钛是 20 世纪 50 年代发展起来的一种沉要金属，其密度为4.5g/cm³ 左右，仅为钢的58%。在室温下，钛合金的比拉伸强度为高强度结构钢的1.26倍，高强度铝合金的1.38 倍，在 400～500℃内，钛合金的比蠕变强度和比委顿强度均显著优于耐热不锈钢 [1] 。钛合金所展示出的高比强度、耐高和善耐侵蚀蹬着良个性，使其获得了航空航天工业的高度器沉。

1、航天产品种类与特点

目前，重要的航天产品蕴含火箭、导弹、卫星和宇宙飞船等。随着航天技术的不休发展，人类意识宇宙的领域不休增大，一些新的空间相继被发现、被索求。新环境所出现出的超高温、超低温、高真空、高应力及强侵蚀等极端前提对航天飞行器的使用机能提出极大挑战。因而，新型飞行器必须拥有适应新环境的特殊机能。对火箭而言，其重要的焦点在于承载能力和射程，火箭每削减 3 公斤的自沉，就能增长 1 公斤的运载能力，末级火箭每减轻 1 公斤，能够削减近 100 公斤的发射燃料，射程可增长 15 公里以上
；新一代导弹则要求飞行速度更快、射程更远，因而必要弹体拥有优良机能和沉量轻等特点，好比，中程导弹每减轻 1 公斤，射程增长 7~8 公里，远程导弹则成效更显著
；卫星减沉产生的经济效益则更为乐观，卫星每减沉 1kg，可削减 lt 的推力，可节俭 3000 万日元的开支，同时减沉还能够增长有效载荷，经济效益同样甚为乐观，如通讯卫星每增长 1Kg 有效载荷可创效益 400 万美元。卫星、宇宙飞船除了具备轻质等特点，还必要耐凹凸温及侵蚀等极端环境。

2、钛合金在航天领域的利用近况

当今，钛合金利用最活跃的领域是航空航天，据统计，钛在航空航天上的利用约占钛总产量的70%左右，蕴含军民用飞机、航空发起机、火箭发起机、人造卫星、高强螺栓、储料箱、导弹尾翼、弹头壳体等，其利用大国也根基集中在欧美、日本等蓬勃国度，尤其是率先实现第二次工业革命的美国，美国钛合金在航天工业的利用始于 1955 年，到目前为止，其使用规模和技术都走在世界前列。

在宇航设备方面，20 世纪 60 年代，美国阿波罗打算中的宇宙飞船双人舱及密关舱翼梁及肋都由Ti-5Al-2.5Sn 造作，而衬里则由纯钛造作
；ELDO-欧洲 1 号火箭表套由 Ti-13V-11Cr-3Al 造作
；高压储气罐或燃料贮藏器优先选取 Ti-6Al-4V 合金造作
；Ablestar（阿波罗）火箭用的储压器、后喷嘴由13 个铸造的 Ti-6Al-4V（拥有低含氧量）合金板组成，并经过焊接而造成储压器，用于贮藏动力燃料的氧化催化剂。德国 MT 宇航公司造备出 Ф1905mm 的高强 Ti-15V-3Cr 合金推动系统贮箱，并利用于欧洲阿尔法通讯卫星巨型平台（见图 1），实现了卫星平台的大幅度减沉。美国第 1 代航天飞机的热防护系统部门选取了钛合金 Ti1100 作为防热瓦，其第 2 代航天飞机的热防护系统也选取急剧凝固钛合金，亚轨路单级入轨火箭运载器 X-33 还是选取钛合金 Ti1100 作为其机身背风面大面积防热系统资料。图 2 为美国航天飞机打算中飞行器用钛合金压力罐。在兵器系统方面，美国选取粉末冶金技术出产各类导弹兵器用钛合金部件，如 Sidewind 导弹粉末钛合金头罩、F107 巡航导弹发起机粉末钛合金叶轮、Stinger 防空导弹粉末钛合金战斗部壳体、Stinger 防空导弹新型钛钨复合战斗部壳体等。美国的“斯拉姆”加强响应型远程空位导弹 AGM-848H、“战斧”Ⅲ型巡航导弹等也都使用了钛合金作为战斗部壳体。民兵洲际导弹第二级固体发起机壳体也选取 Ti-26Al-24V 钛合金，利用后使壳体沉量减轻 30%。

