东莞市莞城街道高压真空固溶硬度达标

　　航空航天紧固件用钛合金材料综述紧固件作为一种重要的通用基础件，在工业中具有举足轻重的作用，被称为“工业之米”。我国的ＡＲＪ２１－７００飞机总设计师吴光辉先生也盛赞紧固件“数以万计，类以群分，连结构，接系统，小物大为。

　　按种类可将紧固件分为螺栓、螺钉、螺柱、螺母、木螺钉、自攻螺钉、垫圈、铆钉、销、挡圈、链接副和紧固件－组合件等１３大类；根据应用领域，将紧固件分为一般用 途紧固件和航空航天紧固件。在航空领域，飞机的连接方式仍以机械连接为主，飞机的连接装配依靠大量的各类紧固件；在航天领域，飞行器部段之间的连接也要靠紧固件连接。随着装备轻量化发展，越来越多的航空 航天紧固件青睐于钛合金材料。在国外，钛合金紧固件的应用历史可追溯到２０世纪５０年 代，美国率先将 Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ 合金螺栓应用于 Ｂ－５２轰炸机，取得了显著的减重效果，钛合金紧固件在航空航天领域的应用由此发端。目前，美国、法国等欧美发达国家，钛合金紧固件９５％以上都采用上公认的 Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ 材料制造，一 些机型用的钛合金紧固件已经替代了３０ＣｒＭｎＳｉＡ钢。美国 Ｃ－５Ａ军用运输机采用钛合金紧固件后，质量减轻４５００ｋｇ左右；民用机波音７４７紧固件以钛替代钢后，质量减轻１８１４ｋｇ。俄罗斯钛合金紧固件和合金体系已经应用于伊尔－７６、伊 尔－８６、伊尔－９６、图－２０４、安－７２和安－１２４等机型中，明显减轻了飞机质量。例如图－２０４飞机上采用了９４０ｋｇ的ＢＴ１６钛合金紧固件，质量减轻６８８ｋｇ；伊尔－７６飞机用钛合金紧固件 １４．２ 万 件，质 量 减 轻 ６００ｋｇ。我国钛合金紧固件的研制历史可以追溯到１９６５年，２０世纪７０年代相关单位进行了钛合金铆钉及应用研究工作；２０世纪８０年代，我国部分第二代军用飞机上开始使用铆钉和螺栓等少量钛合金紧固件；２０世纪９０年代后期，随着国外第三代重型战斗机生产线的引进和国产第三代战斗机的研制，我国开始使用了一些钛合金紧固件；近年来，随着我国航空航天事业的发展，各单位相继开展了紧固件用钛合金材料的研制和紧固件制造工艺技术研发，钛合金紧固件率先在航空航天领域中大量应用，在民机上的用量也十分可观。据资料显示，每架国产Ｃ９１９飞机约需钛合金紧固件２０万 件，按计划２０１８年年产１５０架大飞机计算的话，每年需要３０００万件钛合金紧固件。

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　　近年来又研发了BT36钛合金，分别用于HK8，IIC90A等发动机。同样，美国也将Ti64，Ti811，Ti6242等钛合金 分别用于JT90，F-110等发动机中嘲。典型高温钛合金的主要技术见表2。俄罗斯的高温钛合金发展完善和成熟，形成了一套完整的钛合金体系。在某一温度级别有两三个可选的高温钛合金牌号，如可在500℃下使用的合金有BT8、BT9和BT8-1，550℃使用的合金有BT25和BT25y，600℃使用的合金有BTl8y和BT36。俄罗斯推荐BT25y用于航空发动机高压压气机450-550℃下使用的轮盘和转子叶片，推荐BTl8y用于550—600't3下使用的轮盘。虽然BT36已研制出来，但似乎没有受到相应的重视。我国曾引进了俄罗斯生产的BT36合金盘件和棒材，经分析，该合金盘件和棒材上存在大量的成分偏析，成分均匀性的问题没有得到很好地解决，而且其高温性能也没有达到IMl834合金的水平。

