引言

航天飞行器往往在大应力、、、超高/低温、、、强侵蚀等极端前提下工作，对资料及构件提出了较为刻薄的服役需要，而轻质并适应这些服役环境需要是航天产品选择资料及其成形技术的重要尺度［1-3］。钛合金拥有比强度比模量高、、、抗侵蚀机能好、、、高/低温机能优异等特点，集航天资料所需特质于一体，成为了航天领域利用宽泛的关键资料之一［1-6］。从工艺技术角度启程，航天领域主流的钛合金精密成形技术可分为精密铸造、、、精密铸造、、、旋压成形、、、超塑成形和粉末冶金成形［3，6］。目前，国内外对钛合金及其精密成形技术在航空领域的钻研进展已有大量总结性报道［5-9］，但是航天领域的有关概述较少。为此，本文从航天领域钛合金有关构件的研制角度启程，对国内外航天用钛合金及其精密成形技术的钻研近况进行了分类与总结，最后结合我国航天工业的现实需要，对其将来发展进行了瞻望。

1、、、航天钛合金精密成形技术钻研进展

1.1钛合金精密铸造技术

钛合金精密铸造技术拥有成形精度高、、、出产周期短、、、尺寸矫捷性好等特点，能够很好地适应高精度、、、复杂钛合金薄壁构件的研制［10-13］。其中，石墨型铸造和熔模精密铸造在航天领域利用宽泛，重要用于叶轮类、、、舱体类、、、机匣类产品的研制［12-14］。

目前，国外在中温中强钛合金精密铸造技术方面已极度成熟，重要合金商标为 Ti-6-4 和 BT20。在高温高强钛合金精密铸造方面重要涉及 β-21S、、、BT35、、、Ti1100、、、IMI834 等商标，但是其铸造工艺目前仍存在铸件机能低、、、焊接难题、、、铸件开裂偏差高档弊端。我国在铸造钛合金资料研发方面多为仿制国外铸造钛合金商标，其发展也根基出现出中温中强到高温高强的趋向，航天领域主流铸造钛合金商标为ZTC4 和 ZTA15，重要用作弹翼类、、、舵面类、、、舱段类产品的研制。此外，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］。但是这几类新研发的铸造高温钛合金存在合金成分复杂、、、铸件开裂偏差高、、、焊接难题等问题，相应的铸造工艺还不够成熟，目前仅为工程研制阶段［15-16］。

航天领域大型、、、复杂精密结构以及钛合金铸件高机能化的发展需要，急剧推动了磁悬浮熔炼、、、3D打印、、、推算机数值仿照、、、热等静压致密化等新技术新工艺在精密铸造领域的利用和发展［17-20］。目前，3D 打印技术已可实现 1 800 mm×1 000 mm×700 mm 整体铸造型壳或型芯的制作，其精度可节制在 0.3 mm 以内，代表性厂商重要有德国 ExOne、、、Voxeljet 公司、、、美国 SolidScape、、、3DSystem 公司［21］。此外，数值仿照技术已被宽泛利用于铸造的充型、、、凝固、、、缩松及缩孔预测、、、应力散布预测等过程，可有效领导铸造工艺、、、提高铸件精度和质量，目前主流的数值仿照软件厂商有美国 Procast、、、日本 Soldia、、、德国 Magma Soft、、、中国华铸 CAE 等。在机能改进方面，热等静压致密化技术已被宽泛利用于铸件后处置过程中，可使缺点产生冶金闭合、、、解除缩松及缩孔、、、改善成分偏析，有效提升铸件的显微组织及力学机能，但仍必要关注并解决铸件在热等静压过程中组织粗化、、、相变导致的机能降落以及变形节制的问题［12-13］。目前，随着多种工艺技术的进取，钛合金精密铸造技术出现出了技术种类多元化、、、交叉化、、、普适化的发展趋向，已可出产出直径 2 m 量级的大型钛合金铸件，铸造公差可达±0.13 mm，最小壁厚可节制在1.0 mm［13］。