图 1 高强 Ti-15V-3Cr 合金推动剂储箱 图 2 美国航天飞行器上使用迪胙合金压力罐作为美国的竞争敌手俄罗斯也一向注沉航天上用钛打算。俄罗斯钛合金在航天工程上利用的实

例好多。如早期研造的 OT4、BT5-1KT 和 ПT-BKT 等合金已在航天火箭等领域大量利用，且利用比例占其质量的 5%~30%，如“能源号”运载火箭使用了强度极限 1100MPa，沉 3.5t 的 BT23 钛合金大型模锻件和锻件，使用了 BT5-1、BT6 和 BT23（强度极限 1300MPa）钛合金的焊接球罐，还用高强钛合金管材造作了管结构件（构架）。每枚“能源号”火箭使用钛合金结构件的质量为 18t。此表，钛合金也利用于液体燃料火箭发起机的燃料仓、低温液体贮存箱及液氢输送泵叶轮等。在兵器方面，俄罗斯 SS-25 白杨洲际导弹的一、二级发起机壳体选取钛合金前后封头，SS-N-22 日灸导弹的弹体则全数由钛合金组成。

日本作为亚洲的科技和军事强国，对钛合金在航天领域的利用也做了大量钻研。早在 1968 年，日本就在火箭上使用钛合金，后又在 H-Ⅰ和 H-Ⅱ的第三级和 M-3B 固体火箭的马达壳体上使用了钛合金。日本第一颗试验卫星“大角”号使用了 Ti-2Al-2Mn 钛合金，其 ISAS 和 MHI 两家公司选取超塑成形技术造作了 Ti6Al4V 卫星贮箱，研造的低温结构钛合金 LT700（Ti-3Al-5Sn-1Mo-0.2Si）也已用来造作液体火箭发起机的涡轮泵。

同样，中国随着航天工程迅猛发展，钛合金也得到宽泛利用。从 1970 年东方红一号”卫星成功发射到此刻的神舟系列飞船、嫦娥探测器等，这些航天器上均使用了钛合金。如“东方红”一号卫星的观测裙和播放“东方红”乐曲用的天线就选取钛合金，新型卫星结构和总装系统，节造系统，空间遥感器系统和燃料贮箱等方面也使用钛合金。我国研造的液氢环境下使用的低温 TA7ELI 钛合金气瓶（如图 3）已用于长征系列运载火箭
；哈工大用 TC4 钛合金造备了月球车的轮圈，如图 4 所示
；最近托举我国大型运载火箭“长征五号”飞天的大推力液氧火油发起机涡轮泵叶片也选取钛合金。此表，我国还用 BT20 等高强钛合金造作导弹的发起机壳体、喷管等构件。

3、 钛合金在航天领域的发展远景分析

钛合金同铝合金及钢相比，它拥有更高的比强度，在航天器上利用，对减轻结构沉量，提高机能拥有显著成效。我国是世界上钛资源最丰硕的国度之一，但钛材的产量同美国、日本等工业强国相比还有肯定差距，尤其是钛材在航空航天领域的使用量差距甚大。美国在 1955 年初次将钛合金利用于航天领域，昔时使用量为 1.7t，仅占钛材用量的 1%。之后，钛合金的用量逐年增长，到 1963年占钛材用量的 32%，达到 1784t，为初始用量的 1000 倍以上。如今，美英等蓬勃国度将 50%以上迪胙合金使用在航空航天的事业中，而相比之下，我国在航空航天领域中钛合金的投入量还不及 10%，航天领域则更少。随着我国深空探测、载人为程、月球探测等沉大航天工程的深刻发展，一些航天飞行器如火箭、卫星、飞船、导弹等火急必要使用一些轻质、高强构件来提高机能和增长射程，而钛合金所展示出的优异个性正为航天所需，因而，钛合金未来在我国航天领域的利用远景极度辽阔。

