利泰金屬談鈦合金在航天領域的應用需求

鈦是 20 世紀 50 年代發展起來的一種重要金屬，其密度為4.5g/cm³ 左右，僅為鋼的58%。在室溫下，鈦合金的比拉伸強度為高強度結構鋼的1.26倍，高強度鋁合金的1.38 倍，在 400～500℃內，鈦合金的比蠕變強度和比疲勞強度均明顯優于耐熱不銹鋼 [1] 。鈦合金所展現出的高比強度、耐高溫和耐腐蝕等優良特性，使其獲得了航空航天工業的高度重視。

1、航天產品種類與特點

目前，主要的航天產品包括火箭、導彈、衛星和宇宙飛船等。隨著航天技術的不斷發展，人類認識宇宙的范圍不斷增大，一些新的空間相繼被發現、被探索。新環境所呈現出的超高溫、超低溫、高真空、高應力及強腐蝕等極端條件對航天飛行器的使用性能提出極大挑戰。因此，新型飛行器必須具有適應新環境的特殊性能。對火箭而言，其主要的焦點在于承載能力和射程，火箭每減少 3 公斤的自重，就能增加 1 公斤的運載能力，末級火箭每減輕 1 公斤，可以減少近 100 公斤的發射燃料，射程可增加 15 公里以上；新一代導彈則要求飛行速度更快、射程更遠，因此需要彈體具有良好性能和重量輕等特點，比如，中程導彈每減輕 1 公斤，射程增加 7~8 公里，遠程導彈則效果更明顯；衛星減重產生的經濟效益則更為樂觀，衛星每減重 1kg，可減少 lt 的推力，可節省 3000 萬日元的開支，同時減重還可以增加有效載荷，經濟效益同樣甚為樂觀，如通信衛星每增加 1Kg 有效載荷可創效益 400 萬美元。衛星、宇宙飛船除了具備輕質等特點，還需要耐高低溫及腐蝕等極端環境。

2、鈦合金在航天領域的應用現狀

當今，鈦合金應用最活躍的領域是航空航天，據統計，鈦在航空航天上的應用約占鈦總產量的70%左右，包括軍民用飛機、航空發動機、火箭發動機、人造衛星、高強螺栓、儲料箱、導彈尾翼、彈頭殼體等，其應用大國也基本集中在歐美、日本等發達國家，尤其是率先完成第二次工業革命的美國，美國鈦合金在航天工業的應用始于 1955 年，到目前為止，其使用規模和技術都走在世界前列。

在宇航設備方面，20 世紀 60 年代，美國阿波羅計劃中的宇宙飛船雙人艙及密閉艙翼梁及肋都由Ti-5Al-2.5Sn 制造，而襯里則由純鈦制造；ELDO-歐洲 1 號火箭外套由 Ti-13V-11Cr-3Al 制造；高壓儲氣罐或燃料儲藏器優先采用 Ti-6Al-4V 合金制造；Ablestar（阿波羅）火箭用的儲壓器、后噴嘴由13 個鍛制的 Ti-6Al-4V（具有低含氧量）合金板組成，并經過焊接而制成儲壓器，用于儲藏動力燃料的氧化催化劑。德國 MT 宇航公司制備出 Ф1905mm 的高強 Ti-15V-3Cr 合金推進系統貯箱，并應用于歐洲阿爾法通信衛星巨型平臺（見圖 1），實現了衛星平臺的大幅度減重。美國第 1 代航天飛機的熱防護系統部分采用了鈦合金 Ti1100 作為防熱瓦，其第 2 代航天飛機的熱防護系統也采用快速凝固鈦合金，亞軌道單級入軌火箭運載器 X-33 還是采用鈦合金 Ti1100 作為其機身背風面大面積防熱系統材料。圖 2 為美國航天飛機計劃中飛行器用鈦合金壓力罐。在武器系統方面，美國采用粉末冶金技術生產各種導彈武器用鈦合金部件，如 Sidewind 導彈粉末鈦合金頭罩、F107 巡航導彈發動機粉末鈦合金葉輪、Stinger 防空導彈粉末鈦合金戰斗部殼體、Stinger 防空導彈新型鈦鎢復合戰斗部殼體等。美國的“斯拉姆”增強響應型遠程空地導彈 AGM-848H、“戰斧”Ⅲ型巡航導彈等也都使用了鈦合金作為戰斗部殼體。民兵洲際導彈第二級固體發動機殼體也采用 Ti-26Al-24V 鈦合金，應用后使殼體重量減輕 30%。

