稀土钛材迈向产业化

众所周知，钛及钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀、高低温特性好等诸多优良特性，并具有形状记忆、超导、储氢、生物相容性等独特功能，小到眼镜框，心脏和血管支架，大到航空发动机叶片，都有钛的身影。

据上海交通大学材料科学与工程学院教授、博士生导师吕维洁介绍，钛被誉为“宇宙金属”“航空金属”和“空间金属”，还被称为继铁和铝之后的“第三金属”，是工程技术及高科技领域中的关键支撑材料和极为重要的国防战略金属材料。当前，钛材用量和钛工业发展水平已经成为衡量一个国家综合国力和发达程度的重要标志。

近年来，随着化工和海水淡化产业发展，以及中国的大飞机计划、嫦娥登月计划、航空发动机研发计划、核电建设计划和海洋工程等重大领域的推进，对高品质钛材形成了巨大的需求。

“中国的钛工业目前还无法满足上述需求，许多产品还不能批量生产甚至属于空白，仍然需要大量从国外进口。”吕维洁说道，面对国家实施重大工程的需要和相关行业发展的产品需求升级，加强国内钛及钛合金材的研究开发及产业化，提升钛工业产品质量和提高钛材产品深加工水平，促进中国钛工业的升级转型是全行业的重中之重，已成为国民经济发展和国防建设的重大课题，具有重大的战略地位和作用。

在嘉泰金属采访中，记者了解到，吕维洁教授创办的嘉泰公司是国内最先能利用普通工艺制备大铸锭原位自生钛基复合材料和开展原位自生钛基复合材料应用研究的单位。

据仝泊涛介绍，传统的钛合金通过合金化和组织结构优化提高其性能已经发展到极致，只有通过复合强化才能突破传统钛合金的窠臼，让钛合金在更多领域“大展拳脚”。

吕维洁带领的科研团队创新性地提出利用多元、多尺度增强体复合强化提高钛合金性能的技术路线，设计新型原位自生工艺，简捷、低成本制备了高性能稀土改性钛基复合材料，进一步优化了成分和性能，解决高性能稀土改性钛合金构件的等温锻造和精密铸造的关键成形技术难题。

“拥有自主知识产权的原位自生专利技术生产的钛基复合材料精密铸件产品，性能提升15%-20%。实现了稀土改性钛基复合材料在航天、航空、核电、船舶、高端设备等领域的规模化应用，满足了国家战略需求。”吕维洁说道。

由于钛金属冶炼和加工技术难度高、工序流程复杂，生产工艺设计需克服许多技术难点，还得需要许多特殊的冶炼、加工技术和专用设备进行钛及钛合金的冶炼和加工材的制备。

针对稀土改性合金材料等温锻造技术开发，确保稀土改性钛合金材料等温锻造技术产业化目标的实现，项目团队采用高温热压缩塑性变形，紧密围绕材料基体合金和陶瓷颗粒增强体在塑性变形过程中的热变形行为，研究颗粒增强稀土增强钛合金材料高温变形行为，探索颗粒增强稀土增强钛合金材料高温变形工艺和组织的协调机制，确定出合适的等温锻造加工窗口。

此外，针对稀土改性钛合金材料精密铸造技术开发，项目团队采用石墨螺旋形在真空感应炉中进行复合材料熔体的流动性研究，分析温度和增强体种类、含量对稀土改性钛合金材料流动性的影响规律，以及稀土改性钛合金材料的熔体停滞机制，进行物理模拟稀土改性钛合金材料楔形试样的充型能力，分析稀土改性钛合金材料充型过程增强体的作用机制。

利用有限元分析等新型的计算机模拟技术实现等温锻造工艺过程控制的模拟仿真，有效设计等温锻造模具和锻造工艺参数，高效、低成本地制备出高性能的稀土增强钛合金材料锻件，以满足高性能、高可靠、低成本航空零件的设计要求，提供可工业化生产的构件。

目前，嘉泰金属已经向航天单位提供颗粒增强钛合金锻件30多批次，并已在国家关键型号上获得了批量应用，与用户单位制定了高强、高模钛基复合材料的企业标准。