先进钛合金制备技术、产业现状及研究综述

摘要

本文对钛合金产业市场及其发展趋势进行了简要分析。总结和阐述了近年来世界各国钛及钛合金的发展现状和未来发展趋势。重点描述了近年来钛及钛合金最新制备及加工技术的发展和应用， 主要包括钛及钛合金的冶炼提取、熔炼铸造、最新加工方法、热处理规范以及在航空航天、舰船、化工、生物及医用材料、汽车、体育等领域的发展和应用。通过对钛及钛合金近年来发展现状的了解， 结合钛研制开发过程中出现的一些问题， 简要分析了钛及钛合金的几个主要的发展方向及趋势。

关键词：钛及钛合金; 熔炼; 铸造; 近净成形; 线摩擦焊接

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目录

引言................................................................................................................................ 3 1. 钛合金市场分析 ...................................................................................................... 4

1.1 钛合金运用面扩展 ........................................................................................ 4 1.2 民用钛合金需求旺盛 .................................................................................... 5 1.3 航空业发展促进钛合金需求增加 ................................................................ 6 1.4 亚太地区等新兴经济体促进钛合金市场增加 ............................................ 8 2. 钛合金产业的发展趋势 .......................................................................................... 9

2.1 目前我国钛合金产业发展状况 .................................................................... 9 2.2 国家重视钛合金产业的发展 ...................................................................... 10 2.3 我国广阔的需求促进发展 .......................................................................... 10 2.4 钛合金产业技术的升级调整 ...................................................................... 10 3. 钛合金的最新加工技术 ........................................................................................ 11

3.1传统的钛合金材料加工技术 ....................................................................... 11 3.2 超塑性成形技术 .......................................................................................... 13 3.3 材料制备及加工过程的计算机模拟技术 .................................................. 13 3.4 钛合金的热处理技术 .................................................................................. 14 3.5钛合金铸造性能 ........................................................................................... 15 4. 钛合金的应用 ........................................................................................................ 15 5.专利 .......................................................................................................................... 16 6我国钛行业发展展望............................................................................................... 17 参考文献：.................................................................................................................. 18

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引言

在1791 年，钛由科学家格雷戈尔发现，随后德国化学家克拉普罗特用希腊神话的泰坦为该元素命名。钛在自然界中虽然广泛存在，但因为其存在分散并且提取难度大，所以从发现钛元素到制得纯品，经历了百年以上。目前，钛合金具有耐蚀性好、强度大、耐热性强等等优势而被广泛用于各个领域。到20 世纪50 年代，钛元素得到重大发展。20 世纪50～60 年代，发展出航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金，70 年代发展出耐蚀钛合金。80 年代，耐蚀钛合金和高强钛合金极大发展。随着钛合金的逐步发展，其应用面逐步扩展，从航空逐步扩展到汽车，医用，体育等行业。钛是继钢铁、铝之后崛起的“第三金属”，21 世纪将是“钛的世纪”。

钛作为稀有金属，是重要的替代金属。我国钛资源储量丰富，在储量上拥有极大的优势，这也为我国钛产业能够发展壮大提供坚实的物质保障。目前我国海绵钛产能和产量占到了全球的1/3 以上。随着消费和产业升级，稀有金属产业得到不断重视。尤其是在变动之后（比如我国稀土出口调整）。从中长期来看，稀有战略金属是非常有远大的未来。钛合金产业科技含量高，用途广，值得我们研究。本文将分析钛合金产业目前的市场状况和未来的发展趋势。

随着钛及钛合金在航空航天、舰船、化工、汽车、体育等领域的广泛应用， 钛合金的新的发展方向和加工技术越来越受到人们的广泛关注。在良好的发展形势下， 2007 年6 月在日本京都国际会馆举行第十一届国际钛会， 这无疑为世界各国提供了很好的交流与合作的平台。共有600 余名来自世界各国的钛领域专家和代表参加了本次钛会， 其中中国代表共有127 名。本次钛会共分为6 个分会场， 共计13 个会议主题， 包括钛的提炼及冶金、产品加工、组织性能、组件构造、近净成形加工、钛合金的环境行为、航天应用、航空发动机应用、船舶与海洋工程、汽车应用、生物材料、体育、休闲以及表面工程等方面。通过参加第十一届国际钛会， 从冶金、熔炼、加工、热处理以及应用等方面对钛及钛合金的最新研究现状和未来发展趋势作以阐述。