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　　做钛合金生产或科研的朋友，大概率都遇到过这样的困扰:单质金属直接添加难熔、易氧化，成分控制总不准，要么出现偏析，要么损耗过高，最后不仅影响生产效率，还可能导致钛合金产品性能不达标。其实解决这类问题，选对钛基中间合金就够了。

　　不同于市面上那些堆砌理论的冗余科普，今天就从实际应用出发，聊聊钛基中间合金的核心价值、常用牌号选型、主流生产工艺，还有生产定制的注意事项，全程严谨务实，没有多余废话，不管是实验室小批量研发，还是工业大批量生产，都能找到适配的参考。

　　先简单说下核心认知，钛基中间合金本质是以钛为基体，搭配各类功能性元素经科学熔炼制成的合金，核心作用就是解决钛合金熔炼时的元素添加难题，平衡成分稳定性和生产便捷性，避免单质金属直接添加时的氧化损耗和成分偏析，同时简化熔炼流程，为各类钛合金产品的生产提供保障。尤其是在高端钛合金领域，钛基中间合金的品质，直接决定了最终产品的性能上限。

　　一、常用钛基中间合金牌号选型

　　钛基中间合金的牌号有很多，但不用盲目跟风，关键是结合自身需求选型。不同牌号的性能定位差异很大，下面整理了目前生产和科研中最常用的几种，结合具体应用场景说明，方便大家快速对应。

　　1. 基础通用款:Ti-Al（钛铝中间合金）

　　这款算是钛基中间合金里的“基础款”，核心作用是稳定钛合金组织、提升材料强度，和钛液的兼容性很好，添加后不会出现不良反应，也没有明显的氧化损耗。它的适配性很广，几乎所有常规钛合金生产都能用到，不管是工业生产中的常规钛合金构件，还是实验室里的基础试样制备，用它都能满足基本配料需求。很多入门级钛合金配料，首选都是这款。

　　2. 强化主力款:Ti-V（钛钒中间合金）

　　如果需要提升钛合金的力学性能，选Ti-V就很合适。它的核心优势是能显著提升钛合金的强度和韧性，同时避免钒元素直接添加时的氧化损耗——要知道，钒单质直接加入钛液，很容易被氧化，导致成分偏差，而通过Ti-V中间合金添加，就能很好地解决这个问题。它最常用在Ti-6Al-4V（也就是大家常说的TC4）等主流钛合金的配料中，是工业生产中最常用的强化型钛基中间合金。

　　3. 高端耐高温款:Ti-Mo（钛钼中间合金）

　　针对高温场景，比如航空领域的钛合金构件，Ti-Mo中间合金就很适配。它能显著提升钛合金的耐高温和耐腐蚀性能，确保钛合金在高温工况下保持稳定性能，不会因为温度变化出现软化、变形或性能衰减的情况。像航空发动机上的部分钛制构件，还有一些高温环境下使用的精密钛件，都会用到这款中间合金。

　　4. 高端耐蚀款:Ti-Nb（钛铌中间合金）

　　Ti-Nb的核心优势的是耐蚀性和稳定性突出，而且能精准控制钛合金中的铌元素含量，避免出现成分偏差。它主要用在对性能要求较高的场景，比如医疗领域的植入式钛制构件，还有航空领域的高端精密钛件，能有效延长钛合金产品的使用寿命，同时保证产品的性能一致性。

　　5. 其他常用牌号（按需选择）

　　除了上面几款，还有几种常用牌号，大家可以根据具体需求搭配选择:

　　Ti-Cr（钛铬中间合金）:少量添加就能提升钛合金的耐腐蚀性和机械强度，还能改善钛合金的焊接性能，不用额外处理就能融入钛液，适合各类精密钛制构件的生产，尤其是需要焊接的钛构件；

　　Ti-W（钛钨中间合金）:专门针对高温钛合金设计，能解决钨元素难溶解的问题，显著提升钛合金的耐热性和耐磨性，适配航空航天等对高温性能有严苛要求的场景；

　　Ti-Fe（钛铁中间合金）:需要控制添加量，主要用于调整钛合金的组织，提升材料硬度，避免钛液出现偏析，通常以中间合金形式添加，不直接使用单质铁，适合常规钛合金的细化与强化；

