何 鋒，張利軍，任淑平，米 磊

(1.西安航天動力機械有限公司，陜西 西安 710025；2.西安西工大超晶科技發(fā)展有限責任公司，陜西 西安 710200)

鈦合金材料由于具有高的比強度、優(yōu)異的抗腐蝕性能、良好的耐高溫性能以及與非金屬復合材料之間理想的裝配相容性等優(yōu)點，使其成為當前航空航天工業(yè)、艦船制造工業(yè)、能源化工工業(yè)等領域廣泛使用的金屬結構材料。

航天飛行器結構設計與制造中考慮最多的就是減重問題，設計者都要千方百計的提高結構效益，同時要求結構材料具有良好的環(huán)境適應性，如適應高溫、高濕、高鹽等腐蝕性服役環(huán)境等。鈦合金材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼制材料，在大幅度降低航空航天飛行器的結構重量的同時可提高航空航天飛行器結構的抗腐蝕損壞能力，對增加航空航天飛行器航射程、降低燃料消耗、延長服役壽命、提高服役可靠性等方面均具有重要意義[1-4]。

因此，鈦合金材料自產生以來特別受到航空航天飛行器設計者的青睞，但是鈦合金材料的成本一直以來較傳統(tǒng)的鋼質材料、鋁質材料高出數倍，在一定程度上限制了鈦合金材料的大面積推廣應用。而且目前市場上不同廠家生產的同一標準規(guī)范的鈦合金材料價格差異也較大，本文對航天飛行器結構用鈦合金進行了簡單概述，同時就目前不同廠家之間鈦合金材料制造成本差異的深層次原因進行了探討分析[3-8]。

1 鈦合金材料在航天工業(yè)中的應用

1.1 鈦合金在固體火箭發(fā)動機系統(tǒng)中的應用

隨著航天飛行器設計對重量的控制要求越來越苛刻，以固體火箭發(fā)動機為代表的航天動力系統(tǒng)結構件，越來越多的采用鈦合金材料、復合材料、高性能鋁合金等輕質結構材料制造。常規(guī)結構的固體火箭發(fā)動機分為金屬殼體和復合材料殼體兩種，金屬殼體一般由前后接頭、前后封頭、前后裙框以及圓筒段組焊而成，復合材料殼體一般由前后接頭、前后封頭、前后裙框以及纖維纏繞層組成。鈦合金的正電位性能恰好與碳纖維等非金屬復合材料相匹配，能夠有效地防止電偶腐蝕，所以鈦合金成為非金屬復合材料的最佳支撐結構材料，目前一部分先進的固體火箭發(fā)動機所使用的復合材料殼體的前后接頭、前后封頭、前后裙框等支撐部件均采用鈦合金材料制造，常見的材料牌號有TC4、TC6、TC11等鈦合金。

噴管是固體火箭發(fā)動機的關鍵部件，在使用過程中承受著高溫高壓的嚴苛考驗，噴管分收斂段和擴張段兩部分組成，這兩部分外層均為金屬支撐件、內層均為非金屬耐燒蝕件，目前絕大部分的固體火箭發(fā)動機噴管殼體的金屬件采用TC4、TC8、TC11等鈦合金材料制造[7-10]。

1.2 鈦合金在空間飛行器動力系統(tǒng)中的應用

為了實現(xiàn)空間飛行器的發(fā)射減重及有效降低在軌調姿的動能慣性，目前衛(wèi)星、宇宙飛船等空間飛行器的推進動力系統(tǒng)大量采用鈦合金材料制造其推進劑儲箱、推進噴管支撐殼體等。

如1993年10月至1996年6月期間發(fā)射的IntelsatⅦ、IntelsatⅦA系列國際通信衛(wèi)星，其上的兩個推進劑儲箱均采用鈦合金材料制造。貯箱直徑1244.6mm，Ⅶ型的是球形的，ⅦA型的是柱形的，即在Ⅶ型的是球形基礎的上下半球之間增加了高度288.6mm的圓柱段，以增加有效容積，貯箱采用Ti-6Al-4V鈦合金板材熱壓工藝制造的上半球、下半球以及環(huán)鍛工藝制造的圓柱度段焊接而成，其推進劑管理裝置由100多個金屬零件組焊而成，凈重5.8kg，其上所有零部件基本都是采用純鈦材料和鈦合金材料制造而成。

“東方紅三號”衛(wèi)星是我國新一代的通信衛(wèi)星，主要用于傳輸電視、電話、廣播和其他數據業(yè)務，使用DK600-3推進動力系統(tǒng)，該系統(tǒng)的兩個球形表面張力貯箱同樣也采用鈦合金材料制造。日本2003年發(fā)射的MUSES-C小行星探測器，其推進劑管理系統(tǒng)同樣采用鈦合金材料制造壓力容器[11]。