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1. 钛合金市场分析

1.1 钛合金运用面扩展

一直以来，钛的冶炼提取技术是钛业界广泛关注的问题，也是引起钛合金原料成本居高不下的主要原因。1910 年亨特( Hunter) 首次用钠还原TiCl4制取了纯钛。1940 年卢森堡科学家W.J. 克劳尔( Kroll) 用镁还原TiCl4 制得了纯钛。从此，钠还原法( 又称为亨特法) 和镁还原法( 又称为克劳尔法) 成为生产海绵钛的主要方法。随着钛冶炼技术的不断发展和进步， 又兴起了其他不同的海绵钛的生产方法。目前，传统的FFC 剑桥法、Kroll 法等方法固然工艺成熟、质量稳定，但因为制造成本高， 矿石利用率低等原因， 严重制约了钛在汽车、体育、化工、建筑等民用领域的应用。对此， 各国纷纷加大在钛冶炼提取方面的研究开发。先后有美国的改进型克劳尔法、阿姆斯特朗法、SRI 法等相继出现。由ADMA 公司开发的改进型Kroll 方法和原有的Kroll 方法不同的是，它通过向TiCl4 溶液中添加NaCl 来提高钛粉末的产量。另外，可以通过加入H2 直接制备氢化钛粉末。阿姆斯特朗法是一种以Na 还原TiCl4 制备钛合金粉末的化学方法。这一技术的核心是把TiCl4 蒸气喷射到流动的钠流中去钛合金市场总量总体是不断提高的。伴随着我国经济的平稳快速发展，百姓的生活水平得到不断提高，以及钛合金的工艺技术水平不断发展，民用领域中对钛合金的需求量日益增多。钛合金和钛合金材料会制作成环、带、丝、板等制品。钛合金产品在市场受到广泛青睐，其在建筑、医用、体育及电子产品、包装、手表等日用消费品和耐耗品领域得到开创应用，未来的市场十分巨大。市场统计，制作高尔夫球头及球杆所消耗的钛已超过1000 吨。比如在建筑业上钛合金也有不俗的表现。西班牙毕尔巴鄂古根海姆博物馆的用材很多都用了钛合金。今年来建筑业上用的钛合金总量不断增加。钛合金的用途的扩展对钛合金开拓新的市场有重大意义[1]。

通过反应生成纯的钛金属。还可以通入混合的金属氯化物蒸气，反应生成钛合金粉末。采用这种工艺生产的钛粉及钛合金粉，经分析其化学成分和性能指标已超过了ASTMCP 一级钛粉的技术规范。目前生产能力为300 kg/周，预计2008 年可以形成年产20 000 t 以上的生产能力。SRI 法由SRI 国际有限公司研发，是

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一种采用流化床技术，通入H2，还原TiCl4制备钛粉末的方法。目前，该方法仍处在实验室开发阶段[1，2]。由于近年来钛及钛合金的快速发展和广泛应用，各大国际海绵钛生产公司或扩大生产规模，或重新恢复生产，大大提高了海绵钛的年生产能力。其中美国的Timet公司原年产量为104 t，2007年年产量拟增加4000 t，比以前增加了40%；ATI公司不仅将原来的年产7000 t 海绵钛厂恢复生产，还新建年产104t的海绵钛厂。不仅如此，俄罗斯、德国、英国和中国也纷纷顺应市场需求的变化，扩大海绵钛以及钛粉末的生产能力。世界各国2006 年海绵钛生产能力为12.75×104 t，中国占15%，约为2×104 t。预计2007年世界海绵钛年生产能力可达30×104 t，可实现产能翻一番[2]。