　　Ti-Cu（钛铜中间合金）:仅用于特定高端钛合金，少量添加就能提升耐蚀性，需通过中间合金形式添加，避免铜元素直接氧化损耗，适合对纯度、耐蚀性要求较高的高端场景；

　　Ti-Co（钛钴）、Ti-Ni（钛镍）中间合金:两者都用于高端钛合金生产，核心是提升钛合金的高温稳定性，适配高端航空、精密制造等对耐热性要求较高的场景；

　　Ti-Si（钛硅中间合金）:少量添加可优化钛合金的流动性，减少内部气孔，避免钛液夹杂，适合各类精密钛合金配料，尤其是对纯度有要求的钛合金生产。

　　二、钛基中间合金核心生产工艺

　　选对牌号后，生产工艺的选择也很关键——钛的化学性质比较活泼，容易氧化，所以钛基中间合金的生产，核心就是围绕“控制氧化、保证成分均匀”展开。目前生产和科研中常用的工艺主要有两种，适配不同的批量需求，大家可以按需选择。

　　1. 真空电弧熔炼工艺（适配小批量测试、实验室研发）

　　这里所说的真空电弧熔炼，主要指真空非自耗电弧炉（又称纽扣炉）工艺，更适配实验室小批量测试、科研试样制备，尤其适合100-300克的小规格试样生产。这种设备体积小、操作便捷，无需专业技能，封闭操作安全环保，制样效率高，非常适合科研阶段的难熔金属及合金研发。

　　其核心优势的是熔炼温度可达3000℃以上，能满足钛基中间合金中难熔元素的熔炼需求，且真空腔体小，可快速抽真空、充氩气，氩气消耗少，同时水冷铜电极可移动拆卸，能同时熔炼多个样品，适配粉末、丝状、粒状等多种原料形态，完美匹配科研阶段小批量、多批次的测试需求，像Ti-W、Ti-Ta等含难熔元素的中间合金试样，常用这种工艺制备。

　　这种工艺是工业化大批量生产的主流选择，优势很明显:加热均匀、成分控制精准，能有效解决钼、铌、钨等难熔元素的溶解问题，而且单炉批重大、成材率高，能满足工业规模化生产的需求。

　　它的流程也比较规范:先对高纯度海绵钛及对应添加元素进行预处理，精准配比后压制形成电极坯体并组焊完整，再放入真空自耗电弧炉，抽真空后通过电弧放电加热熔化，熔液在水冷结晶器中快速凝固形成铸锭，之后经多轮重复熔炼提升成分均匀性，最后经车削、破碎、清洗分选，得到合格产品。像Ti-Mo、Ti-Nb等含难熔元素的中间合金，大多采用这种工艺生产。

　　2. 真空感应熔炼工艺（适配科研定制、中小批量生产）

　　真空感应熔炼工艺，更适合科研定制及中小批量生产，适配1-50公斤的规格需求，兼顾精准控成分与批量生产的灵活性。这种工艺在真空环境下进行，无空气和炉渣污染，金属不易氧化、吸气少，能有效去除金属内部的氧气、氮气等气体杂质，同时熔池中存在电磁搅拌，可促进成分和温度均匀，减少合金元素烧损，尤其适合钛基中间合金中活性元素的成分控制。

　　流程上兼顾精准与便捷:先准备高纯度原料并去除杂质，装入专用坩埚后抽真空，通过电磁感应加热熔化，利用电磁搅拌确保元素均匀分布，必要时进行精炼脱除夹杂物，最后浇铸成型、破碎至合适尺寸。它适配Ti-Al、Ti-V、Ti-Zr等常规牌号的生产，既能满足科研阶段精准控成分的定制需求，也能适配中小批量的工业生产，平衡了精度与效率。

　　如果是实验室需要精准控制成分的中小批量生产（1-50公斤），优先选真空感应熔炼工艺。它的优势是温度可控性强，能灵活调整元素比例，操作也比较便捷，还可用于钛基中间合金的精炼环节，适配Ti-Al、Ti-V、Ti-Zr等常规牌号的生产。

