TC4钛合金低成本化设计以及加工技术

钛及钛合金是一种具有耐蚀性、比强度高、生物亲和性好的金属材料。由于航空、航天领域用钛需求较多，因此钛合金在这方面的应用广为人知。它也可以应用于一般工业产品，近来以外科植入物用钛为代表，钛合金在医疗器械中的应用颇受瞩目。虽然钛合金可以加工成多种工业产品，但其需求却不高。这是由于钛合金的制造成本以及钛合金产品的加工成本较高，导致最终产品价格较高的原因。因此，要增加钛合金产品的需求，就要降低钛合金的生产及加工成本，这是一项长期的任务。不过，这一任务的难度正在逐渐减小。

钛合金的低成本化当中，最重要的是从钛矿到金属钛的还原工艺的低成本化，目前各种各样的钛的直接还原法、克罗尔法连续化还原法正在研究当中。

　　本文将对钛合金的低成本化设计以及钛合金的低成本化加工技术进行概述。

　　生产工艺的低成本化技术

　　钛合金产品的生产中，以切削加工、研磨加工代表的加工工艺成本颇高。因此，利用上述低成本合金，开发低成本化的加工技术非常重要。以Ti-6Al-4V合金为代表的钛合金加工中，弯曲加工比较困难，为防止氧化，加热时必须在惰性气体以及真空环境中进行。同时，热处理加工使显微组织发生显著变化，因此需要确立合理的热处理加工工艺。目前我国虽然引进了大型锻造设备，但设备的稳定运转还尚需时日，大型零部件的生产需要的切削加工量也将增多。因此，减少钛合金的切削加工量非常重要，而且确立组装大型零部件的接合方法也十分必要。通常减少钛合金切削加工有效的办法是粉末冶金法、金属粉末射出成型法（MIM）、激光成型法、电子束积层成型法（EBM）等近净成形法，确立有效的激光焊接法、摩擦搅拌焊（FSW）等新型接合技术也非常必要。另外，降低弯曲加工困难的高效有效弯曲加工技术也有望得以确立。再就是在使用上述低成本钛合金时，有必要通过控制显微组织来改善特性，因此，有必要确立合适的热处理技术。

　　与传统合金相比，通过采用低温加工低成本钛合金的办法可以降低钛合金的加工成本。普遍使用的Ti-6Al-4V合金板中，将数张板重叠，钢板包在外面进行热加工（这种方法被称为包套加工），这就导致了成本的居高不下。

　　低成本钛合金挤压材通过采用局部加热的弯曲加工技术，锻件则通过机械加工技术和焊接技术（如激光焊接）的组合有望实现飞机零部件的低成本化生产。综上所述，在钛合金的低成本化中，钛合金粉末的近净成形法备受瞩目。MIM法适合小型零部件的生产，可有望实现各种合金的生产。通过MIM法往Ti-6Al-4V合金中添加适量的Fe、Cr、Mo，然后得出其与抗张强度以及延展性的关系。通过添加这些元素，提高了Ti-6Al-4V的强度，在一定的条件下，可以得到超过1000MPa的抗张强度和超过10%的延展性。

　　近来，电子束层压法备受瞩目。通过电子束层压法制成的拥有骨传导功能的Ti-6Al-4V合金植入物外观。可以通过电子束层压法直接生产如此形状如此复杂的产品。

　　结束语

　　关于钛合金低成本化的课题可作如下考虑：

　　1.冶炼成本的降低

　　（1）开发Kroll冶炼法的连续化及新的冶炼法（直接还原法）

　　（2）提高直接还原法生产的O含量较高的钛的纯度

　　（3）提高连续化的Kroll法生产的高Fe含量的钛的性能

　　2.加工工艺的低成本化

　　（1）塑性加工工艺的低成本化

　　（2）切削加工工艺的低成本化

　　（3）近净成形加工的适用：减少材料的切削量以及加工量

　　3.低成本合金的设计与开发

　　（1）高成本合金元素的减少

　　（2）低成本置换型元素的利用

　　（3）低成本侵入型轻元素的利用

　　（4）可循环材料的利用

　　4.通过控制组织构成提高性能

　　5.开拓应用领域

　　钛合金的低成本化必须解决以上问题，这一问题的解决需要很长时间。通过下功夫解决上述问题，钛合金的低成本化终将会得以实