1.2 民用钛合金需求旺盛

根据目前最新统计，我国的钛合金和钛材料制品与民用市场需求量有较大的差距。按照国外通行的钛产量为钢产量的万分之一的比例来计算，我国钛和钛合金产品的年产量应达到2-3 万吨，而目前生产仅不足1万吨。钛合金的民用市场需求日益增长，这促进钛合金市场的扩大，也表明了钛合金市场拥有很大潜力。以海绵钛为例，由以下图标看出我国对海绵钛的消费量逐渐升高，其消费量逐渐超过产量。

图1：国内海绵钛产量和表观消费量

近年来钛及钛合金的国际发展形势一片大好，各国纷纷加大投入力度，在钛合金的熔炼技术和生产能力上都取得较大发展。美国2007 年钛合金铸锭生产技术以及生产能力得到大力发展，其中Timet公司新增1台电子束冷床炉( EBCHM) ， 年熔炼生产能力可达8 500 t；ATI 拥有2 台等离子熔炼( PAM) 炉和6 台真空自耗氩弧熔炼( VAR) 炉；RTI 公司有1台PAM炉和1台VAR；erryman公司拥有1台电子束熔炼( EBM)炉和1台VAR炉[3]。另外，开发了一种新的熔炼技术———

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单次熔炼技术。该技术适用于EBM和PAM，一次完成熔炼，直接进行轧制，不仅可以降低原材料投入和加工成本，而且提高了生产效率。目前已经制备出数千吨符合AMS6945标准的板材和带材，可望大规模应用于航空航天领域。俄罗斯VSMPO公司是世界上最大的钛合金铸锭生产商， 公司目前主要还是采取VAR法生产钛合金铸锭；但EBCHM法已经对VAR法提出最为严厉的挑战，也成为一种重要的钛铸锭生产方法，现已经形成每年7000 t的规模。EBCHM还可以熔铸空心铸锭和环坯。另外还有等离子冷床炉和感应凝壳熔炼炉，主要用于生产对锭心缺陷没有严格要求的旋转件[4]。其中感应凝壳熔炼由于具有熔炼原料形状不受严格、杂质凝于壳中及与VAR一样的成分均匀性等特点，目前已经得到了很好的开发和应用。中国近年来在钛合金的熔炼技术方面也取得了很大的发展，2006 年实现钛及钛合金铸锭生产22120t的生产规模。其中宝钛股份拥有6台真空自耗氩弧熔炼炉，实现年产钛锭6000 t；上海第五钢铁有限责任公司拥有4台真空自耗氩弧熔炼炉，年生产能力为费1400t； 西部超导和西部钛业各有1台3 t和1台8 t真空自耗氩弧熔炼炉，可实现年产能2000 t；其他中小公司可实现年产钛锭1.27×104 t。预计2007年中国钛锭年产量可达3×104 t。

1.3 航空业发展促进钛合金需求增加

钛合金除了民用以外还主要用于航空航天，如下图表明了钛合金制品的运用分布。

图2：钛合金制品消费结构

从图中得知航空用钛合金占了半壁江山。从全球范围来看，钛合金和钛制品的消费主要集中在航空业以及工业领域，全球商业航空的消费比例达到42%左右，

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军用钛材比例约为7%，整个航空领域消耗钛合金材料接近一半，另外，工业消耗钛合金比例约为47%。根据相关研究机构预测，在未来20 年世界的航空公司将需要100 个座位以上的新客机23385架，其中，需单通道飞机(如A320)16620 架，占总需求的71%；需双通道飞机5482架，占总需求的24%；需VLA(如A380)1283 架，占总需求的5%。这些飞机将价值2.6万亿美元[5]。民用飞机的数量增加以及航空业的逐步发展，钛合金的市场前景良好。