1.2钛合金精密铸造技术

钛合金精密铸造技术是通例的近净成形工艺，目前重要通过改进铸造工艺来提高构件的使用机能［22］。其中，精密模锻和等温超塑性铸造在航天领域利用宽泛，重要用于气瓶类、、、贮箱类产品的研制。国外精密铸造工艺所涉及的钛合金商标重要有Ti-6Al-4V、、、Ti-5Al-2.5Sn ELI、、、OT4-1、、、BT5-1、、、LT700等［23-24］。例如，美国选取精密铸造工艺成功研制了Ti-6Al-4V 和 Ti-5Al-2.5Sn ELI 钛合金压力容器类构件，在大力神Ⅲ过渡级发起机得到了利用。俄罗斯选取精密铸造出产的 OT4-1、、、BT5-1燃料贮箱已成功利用到进取号探测器上，日本选取精密铸造工艺出产的LT700锻件已成功使用到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精密铸造技术重要涉及TC4ELI、、、TA7ELI、、、TC4、、、TC11等商标，目前多用于压力容器类、、、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精密铸造技术在我国航天领域已得到了宽泛利用，重要朝着大尺寸、、、大变形量、、、高成形精度、、、高成形性的方向发展，目前已迅速靠近或达到国际先进水平［27］。例如，我国选取精密模锻技术已成功研制出容积为 20 L 的 TA7ELI 钛合金低温气瓶，目前已在 XX-3A，XX-5 运载火箭增压输送系统中得到大量利用［图 1（a）］［24］。近期，航天资料及工 艺钻研所初次选取 TA7ELI 钛合金宽厚板结合等温超塑性铸造技术成功研制出体积为 130 L 的 TA7ELI钛合金低温冷氦气瓶［图 1（b）］，解决了 TA7ELI热加工机能差、、、易成分偏析、、、制作成本高档短板，其在 20K前提下低温抗拉强度可达 1.45 GPa，延长率≥10%，壁厚尺寸精度可达±0.2 mm，且拥有变形速度低、、、成形过程易节制、、、质量靠得住性高、、、成形精度高档优势。

1.3钛合金超塑成形技术

超塑成形技术由于拥有成形精度高、、、近无回弹、、、无残存应力等优势，目前已成为了推动航天钛合金构件设计概念发展的开创性近净成形工艺之一，出格合用于复杂薄壁结构件的研制［28-32］。国外在超塑成形钛合金资料领域曾经历了由通例钛合金（Ti-6Al-4V、、、IMI550、、、BT6）到金属间化合物、、、钛基复合伙料的研发过程，目前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资料的早期钻研重要以仿制国外商标为主，目前已实现了 TC4 钛合金超塑用细晶板材的工业化出产，均匀晶粒尺寸可节制在 5 μm 左右 ，板 幅 尺 寸 可 达（0.8~3.0）mm×（1 300~1 500mm）×L，纵横向力学机能差距可节制在 50 MPa 以内［29］。近期，我国已成功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，延长率高达 2 000%，较细晶 TC4板材而言其超塑成形温度可降低约 140 ℃，在航天领域拥有辽阔的利用远景［29，33］。此外，在其他先进超塑钛合金资料研制方面，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）等先进超塑钛合金资料研发领域已着手发展了大量工作，目前已突破了国外对我国高质 量超塑用钛合金板材的技术关闭与限度［29-30，34］。

在钛合金超塑成形工艺技术方面，国外目前已具备单层构件、、、多层构件、、、桁架及正弦波等异型构件的批量化出产能力，使超塑成形技术的钻研热点逐步由资料研发转向现实工程利用［24，35-36］。例如，美国利用超塑成形技术成功研制了150 mm直径的Ti-6Al-4V钛合金推动剂贮箱，可实现降低成本60%，结构质量减轻30%的指标。日本ISAS和MHI公司选取板材预焊接+吹胀的方式成功研制出Ti-6Al-4V钛合金超塑成形N2H4燃料贮箱（图2），已在卫星上得到大量利用［36］。

我国目前在钛合金超塑成形领域已突破单层胀形控壁厚技术、、、SPF/DB 空心构件成形技术以及大型三层/四层空腔翼板成形技术等关键技术，在我国航天领域重要利用于研制卫星、、、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，航天资料及工艺钻研所选取超塑成形正反胀技术成功研制出 TC4 钛合金环形气瓶［图 3（a）］，其半环毛坯壁厚在环向和径向节制误差别离为±0.2 mm 和±0.3 mm，根基达到了净成形水平［37］。除半环产品外，航天资料及工艺钻研所亦发展了诸如卫星用大规格 TC4 钛合金理论张力贮箱（直径覆盖 0.6~1.0 m 量级，且根基已具备净成形能力）、、、TA15 钛合金发起机喷管（外形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作能力），以及 TC4 钛合金波纹板等构件的研制［图 3（b）~3（d）］［24，37］。