4、目枪合金在航天领域利用存在的问题

钛资源在地壳中极度丰硕，居所有元素中的第 9 位，在结构金属中，仅次于铝、铁、镁居第四位，其含量占地壳沉量的 0.61%，然而多年来并未得到宽泛利用，而其利用潜力，出格是在航天领域的利用潜力极度巨大。在富资源和大市场之间转化存在较大的阻力，归其原因就在于存在经济和技术上的问题。

在经济上，目前，钛合金价值较为昂贵，而随着人类索求宇宙的频次越来越多，领域越来越广，低成本造作已在行业内形成共识，因而选取高机能低成本的航天资料，是未来航天型号发展的一个必然趋向。

在技术上，钛合金属于难变形金属，常温下塑性差，变形抗力大，不易加工。钛的化学活性大，在 600℃以上，易吸收氧，形成硬度很高的硬化层。钛的导热系数低，约为铁的 1/5，铝的 1/14。钛的弹性模量幼，约为钢的 1/2。

思考到经济及技术方面的成分，钛合金在国内航天领域的利用尚未遍及。因而，推进钛合金在航天领域的利用还必要发展大量的工作，其中一个重要方面就是开发钛合金先进成形技术以降低钛合金制品的成本。

5、先进成形技术及其在航天领域的利用

传统的加工方式，如机加等已不能满足先进航天器对钛合金构件的需要，因而必要开发先进迪胙合金成形技术以实现零件大量、高效地成形。下面将介绍几种先进造作技术及其在航天领域的利用情况。

5.1 3D 打印技术

3D 打印是一种以数字模型文件为基础，使用粉末状金属或塑料等可粘合伙料，通过逐层打印的方式来机关物体的技术，国表称为增材造作（Additive manufacturing）。从技术优势看，3D 打印不需切削资料，也不需模具，可批量造作，还可远程操控，尤其合用于结构复杂、体积极度幼的产品，造作速度快，出产周期短。3D 打印技术以其良好的个性正获得航天工业的青睐，并已利用于航天有关零件的造作。随着当局、军方等机构纷纷出台政策支持 3D 技术发展与利用，必将推动 3D 打印技术在航天领域利用广杜纂深度的持续深入。

图 6 3D 打印的卫星双反射面天线 图 7 3D 打印的三叉戟 II D5 潜射弹路导弹衔接器后盖国表企业和钻研机构利用 3D 打印技术不仅打印出了飞机、导弹、卫星的零部件，还打印出了发起机、无人机整机，在成本、周期、质量等方面获得了显著效益，充分显示了 3D 打印技术在该领域的利用远景。欧洲航天局（ ESA） 和瑞士 SWISSto12 公司开发出专门为未来空间卫星设计的首个 3D 打印双反射面天线原型，如图 6 所示，通过选取 3D 打印，不仅显著增长天线的精度，还可降低成本，缩短交付功夫，增长射频设计的矫捷性，最沉要的是减轻部件质量。俄罗斯托木斯克理工大学（TPU）设计并造作的首枚表壳由 3D 打印的 CubeSat 纳米卫星 Tomsk -TPU-120 于 2016年3月底搭载进取 MS-02 太空货运飞船被送往国际空间站。美国水师在 2016 年 3 月进行的三叉戟 II D5潜射弹路导弹第 160 次试射中成功测试了首个使用 3D 打印的导弹部件—可
；さ嫉缋陆油返南谓悠骱蟾，如图 7 所示，通过 3D 打印该零件的设计和造作功夫缩短了一半。

我国于 2015 年 9 月 25 日选取全固体运载火箭“长征十一号”发射了“浦江一号”等四颗微幼卫星，其钟装浦江一号”是国内卫星上初次选取了 3D 打印技术，其天线支架选取 3D 打印钛合金资料。