图3：精铸钛曲射炮底座和氩弧熔壳凝练技术制备的钛合金精密铸件 美国采用精铸技术制备了钛曲射炮底座。美国阿尔科·豪迈特公司最近研发生产的M777新型榴炮弹缓冲器轭架用精密铸件充分展示了精密铸造法制造速度快、成本低、设计灵活的优越性。另外，日本还发研制了悬浮熔炼技术，并用悬浮熔炼结合反重力低压铸造技术制备出TiAl基合金涡轮。

图4：未来20年的民用飞机需求量

民用飞机和大飞机的需求量大。并且在亚太地区，比如中国，航空产业不断发展并有广阔的发展空间，这对钛合金的长远发展是有利的支持。

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1.4 亚太地区等新兴经济体促进钛合金市场增加

2008 年，全球经济由于受到美国次债危机等情况影响，全球经济的增长短期内趋缓，这对钛合金的需求量有一定的影响。但从中长期来看，亚太地区等国家的经济依然有较强的增长动力，这使钛合金市场的重心逐步偏移到亚太地区。

图5：全球各经济体GDP增长率

长期来看，世界经济逐步复苏。世界各地的经济体联系日益紧密，经济结构升级调整，对新型材料的需求日益旺盛，这对钛合金的发展是良好的契机[6]。由于世界各个经济体联系日益紧密，促进航空的发展。从统计数据来看，空中客运量每15 年会增加一倍，那么未来的15-20年，随着全球经济贸易联系的不断加强，空中客运量也将按照这样的速度增加。

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图6：空中客运量强劲增长

2. 钛合金产业的发展趋势

2.1 目前我国钛合金产业发展状况

我国的钛合金产业发展快速。目前我国已经成为钛生产大国。据前瞻产业研究院不完全统计，我国有钛合金生产企业300 余家，我国钛合金产品的产量整体呈现逐年增长趋势，2012 年我国海绵钛产量约为7.1 万吨，钛锭产量约为7.4 万吨，钛粉产量约为0.1 万吨，钛加工材产量约为6.1 万吨。我国凭借着占据将近全球30%的钛资源储量，发展钛工业的矿石资源优势显著。目前我国家海绵钛产能和产量占到了全球的1/3强，但在高附加值深加工领域仍然落后国外先进水平。我国钛合金产业面临大而不强的尴尬境地[7]。面对这样的现状，我国的钛合金产业该如何科学发展成为了重要的课题。我国的钛合金产业发展趋势必然应是朝着集约化，科学化，高附加值发展。钛合金产业面临产业调整和升级。

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2.2 国家重视钛合金产业的发展

2013 年7 月5 日，《新材料产业标准化工作三年行动计划》由国家工信部发布，该文件提出要加大重点新材料领域标准制修订力度。新材料领域包括了特种金属功能材料、高端金属结构材料、先进高分子材料、新型无机非金属材料、高性能复合材料、前沿新材料。有10种钛合金产品划分在新型轻合金材料里。这10 种钛合金产品分别是优质宽幅冷轧纯钛板材、钛合金型材、大规格宽厚钛合金板材、钛及钛合金带材、高精度及宽幅钛合金薄板材、大规格钛合金棒材及特种锻件、大型钛铸锭及锻坯、大盘重钛带卷、专用钛合金材料、钛及钛合金模锻件等[8]。该文件表现了对钛合金材料的极大重视，并给予相关发展帮助。支持钛合金产业的发展对该产业是有利的支持。未来钛合金产业的发展拥有良好的政治环境。这对产业的发展拥有巨大推动作用。

2.3 我国广阔的需求促进发展

2013 年，我国国民经济仍然保持平稳增长。我国的化工、航空航天、电力(包括核电)、冶金、真空制盐和体育等六大领域，以及医疗、海洋工程和船舶业的钛合金需求依然向好。在国家的“十二五”规划中，钛金属冶炼的节能减排，产品质量的提高和高附加值产品的开发仍然是我国钛合金的重点发展方向，结合西部地区全流程高技术水平的海绵钛项目、新型钛加工材开发项目等也属于国家鼓励类项目中，以及国家对钛加工材料的出口退税等都利于我国钛合金的发展[9]。由此可见，我国钛合金具有良好的发展前景。