1.4钛合金精密旋压技术

旋压成形技术结合了铸造、、、挤压、、、拉伸、、、弯曲、、、环轧等工艺优势并可实现少无切削加工，可能满足航天器用钛合金空心回转体结构件的多种类小批量、、、轻质精密、、、高靠得住的服役需要，在航天领域出格合用于壳体类、、、压力容器类、、、封头、、、喷管延长段等产品的研制，是钛合金回转型薄壁构件的首选工艺［38-43］。

目前，国外钛合金旋压技术已突破了大型薄壁构件精密化、、、无模低成本急剧旋压、、、轧-旋/挤-旋/锻-旋陆续复合成形等先进技术，使钛合金精密旋压技术在航天领域得到宽泛利用［44］。例如，德国 MT 宇航公司选取强力旋压工艺制备出 Φ1.905 m 的高强 Ti-15V-3Cr 钛合金推动系统贮箱［图 4（a）］，在“阿尔法”通讯卫星得到了利用［24］。美国选取无模旋压技术成功研制了直径 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，成功利用于“阿波罗”号宇宙飞船服务舱贮箱封头的制作［图 4（b）］。我国在钛合金旋压技术领域所涉及钛合金商标有 TA1、、、TA2、、、TA15、、、TC3、、、TC4、、、TB2 等，典型航天构件蕴含波纹管、、、气瓶、、、火箭发起机外壳、、、喷管、、、蒙皮、、、筒形件等［38，40，45］。例如，哈尔滨工业大学利用有限元仿照技术结合普旋成形工艺成功研制出 0.8 mm 壁厚的 TC4 钛合金月球车轮圈［图 4（c）］［46］：
：：教熳柿霞肮ひ兆暄兴ü⒄勾蟪叽绫” TC4 钛合金筒形件强力旋压缺点形成机理钻研，并结合有限元数值仿照技术，成功研制出 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，概括尺寸精度为 0~0.5 mm［42-43］。西安航天动力机械厂选取正旋拉旋+反旋拉旋的工艺规划成功研制出直径Φ500 mm的TC4钛合金薄壁环形内胆［47］。

钛合金精密旋压技术固然已经在我国航天领域得到较为宽泛的利用，但是受温度场均匀性、、、回弹效应、、、扩散效应、、、料模尺寸匹配性等关键技术的局限，我国航天钛合金旋压抑品目前根基选取高温有模成形工艺，且急剧精密旋压技术处于起步阶段，陆续复合成形技术仍处于工程试验钻研阶段，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利用，需着重发展钛合金资料可旋性、、、旋压尺寸精度节制 、、、控 形/控 性 及 热 处 理 、、、旋 压 模 拟 仿 真 等 技 术钻研［44-45，48］。

1.5钛合金热等静压粉末冶金技术

热等静压（HIP）粉末冶金技术拥有致密度高、、、无织构和偏析、、、内应力小、、、资料利用率高、、、可近净成形等优势，其成形的构件可兼具铸件的复杂型面特点以及锻件优异的力学机能优势，出格适合航天工业对大型、、、复杂、、、薄壁、、、高靠得住性结构件的研制需要［49-54］。

随着钛合金熔炼技术、、、致密化变形精度节制技术、、、先进制粉技术、、、有限元分析技术等关键技术的突破，国外目前已实现了钛合金HIP粉末冶金技术在航天领域的大规模工程化利用。法国Senecma公司研制的低温粉末钛合金叶轮在-253 ℃前提下工作转速达550 m/s，并可大幅缩短加工周期［图 5（a）~（b）］。美国 P&WRocketdyne和Synertech PM公司选取等离子旋转电极法（PREP）制粉并借助推算机仿照等先进技术，成功研制出火箭发起机钛合金壳体、、、阀体等构件，已在航天领域得到利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起机机匣成功实现了复杂型面构件的一体化近净成形，并已达到了工程化利用水平，其选取60 kg粉末可出产出56 kg的最终样件，成形精度高达近90%，仅需一些机加工即可实现最终产品的研制［图5（d）］。