　　流程相对简单:先准备高纯度原料并去除杂质，装入专用坩埚后抽真空，通过电磁感应加热熔化，利用电磁搅拌确保元素均匀分布，必要时进行精炼脱除夹杂物，最后浇铸成型、破碎至合适尺寸，就能满足科研或小批量生产的需求。

　　三、生产定制注意事项

　　很多朋友在钛基中间合金的生产定制中，容易出现批次不稳定、成分偏差等问题，其实核心是没有找对规范的生产渠道。尤其是对于有定制需求的场景，不管是调整元素比例，还是匹配特定批量，都需要选择流程规范、注重成分控制的生产方。

　　北京研邦新材料科技有限公司专注钛基中间合金的研发与定制，可根据科研或生产的具体需求，适配不同牌号和批量的定制需求，流程规范且能保障产品的成分一致性，适配实验室小批量研发和工业大批量生产等多种场景。

　　最后补充几个实操误区，帮大家避开不必要的麻烦:

　　一是选型时不要盲目追求高端，结合自身钛合金的性能需求即可，比如高温场景优先考虑Ti-Mo、Ti-W，焊接场景优先选Ti-Zr，常规强化需求选Ti-V就足够；

　　二是控制部分元素的添加量，比如Ti-Fe、Ti-Cu等，过量添加反而会影响钛合金的性能，需根据配方精准控制；

　　三是根据批量需求选择熔炼工艺，科研测试样选真空电弧熔炼，中小批量选真空感应熔炼，另外还有500kg以上生产级别真空感应熔炼代工，避免工艺与需求不匹配导致的成本浪费；

　　四是定制时明确自身需求，比如钛合金的应用场景、成分要求、批量大小，这样才能让生产方精准匹配，减少后续调整的麻烦。

　　总的来说，钛基中间合金的选择和使用，核心就是“适配需求、选对工艺、找对渠道”。它没有大家想象的那么复杂，不用堆砌太多理论，只要贴合自身科研或生产场景，就能最大化发挥其作用，减少氧化损耗和成分偏差，提升生产效率和产品质量。

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　　优点二:强韧又轻盈。钛合金的第二个超能力是它的力学性能。医生们发现，理想的植入材料应该具备两个特点——坚固，能承受日常活动，而且弹性要接近真实骨骼。钛合金满足了这些要求。首先，它具备轻量化的特点，密度只有钢铁的一半，但强度相当；其次，它的弹性适中，新型钛合金的约60GPa（吉帕），已经接近人骨的30GPa；第三，它能抗疲劳，可以承受数百万次的弯曲而不断裂。