2.4 钛合金产业技术的升级调整

当前世界上几乎所有的熔炼方法都采用了真空及冷坩埚技术，这是因为钛及钛合金的熔炼由于钛的活性高。熔炼方式可以按照熔化金属时热量来源方式分为外热式熔炼方法和内热式熔炼方法。其中外热式熔炼方法有自耗电极电弧炉、非自耗电极电弧炉、电子束炉、等离子弧炉，而内热式熔炼方法有感应熔炼。钛合金材料的熔炼技术的当前发展表现在以下几点：①20 世纪80 年代末，国际上开始采用冷床熔炼技术去解决钛合金铸锭中常出现的高密度夹杂和低密度夹杂

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等冶金劣势。和真空自耗电弧炉相比，冷床炉熔炼技术拥有诸多的优势，比如它可以更好地去除钛合金中的夹杂，并且因为其熔炼温度较高，可消除成分偏析，从而得到成分均匀的铸锭。尽管这项技术拥有诸多优势，但该技术的设备投入大，成本高，维护难，所以这项技术很难大规模推广。②发展内热式的真空感应熔炼，开拓新型熔钛坩埚材料及其制备技术。国内外研究者在这方面开展了大量的研究，并取得了相当的进展，但这些耐火材料都或多或少与钛发生反应，钛熔体中氧的含量也会增加，因此大多只能用作钛的熔模精铸的模壳材料，而不能用作钛及钛合金内热式的真空感应熔炼的耐火材料。坩埚式真空感应熔炼方法可。能是解决目前常规钛合金熔炼技术能耗极高而材料收得率极低的一条有效途径。由上可知，促进钛合金低成本优质高效熔炼的核心是寻找新型的熔钛坩埚材料及其制备技术，完成内热式的真空感应熔炼[10]。尽管国内外研究者已经进行了大量这方面的研究，但直到目前还未见到能用于钛合金真空感应熔炼用耐火材料成功的报道，制造钛及钛合金真空感应炉坩埚尚未有实质性的突破，因此综合利用CALPHAD、量化计算和人工智能等材料设计方法，设计与钛熔液相容的新型耐火材料，研究新型耐火材料的制备技术，开发与钛熔液相容的新型耐火材料的坩埚制备工艺，将是攻克低能耗节约型钛及钛合金的熔炼技术的突破口。这项技术让钛熔炼更加高效节能，从而大大的降低钛合金的生产成本，并且提高钛合金材料的质量，这对推广钛合金应用有着重要意义。目前制约钛合金发展的重要原因就是其成本高，随着技术的进步逐步较低成本，成为发展钛合金产业的重要课题。

3. 钛合金的最新加工技术

3.1传统的钛合金材料加工技术

是以海绵钛作为原料，经过备料→制备电极→一次真空自耗熔炼→二次熔炼→开坯锻造→二次锻造→轧制或挤压，最终得到棒材或板材成品。近净成形技术进行钛及钛合金材料加工则是以海绵钛+钛屑或钛及钛合金粉末作为原材料，利用PAM单锭熔炼技术制备铸锭或粉末冶金的方法制备坯料，然后通过轧制或挤压直接出成品。近净成形方法包括激光成形、精密铸造、精密模锻、粉末冶金、喷射成形等多种方法，可成形复杂形状的各种钛合金零部件，并达到近净尺寸成

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形的目的。其中粉末冶金法主要采用纯钛或钛合金粉体进行冷模压制，然后烧结， 再进行模锻制备钛零部件。现代粉末冶金方法不仅保持和发展了其少切削或无切削、少偏析或无偏析、均匀细晶、低耗、节能、节材等传统特点，而且已成为制取各种高性能结构材料、特种功能材料和各种形状复杂的异形件的有效途径。已广泛用于生产钛合金气门、连杆、筒体、高尔夫球头等[11]。和其它加工方法相比， 近净成形技术不仅可以减少原材料的投入成本和加工步骤，而且具有和传统工艺相近的组织和性能。下图是英国Aubert&Duval公司采用近净成形技术为罗- 罗公司制备的发动机外壳。该外壳直径为φ2.5 m，原材料采用预处理Ti-6Al-4V合金粉末。