圖 1 高強 Ti-15V-3Cr 合金推進劑儲箱 圖 2 美國航天飛行器上使用的鈦合金壓力罐作為美國的競爭對手俄羅斯也一直注重航天上用鈦計劃。俄羅斯鈦合金在航天工程上應用的實

例很多。如早期研制的 OT4、BT5-1KT 和 ПT-BKT 等合金已在航天火箭等領域大量應用，且應用比例占其質量的 5%~30%，如“能源號”運載火箭使用了強度極限 1100MPa，重 3.5t 的 BT23 鈦合金大型模鍛件和鍛件，使用了 BT5-1、BT6 和 BT23（強度極限 1300MPa）鈦合金的焊接球罐，還用高強鈦合金管材制造了管結構件（構架）。每枚“能源號”火箭使用鈦合金結構件的質量為 18t。此外，鈦合金也應用于液體燃料火箭發動機的燃料倉、低溫液體儲存箱及液氫輸送泵葉輪等。在武器方面，俄羅斯 SS-25 白楊洲際導彈的一、二級發動機殼體采用鈦合金前后封頭，SS-N-22 日灸導彈的彈體則全部由鈦合金構成。

日本作為亞洲的科技和軍事強國，對鈦合金在航天領域的應用也做了大量研究。早在 1968 年，日本就在火箭上使用鈦合金，后又在 H-Ⅰ和 H-Ⅱ的第三級和 M-3B 固體火箭的馬達殼體上使用了鈦合金。日本第一顆試驗衛星“大角”號使用了 Ti-2Al-2Mn 鈦合金，其 ISAS 和 MHI 兩家公司采用超塑成形技術制造了 Ti6Al4V 衛星貯箱，研制的低溫結構鈦合金 LT700（Ti-3Al-5Sn-1Mo-0.2Si）也已用來制作液體火箭發動機的渦輪泵。

同樣，中國隨著航天工程迅猛發展，鈦合金也得到廣泛應用。從 1970 年東方紅一號”衛星成功發射到現在的神舟系列飛船、嫦娥探測器等，這些航天器上均使用了鈦合金。如“東方紅”一號衛星的觀測裙和播放“東方紅”樂曲用的天線就采用鈦合金，新型衛星結構和總裝系統，控制系統，空間遙感器系統和燃料貯箱等方面也使用鈦合金。我國研制的液氫環境下使用的低溫 TA7ELI 鈦合金氣瓶（如圖 3）已用于長征系列運載火箭；哈工大用 TC4 鈦合金制備了月球車的輪圈，如圖 4 所示；最近托舉我國大型運載火箭“長征五號”飛天的大推力液氧煤油發動機渦輪泵葉片也采用鈦合金。此外，我國還用 BT20 等高強鈦合金制造導彈的發動機殼體、噴管等構件。

3、 鈦合金在航天領域的發展前景分析

鈦合金同鋁合金及鋼相比，它具有更高的比強度，在航天器上應用，對減輕結構重量，提高性能具有明顯效果。我國是世界上鈦資源最豐富的國家之一，但鈦材的產量同美國、日本等工業強國相比還有一定差距，尤其是鈦材在航空航天領域的使用量差距甚大。美國在 1955 年首次將鈦合金應用于航天領域，當年使用量為 1.7t，僅占鈦材用量的 1%。之后，鈦合金的用量逐年增加，到 1963年占鈦材用量的 32%，達到 1784t，為初始用量的 1000 倍以上。如今，美英等發達國家將 50%以上的鈦合金運用在航空航天的事業中，而相比之下，我國在航空航天領域中鈦合金的投入量還不足 10%，航天領域則更少。隨著我國深空探測、載人工程、月球探測等重大航天工程的深入發展，一些航天飛行器如火箭、衛星、飛船、導彈等迫切需要使用一些輕質、高強構件來提高性能和增加射程，而鈦合金所展現出的優異特性正為航天所需，因此，鈦合金未來在我國航天領域的應用前景十分廣闊。