　　近年来，用质子交换膜燃料电池驱动的便携电源、不间断电源、燃料电池自行车、三轮代步车等在国内外市场上悄然兴起，氢燃料电池汽车、潜艇等技术也逐渐成熟并形成市场，钒钛基贮氢合金可以作为氢源为质子交换膜电池提供氢气。分布广泛，却成本高昂钛元素分布广泛，其含量超过地壳质量的0.4%，探明储量约34亿吨。要获得钛、钛合金铸锭，唯一可行途径是将海绵钛经过粉碎、放入真空电弧炉里熔炼，铸成钛锭，而后经加工制成各种钛材。真空熔炼工艺不仅要求严格，而且设备复杂、成本高，这正是钛合金成本高昂的原因。按照相关标准，航空用钛合金铸锭需经过三次真空熔炼获得，以确保其成分的均匀性。海绵钛纯钛的强度很低，做成航空航天结构材料没有工业实用价值。个得到工业化应用的钛合金是1953年美国凯斯勒和翰森开发的Ti-6Al-4V(TC4)。由于它具有耐热、强韧、可焊接、耐腐蚀和抗疲劳等性能，已成为目前应用范围广的一种钛合金。20世纪70年代以来，在TC4基础上又开发出了一系列的耐蚀钛合金。目前，结构钛合金已逐渐向高强、高韧、高模量、抗疲劳和损伤容限等方向发展。制造方式对是繁复又多样钛合金及其零部件的制备与加工方法主要包括真空熔炼、锻造、机械加工、热处理、净近成形、焊接及表面处理。由于钛具有高化学活性，钛及其合金的铸锭熔炼采用真空熔炼方法。锻造变形是改变铸钛组织、获得所需要的组织类型的关键手段。钛合金的机械加工主要包括铣削加工、车削、镗孔、钻孔、攻丝等。高切削温度、与刀具发生化学反应、弹性模量较低是钛合金加工的主要原因。钛合金的热处理主要有退火、固溶和时效等。液态钛近净成形技术包括精密铸造、等温锻造、粉末冶金、超塑成形/扩散连接、激光成形、粉末注射成形等。近净成形是提高材料利用率、通过工艺控制可达到一定的性能和外形尺寸要求的加工技术。的钛合金焊接技术有激光焊接、电子束焊接等。焊接由于其表面硬度低而易发生微动磨蚀等问题，钛合金对表面状态、表面完整性敏感。近些年来，钛合金表面处理技术也获得了长足的发展。热渗镀、气相沉积、三束改性、转化膜、形变强化、热喷涂、化学镀、电镀等技术发展迅速。应用才是关键钛合金的用量常被当作衡量飞机选材程度和航空工业发展水平的，与飞机作战能力密切相关。早在二十世纪五十年代，钛就被应用于飞机材料，钛合金在航空工业上的应用分为飞机结构钛合金和发动机结构钛合金。1953 首次在发动机舱和隔热板应用钛合金的道格拉斯DC-7首飞。1964 首个“全钛”高空高速战略侦察机SR-71“黑鸟”首飞，钛合金用量达到了飞机结构总重量的93%。伊尔-76飞机结构钛合金要求具有高的比强度、良好的韧性、的抗疲劳性能、良好的焊接工艺性能等。发动机用钛合金要求具有高的比强度、热稳定性好、抗氧化、抗蠕变等性能。飞机钛合金结构件主要应用部位有起落架部件、框、梁、机身蒙皮、隔热罩等。俄罗斯的伊尔-76飞机采用高强度22钛合金制造起落架和承力梁等关键部件。波音747主起落架传动横梁材料为Ti-6Al-4V,锻件长6.20m、宽0.95m,质量达1545kg。高强高韧Ti-62222S钛合金被用在C-17飞机水平安定面转轴关键部位。F22飞机发动机所处的后机身区域及机尾隔热罩设计为钛合金薄壁结构，具备良好的耐温性能。波音747航空发动机方面，钛合金材料的应用领域有压气机盘、叶片、鼓筒、高压压气机转子、压气机机匣等。现代涡轮发动机结构重量的30%左右为采用钛合金材料制造，钛合金的应用降低了压缩机叶片和风扇叶片的质量，同时还延长了零部件的寿命与检查间隔。波音747-8GENX发动机风扇叶片的前缘与尖部，采用了钛合金防护套，在10年的服役期内仅做过3次更换。钛合金材料的航空发动机航空用钛合金锻件需要经过铸锭、制坯、模锻、机加等过程，获得所需要的材料组织和性能，往往用其来制造飞机骨架主承力构件和发动机转子等。按照HB5024-1989,大型锻件的外径不小于500mm。随着飞机和发动机的发展，航空锻件的质量要求越来越高、尺寸越来越大、形状越来越复杂。飞机结构件外形复杂，材料利用率一般不超过10%。F-22飞机四个大型主承力加强框材料为Ti-6Al-4V ELI，模锻件的投影面积为4.06m2～5.67m2。近年来，我国航空钛合金的化锻造设备有了大幅度提升，现已经可以生产出5m2级别的钛合金整体锻件。未来航空飞行器对钛合金的需求应该是兼具更高强度、更高韧性、更高损伤性能、更高耐高温性能等。这就够了吗？当然不会，钛合金材料的“野心”远不止于此！新型强度结构钛合金、高性能的损伤容限型钛合金、低成本抗疲劳钛合金、新型高温结构钛合金、TiAl基材料、钛基复合材料等等，是不是“钛”了？