图7：近净成形技术制备的φ2.5 m的发动机外壳

从图中可以看出，采用近净成形技术制备的发动机外壳，基本接近最终成品， 需要锻造和复杂的机械加工，大大节约了原材料成本和加工成本，缩短了生产周期。但是由于近净成形技术是一种新的生产加工技术，尚需要建立相应的规范和标准。线摩擦焊接是一种高质量的焊接方法，适合对Ti，Al，Mg，Cu，Fe进行焊接。焊接时不会产生气孔，残余应力小，广泛用于汽车、潜艇及飞机发动机部件的焊接。波音公司采用线摩擦焊接技术将4块小的细晶板材焊接成一块大型板材，用于制作波音787 蒙皮。下图为罗-罗公司生产的叶盘，其空心涡轮叶片是通过线摩擦焊接技术焊接而成。罗-罗公司使用的TWI LinFricR线摩擦焊接设备， 具有先进的能量贮备系统，可以焊接直径达到2.0 m的Ti-6Al-4V合金叶盘，采用线摩擦焊接的FSW发动机构件。

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图8：线摩擦焊接技术制备的叶盘

3.2 超塑性成形技术

自20世纪60年代起，世界各国在材料超塑性加工及成形机理方面进行了大量的研究，并初步形成了比较完整的理论体系。近几十年来，金属超塑成形技术在航空航天以及汽车的零部件等生产中起到了不可替代的作用。目前，钛合金超塑成形技术主要应用于航空航天领域，开发在其它领域的应用将是超塑成形技术发展的必然趋势。最新的超塑成形加工方法有：超塑等温锻造、气压成形、超塑挤压真空成形、深冲、无模拉伸等。近年来，国内外钛合金超塑成形技术研究主要面向：①先进钛合金超塑成形的研究，主要指Ti基复合材料、金属间化合物等材料超塑成形原理及工艺的开发；②钛合金高应变速率超塑成形技术的研究， 同传统超塑成形变形方式相比，高应变速率超塑成形技术可大大提高构件的生产率，在民用领域具有非常广阔的应用前景；③ 研究供货态工业钛合金的超塑成形变形规律，探索降低对超塑变形钛合金的苛刻要求的途径，提高成形件的质量。

3.3 材料制备及加工过程的计算机模拟技术

由于钛及钛合金材料制备过程的复杂性、试验条件的局限，以及固体物理、量子化学、统计力学、计算数学的深入发展和现代计算机运行速度、存储容量的空前提高，促进了计算机模拟技术的飞速发展，而计算机模拟技术的发展，无疑

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对钛及钛合金的制备、加工开创了更广阔的空间。世界各先后展开了对钛及钛合金材料熔炼、铸造以及加工制造过程、热处理等方面的计算机模拟技术的研究和相关软件的设计开发。通过计算机的模拟计算来设计加工工艺，可以避免传统设计中的许多缺点，节省了人力、物力，同时极大地提高了新材料制备和加工工艺设计的准确性。日本TOHO钛公司利用计算机对VAR过程进行数值模拟，利用他们设计的软件系统，能够预测熔池形貌和宏观偏析；在实际生产中，通过数值模拟，能够优化熔池参数，使现有设备可以熔炼规格较大、成分更为复杂的钛合金铸件。同时对加工条件和加工方法进行热力学模拟和计算机设计，如对模具进行3D设计、变形过程中温度场的热力学分析，以及变形过程分析等。这样就可以提供组织和性能满足要求的锻件[12]。