5.2 热等静压技术

热等静压（Hot Isostatic Pressing，简称 HIP）技术是将制品搁置到密关的容器中，向制品施加各向一致压力的同时施以高温，在高温高压的作用下，使制品得以烧结或致密化。热等静压技术在造备拥有高密度、高纯度、高均匀性、高韧性蹬着良综合机能的资料方面占据优势，同时该技术还能出产根基不必要机加工的近终形部件。据统计，选取 HIP 近终成形工艺造得的产品，其资料的利用率通常可达到 80％～90%，其价值比通例工艺造得的产品低 20％以上，同时显著削减了机加工的功夫和成本。

热等静压技术在航天领域的利用始于 1976 年，其时 Howmet 公司选取热等静压技术对铸件进行致密化处置以满足宇航关键、高应力场所的利用。俄罗斯在世界上首先选取热等静压技术研造出了整体复杂状态迪胙合金氢泵涡轮，见图 8，并在 RD-0120 型氢氧发起机上得到了利用。俄罗斯 VILS钻研院还选取热等静压技术造作了导弹用的薄壁网格状承载结构件，如图 9 所示。

图 8 VT5-1 钛合金氢泵转子 图 9 导弹用薄壁网格状承载结构

美国航天飞机的蒙皮和壳体由钛基复合伙料（即由 Ti-15-3 箔材与 SCS-SiC 纤维网交替层组成）通过热等静压技术造作。此表，火箭发起机叶轮、燃料贮箱壳体、飞行器壳体等必要高力学机能的大尺寸薄壁构件，以及节造舵舵芯骨架等部件的造作也利用了 HIP 技术。

5.3 超塑成形/扩散衔接技术（SPF/DB）

超塑成形就是利用资料的超塑个性，在模具里对金属挤压或进行气动吹塑成形。超塑成形能够一次成形复杂的簿壁零部件，其成型比（成型面积与原资料面积比）可达 4，并且精度较高。

扩散衔接是一种固体焊接步骤，是两种一样或不一样的金属或非金属缜密贴合在一路，在肯定温度和压力下，彼此不溶解而焊接在一路，故又称扩散焊接，是获得整体构件的一种步骤，能够削减零件数量，改善构件的抗委顿机能。

超塑成形 / 扩散衔接（SPF/DB）是一种把超塑成形与扩散衔接相结合用于造作高精度大型零件的近无余量加工步骤，在航空航天工业发展的推动下，经过 30 多年的开发钻研和验证试验，已进入了实用阶段。

国表 SPF/DB 工艺宽泛用于航天零部件的出产，英、美、法等国度已研造钛合金夹层结构的前置翼和导弹弹翼、导弹表壳、推动剂箱、进气路、整流罩、导流片、容器、各类梁、框结构及发起机零部件等。如 NASA 选取 SPF/DB 技术造成超声速中程战术巡航导弹的防护系统
；美国沃特公司在超声速战术导弹造作中，选取胀管 SPF/DB 组合工艺造作迪胙部件取代 17-4PH 造作的一样部件，可使造作用度降低 50%以上。

国内对 SPF/DB 技术的钻研起头于 70 年代末，经过 30 多年的发展，我国 SPF/DB 技术获得了很大的进取。针对航天型号对金属防热结构的需要，航天资料及工艺钻研所发展了钛合金波纹板 SPF技术钻研，成功造备出 TC4 钛合金防热瓦等热结构部件。

5.4 精密旋压技术

旋压成形技术是一种综合了铸造、挤压、拉伸、环轧、滚压等技术的先进造作技术，其可能实现资料的近净成形，在造作薄壁回转体零件方面拥有怪异的优势。国表，精密旋压技术已发展到较高水平，美国强力旋压出产的 Ф3900mm 的大型导弹壳体，径向尺寸精度达到 0.05mm，表表粗糙度Ra 为 1.6～3.2，壁厚差≤0.03mm。美国航空航天局（NASA）和 MT 宇航公司共同开发造作了利用于AresA 火箭的大尺寸 2195 铝合金燃料贮箱，见图 9，首先选取搅拌摩擦焊衔接多块铝合金板材形成大尺寸平板，之后将大尺寸平板旋压成穹形，其直径高达 5.5m、深度 1.6m、壁厚 3~5mm。宇宙神洲际导弹的 Ti-6Al-4V 钛合金球形气瓶的两个半球件是热旋压成形的，加热温度为 535℃～595℃，