随着多年的技术发展，我国目前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资料和构件的 HIP 粉末冶金一体成形能力，所涉及的产品重要有舵翼类、、、舱体类、、、异形曲面类以及机匣类等构件，能够很好地满足航天领域的工作需要［50，53，55-57］。作为国内最先钻研钛合金 HIP 粉末冶金成形工艺的单元，航天资料及工艺钻研地点型号需要的牵引下，目前已突破了高品质钛合金粉末研制技术、、、粉末冶金构件变形节制技术、、、大型复杂结构件的制备技术等关键技术，并实现了钛合金 HIP 粉末冶金关键产品的研制和工程化批量出产［51，53-55］。

例如，航天资料及工艺钻研所研制的TA15钛合金舵翼件已具备内部框架结构净成形能力［图6（a）］，其力学机能与锻件持平，资料利用率可达70%以上，并且可实现减重15%以上的指标，满足了飞行器对轻质高强、、、高耐温结构件的需要。此外，通过合理的包套设计结合有限元分析，成功研制出高机能TA7 ELI钛合金氢泵叶轮［图6（b）］，其在液氢前提下抗拉强度可达1.46GPa，延长率≥12%，尺寸精度＜0.2 mm，目前已通过全面查核，有效地支持了我国航天型号的发展［55］。近期，航天资料及工艺钻研所成功研制了TA15钛合金中介机匣［图6（c）］，尺寸精度可节制在±0.3 mm以内，资料利用率≥70%，可实现整体成形，其加工周期可由6个月缩短至1个月，大幅提高了出产效能且机能超过锻件水平。此外还研制了Ti3Al发起机延长段［图6（d）］以及TA15发起机喷管［图6（e）］。

随着航天型号的发展，我国目前钛合金HIP粉末冶金技术不仅能够研制出复杂水平高的产品，并且已实现了工程化利用。但是与国外先进技术相比，我国在耐600 ℃以上高温钛合金粉末冶金技术的净成形能力方面仍有差距，目前仅处于工程试验阶段；在有限元仿照分析方面不足有关理论模型，大无数推算机仿照局限于粉末成形初期和变形量的分析；在批量出产过程中芯？＜本缛コ际醪蛔、、、流程长，且可反复使用率低、、、出产成本高，在短流程低成本节制方面仍有欠缺［24，51］。

2、、、钛合金精密成形技术在航天领域中的发展方向

针对我国将来航天领域的科研项目需要，急需提高飞行器运载效能、、、降低飞行器结构系数、、、提高飞行器的总体技术指标，应进一步推动以钛合金为代表的新资料、、、新工艺的利用发展。因而，在大型、、、复杂、、、薄壁航天器结构件的研制中，选取钛合金精密成形技术是将来制作不成或缺的关键性选择。

（1）在 低 温 环 境 应 用 领 域 ，需 着 重 关 注 诸 如CT20、、、TC4ELI、、、TA7ELI 钛合金精密铸造、、、超塑成形、、、粉末冶金成形技术的发展，以满足管路类、、、气瓶类、、、叶轮类结构件的使用需要。

（2）在高温环境利用方面，需重点关注 TA15、、、TC11、、、Ti60、、、Ti600、、、Ti65 钛合金精密铸造、、、超塑成形、、、精密旋压、、、粉末冶金成形技术的发展及工程化利用推广，以满足舵翼类、、、复杂进气道类、、、喷管类、、、防/隔热结构件类的使用需要。

（3）此外，对耐 600 ℃以上的高温、、、复杂热结构件的研制，需着重推动 Ti-Al 系金属间化合和钛基复合伙料超塑成形、、、精密旋压、、、粉末冶金成形技术的工程化利用推广工作。

3、、、结语

资料和制作技术是航天领域发展的基础，为推动钛合金及其精密成形技术在我国航天领域的利用并缩短与国外先进水平的差距，需重点关注、、、加强新型钛合金资料（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、、、复杂钛合金构件精密成形技术的协同发展，提高我国钛合金构件成形工艺成熟度、、、精密度以及产品合格率，节制并降低研制成本，缩短出产周期，将来我国先进钛合金资料的研发以及精密成形技术的进取必将迎来飞跃式发展。

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