3.4 钛合金的热处理技术

对钛合金进行固溶淬火和时效强化处理，能获得优异工艺性能和使用性能， 达到提高产品质量、延长使用寿命、提高经济效益的目的。在当前，各国纷纷寻求新的热处理方法，以满足钛合金工程化提出的新的要求。其中英国伯明翰大学研制开发了一种陶瓷相转变处理技术———CCT技术，该技术通过热处理在γ- TiAl合金表面形成氧化铝和二氧化钛的陶瓷相复合层。用该技术制造的γ-TiAl合金发动机阀，可以将剪切抗力提高100倍。利用CCT技术，也可以在TiNi 形状记忆合金表面形成TiO2陶瓷相复合层，如下图所示。这种复合层提高了TiNi合金材料的耐磨性，并大大降低了Ni的腐蚀速率。

图9：TiNi合金表面TiO2陶瓷相复合层

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3.5钛合金铸造性能

钛合金铸造主要应用于不能进行冷加工、热加工或加工难度非常大的复杂结构件。由于铸造可以解决复杂结构件原材料和机械加工成本高的问题，成为世界各国大力开发的钛合金生产技术之一。法国开发了一种独特的冷坩锅感应熔炼+ 离心浇注的精密铸造工艺来生产钛合金铸件。由于采用了离心浇铸和随后的热等静压，铸件几乎不存在缩孔和疏松。英国伯明翰大学Rolls-Royce实验中心拥有30 kg和90 kg感应水冷坩埚钛合金铸造设备，以此设备开发的γ-TiAl合金铸件不仅结构复杂，而且质量良好[13]。德国采用标准的去壳技术和重力铸造技术相结合的方法生产出钛铝薄壁结构件。新的氩弧凝壳熔炼技术单炉可以熔铸500 kg 钛合金，直接生产制造直径达1 500 mm，高度达800 mm的精密铸件，其最薄部位厚度仅1.6 mm。美国运用计算机模拟技术，对不同状态下的组织、性能预测，优化材料加工工艺，获得了高性能Ti-6Al-4V合金大型整体精铸件，并扩大应用至F-22战斗机( 主承力结构件)上。

4. 钛合金的应用

随着全球钛及钛合金制备加工技术的不断发展，钛合金越来越多地应用于航空航天、舰船、汽车、生物医疗、化工等行业。在航空方面，钛合金主要用于制作喷气式发动机压气机盘、叶片、喷管、起落架、机身蒙皮及紧固件等。如美国的空客A308，波音787以及F-22，F-35战斗机都大量使用了钛合金，其中F-22战斗机中用钛量高达41%。在航天方面，钛合金因其比强度高，且具有优良的塑性与韧性配合，因而广泛应用于火箭、导弹及宇宙飞船领域，如用做高压容器、燃料贮箱、飞船舱、结构骨架等部件。钛合金在汽车中主要用于汽车驱动装置和汽车底盘。发动机气门及连杆、气门弹簧、气门弹簧座圈使用钛合金，不仅可以提高燃效，减少其噪音和振动，提高使用寿命，而且可以提高转矩，使部件具有较小的挠度。汽车底盘用钛主要有减震弹簧、排气系统、半轴、螺栓和其他紧固件， 它可以减轻汽车重量，提高燃效。但是，家庭轿车用钛批量化必须解决两大难题：① 原材料和制造成本降低到可接受的程度；② 建立合适的原材料和部件的供应基地。

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在舰船工业领域，钛合金广泛用做耐压艇体、结构件、浮力系统球体、泵体及夹板配件等。在化学和石油工业领域，钛合金可以用做热交换器、反应塔、高压釜等。钛合金还是优良的生物材料，它无毒、耐蚀，而且和肌体组织有很好的亲和性，已广泛用于制造医疗器械及外科植入物，如心脏内瓣、隔膜、骨关节、固定螺钉、钛牙及钛骨头等。近年来，世界各国纷纷开展了用于人工关节植入材料的低模量钛合金和面向医疗器械的植入导管等钛合金的超塑性研究等[14]。日本民用钛合金的发展在世界上处于领先地位，自20世纪70年代至今，日本先后开发了钛制热交换器、钛制建筑屋顶和墙壁、高尔夫球头、摩托车排气系统及数码相机、笔记本电脑外壳等。总之，随钛及钛合金加工制造成本的逐步降低，正越来越多地被应用于工业社会的各个角落。

