺、大型重大结构件的制备手艺等要害手艺，，，，，，，，并实现了钛合金 HIP 粉末冶金要害产品的研制和工程化批量生产［51，，，，，，，，53-55］。。。。。。。

例如，，，，，，，，航天质料及工艺研究所研制的TA15钛合金舵翼件已具备内部框架结构净成形能力［图6（a）］，，，，，，，，其力学性能与锻件持平，，，，，，，，质料使用率可达70%以上，，，，，，，，并且可实现减重15%以上的目的，，，，，，，，知足了航行器对轻质高强、高耐温结构件的需求。。。。。。。别的，，，，，，，，通过合理的包套设计团结有限元剖析，，，，，，，，乐成研制出高性能TA7 ELI钛合金氢泵叶轮［图6（b）］，，，，，，，，其在液氢条件下抗拉强度可达1.46GPa，，，，，，，，延伸率≥12%，，，，，，，，尺寸精度＜0.2 mm，，，，，，，，现在已通过周全审核，，，，，，，，有用地支持了我国航天型号的生长［55］。。。。。。。近期，，，，，，，，航天质料及工艺研究所乐成研制了TA15钛合金中介机匣［图6（c）］，，，，，，，，尺寸精度可控制在±0.3 mm以内，，，，，，，，质料使用率≥70%，，，，，，，，可实现整体成形，，，，，，，，其加工周期可由6个月缩短至1个月，，，，，，，，大幅提高了生产效率且性能凌驾锻件水平。。。。。。。别的还研制了Ti3Al发念头延伸段［图6（d）］以及TA15发念头喷管［图6（e）］。。。。。。。

随着航天型号的生长，，，，，，，，我国现在钛合金HIP粉末冶金手艺不但可以研制出庞洪水平高的产品，，，，，，，，并且已实现了工程化应用。。。。。。。可是与外洋先进手艺相比，，，，，，，，我国在耐600 ℃以上高温钛合金粉末冶金手艺的净成形能力方面仍有差别，，，，，，，，现在仅处于工程试验阶段；；；；；；；在有限元模拟剖析方面缺乏相关理论模子，，，，，，，，大大都盘算机模拟局限于粉末成形初期和变形量的剖析；；；；；；；在批量生产历程中芯模浚浚？？焖偃コ忠杖狈Α⒘鞒坛ぃ，，，，，，，且可重复使用率低、生产本钱高，，，，，，，，在短流程低本钱控制方面仍有欠缺［24，，，，，，，，51］。。。。。。。

2、钛合金细密成形手艺在航天领域中的生长偏向

针对我国未来航天领域的科研项目需求，，，，，，，，急需提高航行器运载效率、降低航行器结构系数、提高航行器的总体手艺指标，，，，，，，，应进一步推动以钛合金为代表的新质料、新工艺的应用生长。。。。。。。因此，，，，，，，，在大型、重大、薄壁航天器结构件的研制中，，，，，，，，接纳钛合金细密成形手艺是未来制造不可或缺的要害性选择。。。。。。。

（1）在 低 温 环 境 应 用 领 域 ，，，，，，，，需 着 重 关 注 诸 如CT20、TC4ELI、TA7ELI 钛合金细密铸造、超塑成形、粉末冶金成形手艺的生长，，，，，，，，以知足管路类、气瓶类、叶轮类结构件的使用需求。。。。。。。

（2）在高温情形应用方面，，，，，，，，需重点关注 TA15、TC11、Ti60、Ti600、Ti65 钛合金细密铸造、超塑成形、细密旋压、粉末冶金成形手艺的生长及工程化应用推广，，，，，，，，以知足舵翼类、重大进气道类、喷管类、防/隔热结构件类的使用需求。。。。。。。

（3）别的，，，，，，，，对耐 600 ℃以上的高温、重大热结构件的研制，，，，，，，，需着重推进 Ti-Al 系金属间化合和钛基复合质料超塑成形、细密旋压、粉末冶金成形手艺的工程化应用推广事情。。。。。。。

3、结语

质料和制造手艺是航天领域生长的基础！。。。。。，，，，，，，为推动钛合金及其细密成形手艺在我国航天领域的应用并缩短与外洋先进水平的差别，，，，，，，，需重点关注、增强新型钛合金质料（高/低温、高强韧钛合金及金属间化合物）的工程化研制与大型、轻质、薄壁、重大钛合金构件细密成形手艺的协同生长，，，，，，，，提高我国钛合金构件成形工艺成熟度、细密度以及产品及格率，，，，，，，，控制并降低研制本钱，，，，，，，，缩短生产周期，，，，，，，，未来我国先进钛合金质料的研发以及细密成形手艺的前进必将迎来奔腾式生长。。。。。。。

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