4、目前鈦合金在航天領域應用存在的問題

鈦資源在地殼中非常豐富，居所有元素中的第 9 位，在結構金屬中，僅次于鋁、鐵、鎂居第四位，其含量占地殼重量的 0.61%，然而多年來并未得到廣泛應用，而其應用潛力，特別是在航天領域的應用潛力十分巨大。在富資源和大市場之間轉化存在較大的阻力，歸其原因就在于存在經濟和技術上的問題。

在經濟上，目前，鈦合金價格較為昂貴，而隨著人類探索宇宙的頻次越來越多，范圍越來越廣，低成本制造已在行業內形成共識，因此采用高性能低成本的航天材料，是未來航天型號發展的一個必然趨勢。

在技術上，鈦合金屬于難變形金屬，常溫下塑性差，變形抗力大，不易加工。鈦的化學活性大，在 600℃以上，易吸收氧，形成硬度很高的硬化層。鈦的導熱系數低，約為鐵的 1/5，鋁的 1/14。鈦的彈性模量小，約為鋼的 1/2。

考慮到經濟及技術方面的因素，鈦合金在國內航天領域的應用尚未普及。因此，促進鈦合金在航天領域的應用還需要開展大量的工作，其中一個主要方面就是開發鈦合金先進成形技術以降低鈦合金制品的成本。

5、先進成形技術及其在航天領域的應用

傳統的加工方式，如機加等已不能滿足先進航天器對鈦合金構件的需求，因此需要開發先進的鈦合金成形技術以實現零件大量、高效地成形。下面將介紹幾種先進制造技術及其在航天領域的應用情況。

5.1 3D 打印技術

3D 打印是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術，國外稱為增材制造（Additive manufacturing）。從技術優勢看，3D 打印不需切削材料，也不需模具，可批量制造，還可遠程操控，尤其適用于結構復雜、體積非常小的產品，制造速度快，生產周期短。3D 打印技術以其優良的特性正獲得航天工業的青睞，并已應用于航天相關零件的制造。隨著政府、軍方等機構紛紛出臺政策支持 3D 技術發展與應用，必將推動 3D 打印技術在航天領域應用廣度與深度的持續深化。

圖 6 3D 打印的衛星雙反射面天線 圖 7 3D 打印的三叉戟 II D5 潛射彈道導彈連接器后蓋國外企業和研究機構利用 3D 打印技術不僅打印出了飛機、導彈、衛星的零部件，還打印出了發動機、無人機整機，在成本、周期、質量等方面取得了顯著效益，充分顯示了 3D 打印技術在該領域的應用前景。歐洲航天局（ ESA） 和瑞士 SWISSto12 公司開發出專門為未來空間衛星設計的首個 3D 打印雙反射面天線原型，如圖 6 所示，通過采用 3D 打印，不僅顯著增加天線的精度，還可降低成本，縮短交付時間，增加射頻設計的靈活性，最重要的是減輕部件質量。俄羅斯托木斯克理工大學（TPU）設計并制造的首枚外殼由 3D 打印的 CubeSat 納米衛星 Tomsk -TPU-120 于 2016年3月底搭載進步 MS-02 太空貨運飛船被送往國際空間站。美國海軍在 2016 年 3 月進行的三叉戟 II D5潛射彈道導彈第 160 次試射中成功測試了首個使用 3D 打印的導彈部件—可保護導彈電纜接頭的連接器后蓋，如圖 7 所示，通過 3D 打印該零件的設計和制造時間縮短了一半。

我國于 2015 年 9 月 25 日采用全固體運載火箭“長征十一號”發射了“浦江一號”等四顆微小衛星，其中“浦江一號”是國內衛星上首次采用了 3D 打印技術，其天線支架采用 3D 打印鈦合金材料。