每块板料的旋压功夫为 3min～5min。旋压法与通例铸造加工步骤比力，可降低成本 25%～35%
；褂谢仆锸康嫉┭蛊，可供大力神导弹Ⅳ使用的固体火箭发起机壳体，北极星导弹发起机壳体等，均是用旋压法成形的。

国内也积极发展金属旋压成形技术钻研并将其利用于航天领域。航天资料及工艺钻研所凭据航天型号发展率先发展了 Al-Mg-Sc 合金的研造工作，选取旋压、滚弯、低应力高精度机械加工及氩弧焊等集成技术造作了内径Φ 300mm、表径Φ 570 mm、长度 1800mm 的柱形 1570 铝钪合金油箱壳体，如图 10 所示。航天科技集团公司第 708 钻研所与该集团公司 211 厂（首都机械厂）旋压成形 TC4钛合金球形、椭球形气瓶，产品重要利用于火箭发起机储气箱体。此表，旋压技术还利用于固体火箭发起机表壳、叶片罩、陀螺仪导向罩、内蒙皮、月球车轮毂等各类薄壁回转体零件的造作。

6、建议

我国钛合金研造经历了从仿造到创新研造的过程，到目前为止，已获得长足的发展。一些新型迪胙合金相继被研发成功并利用于国度沉大工程，产能也在经历近十年的高速发展后成为世界第毕出产大国，但与钛工业蓬勃国度相比仍有差距，尚不能满足国度工程的需要，尤其是在利用潜力巨大的航天领域。因而，若何扩大钛合金在我国航天领域的利用领域，提高我国航天科技及国防实力是我国钛合金工作者的沉要使命，为此建议如下：

（1）钛合金出产商和用户（尤其是与航天造作企业）要加强沟通，相识客户需要，依附各自优势，积极结合申报一些国度沉大专项课题
；

（2）开发拥有高机能迪胙合金，如高强钛合金、耐高温钛合金、低温钛合金等，高机能是要求拥有优良的机能匹配，即必须综合思考其力学机能、物理机能、化学机能和工艺机能等
；

（3）进一步降低钛合金的成本，要充分器沉钛合金基础钻研和机能数据堆集，为钛合金工艺改进、成材率提高、产品规格美满以脊合金研发的原始创新提供支持
；

（4）发展钛合金精确成形技术。钛合金构件的精确成形，能够通过以下技术蹊径来实现：（1）发展改善资料加工性的成形步骤，以减幼塑性成形件的余量，实现净成形或近净成形，如激光急剧成形、精密铸造、粉末冶金、超塑成形/扩散衔接、精密旋压成形等
；（2）通过优化工艺前提，节造和赔偿影响成形精度的成分，实现精确成形。

（5）发展组织机能节造技术，实现成形成性一体化造作。钛合金的使用机能由其微观组织决定，而钛合金的微观组织对加工方式和加工前提很敏感。通过合理的塑性变形能够扭转钛合金的微观组织参数，如扭转钛合金的相体积分数、状态、晶粒度和晶体学织构取向等，从而获得所必要的力学机能。通过适当的变形方式和变形前提，在提高钛合金成形能力的同时提高构件的组织机能，是钛合金塑性成形领域钻研的热点。

（6）发展基于全过程多尺度建仿照真的数字化塑性成形技术，实现变形、组织和机能预测一体化预测和仿真优化。通过仿真仿照成立钛合金成分、加工工艺、组织和机能之间的数字化关系，有利于缩短新型钛合金的研发周期，降低出产造作成本。

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作者简介

韩冬，男，西安航天动力机械厂，1966 年生，工学博士，钻研员，航天科技集团公司学术技术带头人，中国航天奖获得者，享受国务院当局津贴。从事金属资料旋压成形钻研。