5.专利

近10年来，生物医用材料及制品市场的增长率一直保持在30%左右。在生物医用材料中，钛及钛合金由于具备亲生物性的特点，已成为人工关节、牙种植体、介入性心血管支架等医用类植入产品的首选材料。据不完全统计，全世界伤残者占世界人口的1/20，而每年接受关节置换的患者只有150万例左右，与实际需要置换者的数量相差甚远。因此，作为生物医用材料首选的医用钛合金存在巨大的市场需求。就我国而言，用于植入体内的生物医用材料产品约80%为进口产品，昂贵的价格了其广泛应用。因此，加大医用钛材的研发力度势在必行。目前已研制的各种钛合金材料均存在不同程度的缺陷，如耐磨损性能相对较低，耐腐蚀性能有待进一步提高，生物活性不理想。为了提高医用钛合金性能，还需要从两方面入手，一是优化钛合金成分，二是对钛合金进行表面改性。

本文以中国专利数据库（CNPAT）和欧洲专利数据库（EPODOC）截止到2012年5月10日的专利申请数据为基础，采用关键词和分类号相结合的方法进行检索，对所得到的专利申请数据逐篇进行筛选，并对专利申请进行技术标引，最终确定涉及医用钛合金材料本体和表面改性领域的专利申请作为分析基础。

医用钛合金中国专利申请状况：

经过检索统计，在中国专利数据库有209件专利申请涉及医用钛合金材

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料本体和表面改性领域，其中国内申请人（包括港澳台）的专利申请188件，国外专利申请人的专利申请21件[15]。

在中国专利申请发展趋势中，国内申请人的申请数量占据了申请总量的大部分，且申请数量呈逐年增加的趋势，2008年至2009年的金融危机带来的经济萧条并未导致各企业对知识产权重视程度的下降，相反，申请数量的增加证明了各企业对知识产权重视程度的提高。

6我国钛行业发展展望

用钛量的多少是一个国家发达程度的标志。纵观世界钛工业的发展史，社会的现代化程度越高，用量就越大。中国钛工业从1954 年开始起步，经过近60年的发展，已取得巨大的发展，建立了比较完整的钛合金体系和钛工业标准体系。中国钛加工材产量及消耗量居世界第二，拥有钛加工材产量过万吨的世界级钛材大厂—宝钛集团，中国已成为世界钛工业大国。但是与美、俄相比，也存在很多问题：合金种类少，铸造设备能耗大，铸件质量不高。“国内钛工业产品质量发展‘十二五’规划”，对中国的大飞机计划（大客机和大运输机）、嫦娥工程、轨道站计划、核电站计划、海洋工程（舰船制造、海洋石油开采和海水淡化等）以及中国持续发展的国民经济都对钛及其合金材提出了更高的质量要求。因此，努力提高钛制品的质量，更新装备，降低能耗，以满足国家建设的需要，是目前中国钛行业发展的主要任务。

(1)高性能化。即研制耐热温度、比强度、比模量更高的合金和耐蚀性更好的合金。例如， 将α或α+β高温钛合金的使用温度提高到650℃，将α2(TiAl)基合金用到750 ℃，将γ-TiAl 基合金用到1000～1100℃。

(2)多功能化。即发展各种特殊功能的钛合金，如高阻尼钛合金、低膨胀钛合金、恒电阻和低电阻率钛合金、抗电解钝化钛合金和低模量生物医用钛合金等。

(3)低成本化。即发展不含或少含贵重金属元素，可利用低价母合金原料的钛合金及能充分利用残料的钛合金和易加工成形、易切削加工的钛合金等。

(4)高加工率。即发展冷床炉精炼(CHR)，包括电子束和等离子冷床炉精炼、电渣熔炼、激光成形以及连铸连轧(CC +HDR)工艺。连铸连轧可以降低能耗、提

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高生产效率和产品成材率、改善产品均匀性，已成功用于钢、铝材的生产。

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