5.2 熱等靜壓技術

熱等靜壓（Hot Isostatic Pressing，簡稱 HIP）技術是將制品放置到密閉的容器中，向制品施加各向同等壓力的同時施以高溫，在高溫高壓的作用下，使制品得以燒結或致密化。熱等靜壓技術在制備具有高密度、高純度、高均勻性、高韌性等優良綜合性能的材料方面占據優勢，同時該技術還能生產基本不需要機加工的近終形部件。據統計，采用 HIP 近終成形工藝制得的產品，其材料的利用率一般可達到 80％～90%，其價格比常規工藝制得的產品低 20％以上，同時顯著減少了機加工的時間和成本。

熱等靜壓技術在航天領域的應用始于 1976 年，當時 Howmet 公司采用熱等靜壓技術對鑄件進行致密化處理以滿足宇航關鍵、高應力場合的應用。俄羅斯在世界上首先采用熱等靜壓技術研制出了整體復雜形狀的鈦合金氫泵渦輪，見圖 8，并在 RD-0120 型氫氧發動機上得到了應用。俄羅斯 VILS研究院還采用熱等靜壓技術制造了導彈用的薄壁網格狀承載結構件，如圖 9 所示。

圖 8 VT5-1 鈦合金氫泵轉子 圖 9 導彈用薄壁網格狀承載結構

美國航天飛機的蒙皮和殼體由鈦基復合材料（即由 Ti-15-3 箔材與 SCS-SiC 纖維網交替層組成）通過熱等靜壓技術制造。此外，火箭發動機葉輪、燃料貯箱殼體、飛行器殼體等需要高力學性能的大尺寸薄壁構件，以及控制舵舵芯骨架等部件的制造也應用了 HIP 技術。

5.3 超塑成形/擴散連接技術（SPF/DB）

超塑成形就是利用材料的超塑特性，在模具里對金屬擠壓或進行氣動吹塑成形。超塑成形可以一次成形復雜的簿壁零部件，其成型比（成型面積與原材料面積比）可達 4，而且精度較高。

擴散連接是一種固體焊接方法，是兩種相同或不相同的金屬或非金屬緊密貼合在一起，在一定溫度和壓力下，彼此不熔化而焊接在一起，故又稱擴散焊接，是獲得整體構件的一種方法，可以減少零件數量，改善構件的抗疲勞性能。

超塑成形 / 擴散連接（SPF/DB）是一種把超塑成形與擴散連接相結合用于制造高精度大型零件的近無余量加工方法，在航空航天工業發展的推動下，經過 30 多年的開發研究和驗證試驗，已進入了實用階段。

國外 SPF/DB 工藝廣泛用于航天零部件的生產，英、美、法等國家已研制鈦合金夾層結構的前置翼和導彈彈翼、導彈外殼、推進劑箱、進氣道、整流罩、導流片、容器、各種梁、框結構及發動機零部件等。如 NASA 采用 SPF/DB 技術制成超聲速中程戰略巡航導彈的防護系統；美國沃特公司在超聲速戰術導彈制造中，采用脹管 SPF/DB 組合工藝制造的鈦部件取代 17-4PH 制造的相同部件，可使制造費用降低 50%以上。

國內對 SPF/DB 技術的研究開始于 70 年代末，經過 30 多年的發展，我國 SPF/DB 技術取得了很大的進步。針對航天型號對金屬防熱結構的需求，航天材料及工藝研究所開展了鈦合金波紋板 SPF技術研究，成功制備出 TC4 鈦合金防熱瓦等熱結構部件。

5.4 精密旋壓技術

旋壓成形技術是一種綜合了鍛造、擠壓、拉伸、環軋、滾壓等技術的先進制造技術，其能夠實現材料的近凈成形，在制造薄壁回轉體零件方面具有獨特的優勢。國外，精密旋壓技術已發展到較高水平，美國強力旋壓生產的 Ф3900mm 的大型導彈殼體，徑向尺寸精度達到 0.05mm，表面粗糙度Ra 為 1.6～3.2，壁厚差≤0.03mm。美國航空航天局（NASA）和 MT 宇航公司共同開發制造了應用于AresA 火箭的大尺寸 2195 鋁合金燃料貯箱，見圖 9，首先采用攪拌摩擦焊連接多塊鋁合金板材形成大尺寸平板，之后將大尺寸平板旋壓成穹形，其直徑高達 5.5m、深度 1.6m、壁厚 3~5mm。宇宙神洲際導彈的 Ti-6Al-4V 鈦合金球形氣瓶的兩個半球件是熱旋壓成形的，加熱溫度為 535℃～595℃，

每塊板料的旋壓時間為 3min～5min。旋壓法與常規鍛造加工方法比較，可降低成本 25%～35%。還有黃銅騎士導彈擴壓器，可供大力神導彈Ⅳ使用的固體火箭發動機殼體，北極星導彈發動機殼體等，均是用旋壓法成形的。

國內也積極開展金屬旋壓成形技術研究并將其應用于航天領域。航天材料及工藝研究所根據航天型號發展率先開展了 Al-Mg-Sc 合金的研制工作，采用旋壓、滾彎、低應力高精度機械加工及氬弧焊等集成技術制造了內徑Φ 300mm、外徑Φ 570 mm、長度 1800mm 的柱形 1570 鋁鈧合金油箱殼體，如圖 10 所示。航天科技集團公司第 708 研究所與該集團公司 211 廠（首都機械廠）旋壓成形 TC4鈦合金球形、橢球形氣瓶，產品主要應用于火箭發動機儲氣箱體。此外，旋壓技術還應用于固體火箭發動機外殼、葉片罩、陀螺儀導向罩、內蒙皮、月球車輪轂等各種薄壁回轉體零件的制造。

6、建議

我國鈦合金研制經歷了從仿制到創新研制的歷程，到目前為止，已獲得長足的發展。一些新型的鈦合金相繼被研發成功并應用于國家重大工程，產能也在經歷近十年的高速發展后成為世界第一生產大國，但與鈦工業發達國家相比仍有差距，尚不能滿足國家工程的需求，尤其是在應用潛力巨大的航天領域。因此，如何擴大鈦合金在我國航天領域的應用范圍，提高我國航天科技及國防實力是我國鈦合金工作者的重要使命，為此建議如下：

（1）鈦合金生產商和用戶（尤其是與航天制造企業）要加強溝通，了解客戶需求，依托各自優勢，積極聯合申報一些國家重大專項課題；

（2）開發具有高性能的鈦合金，如高強鈦合金、耐高溫鈦合金、低溫鈦合金等，高性能是要求具有良好的性能匹配，即必須綜合考慮其力學性能、物理性能、化學性能和工藝性能等；

（3）進一步降低鈦合金的成本，要充分重視鈦合金基礎研究和性能數據積累，為鈦合金工藝改進、成材率提高、產品規格完善以及鈦合金研發的原始創新提供支撐；

（4）發展鈦合金精確成形技術。鈦合金構件的精確成形，可以通過以下技術途徑來實現：（1）發展改善材料加工性的成形方法，以減小塑性成形件的余量，實現凈成形或近凈成形，如激光快速成形、精密鑄造、粉末冶金、超塑成形/擴散連接、精密旋壓成形等；（2）通過優化工藝條件，控制和補償影響成形精度的因素，實現精確成形。

（5）發展組織性能控制技術，實現成形成性一體化制造。鈦合金的使用性能由其微觀組織決定，而鈦合金的微觀組織對加工方式和加工條件很敏感。通過合理的塑性變形可以改變鈦合金的微觀組織參數，如改變鈦合金的相體積分數、形態、晶粒度和晶體學織構取向等，從而獲得所需要的力學性能。通過恰當的變形方式和變形條件，在提高鈦合金成形能力的同時提高構件的組織性能，是鈦合金塑性成形領域研究的熱點。

（6）發展基于全過程多尺度建模仿真的數字化塑性成形技術，實現變形、組織和性能預測一體化預測和仿真優化。通過仿真模擬建立鈦合金成分、加工工藝、組織和性能之間的數字化關系，有利于縮短新型鈦合金的研發周期，降低生產制造成本。

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作者簡介

韓冬，男，西安航天動力機械廠，1966 年生，工學博士，研究員，航天科技集團公司學術技術帶頭人，中國航天獎獲得者，享受國務院政府津貼。從事金屬材料旋壓成形研究。