1.3 鈦合金在導彈武器系統(tǒng)中的應用

導彈武器系統(tǒng)為了減輕其發(fā)射重量、增加射程以及提高結構件使用溫度，也開始大量使用鈦合金材料替代傳統(tǒng)的結構鋼、鋁合金等材料。如新一代的巡航導彈飛行速度由過去的0.8馬赫提高到3.5馬赫甚至更高，導彈的表面溫度達到300℃～650℃，傳統(tǒng)鋁合金材料制造的隔框、蒙皮、油箱等無法滿足要求，必須使用鈦合金材料制造這些導彈部件。同樣巡航導彈使用的渦噴發(fā)動機動力系統(tǒng)也大量使用鈦合金材料制造其結構部件，包括壓氣機機匣、壓氣機盤、壓氣機葉片等部件。

隨著艦艇防護裝甲能力的不斷提升與建造結構的不斷優(yōu)化改進，其對于反艦彈道的對抗能力不斷提升，為了進一步提升反艦導彈對艦艇的殺傷威力，反艦導彈戰(zhàn)斗部類型趨向于半穿甲型的方向發(fā)展。

如俄羅斯新一代“寶石”反艦導彈采用200kg級的半穿甲爆破型戰(zhàn)斗部、俄羅斯“現(xiàn)代”級驅逐艦裝備的“馬斯基特”超音速反艦導彈采用的是300kg的半穿甲爆破型戰(zhàn)斗部。半穿甲型戰(zhàn)斗部需要在保證彈體強度的前提下穿透數層船板，殼體大都采用較厚的高強高韌合金材料制造，其裝填系數在20%～40%。一般來說，硬侵徹型半穿甲戰(zhàn)斗部的殼體由結構鋼材料制成，常見的如30CrMnSiA、G50、971鋼、82鋼等。

但是，近年來為了減輕整彈質量、增加戰(zhàn)斗部裝藥量（提高裝填系數）、加強毀傷能力以及滿足超音速飛行帶來的高溫效應等，一些先進的導彈戰(zhàn)斗部開始使用鈦合金材料制造，如美國的“施拉姆”AGB-84H、“戰(zhàn)斧”Ⅱ等。俄羅斯經驗表明，半穿甲戰(zhàn)斗部殼體改用高強度、高韌性、密度相對較低的鈦合金材料后，裝填系數可提高到50%，戰(zhàn)斗部的毀傷威力顯著提高[2-11]。

2 鈦合金材料價格差異化原因分析

鈦合金是指以鈦為基體，為了獲得特定的強度性能、抗氧化性能、耐腐蝕性能、加工性能等具體要求，特意加入一種或幾種其它元素，常見的有鋁、釩、鉬、錫、鋯、鉭、鈮等合金元素，生產鈦合金的原料主要分為海綿鈦、中間合金以及純金屬三大類。

目前，鈦合金鑄錠的生產工藝主要使用真空自耗電弧（VAR）爐熔煉法。

真空自耗電弧熔煉技術是一種成熟的工業(yè)熔煉方法，其特點是熔煉速度快，可生產大型鑄錠，鈦合金鑄錠真空自耗熔煉工藝流程見圖1[12-14]。

圖1 鈦合金鑄錠生產工藝流程圖

2.1 熔煉工藝對鈦合金鑄錠成本的影響

為了保證鈦合金鑄錠的致密性和純度以及良好的成分均勻性，鈦合金鑄錠一般要求熔煉次數不得少于兩次，一些特定用途的鈦合金材料如TC11、TA15等標準要求其必須熔煉三次。

一次熔煉的目的是合金基體初步均勻化以及去除大部分有害的揮發(fā)性雜質，一次錠作為二次熔煉的自耗電極；二次熔煉使合金中所有合金成分均勻分布、獲得質量良好的鑄錠，而三次熔煉的目的是為了獲得成分更加均勻一致的優(yōu)質鈦合金鑄錠。依據目前工業(yè)化鈦合金鑄錠制造成本核算，鈦合金鑄錠在工業(yè)批量化生產過程中每次熔煉的制造成本在5.00元/kg上下浮動，以TC4鈦合金鑄錠為例計算，一般的企業(yè)為了節(jié)約生產成本均采用二次真空自耗熔煉工藝，即鑄錠每公斤熔煉制造成本約為10.00元；而一些對產品質量有較為嚴格要求的企業(yè)則采用三次真空自耗熔煉工藝，即鑄錠每公斤熔煉制造成本約為15.00元。

可以看出鈦合金鑄錠采用三次熔煉工藝較二次熔煉工藝可增加成本5.00/kg，但是產品的成分均勻性可進一步提升，鑄錠質量可靠性增加。

2.2 使用原材料對鈦合金鑄錠成本的影響

2.2.1 海綿鈦級別與粒度對鈦合金鑄錠成本的影響

海綿鈦是鈦合金鑄錠生產的最主要原材料，所有的鈦合金材料及制品訂貨標準中均沒有對鈦合金鑄錠生產所用的海綿鈦等級和粒度做出明確規(guī)定，但是海綿鈦的等級和粒度對鈦合金鑄錠的質量有著非常顯著的影響[15]。見圖2。

圖2 海綿鈦生產工藝流程圖

GB/T 2524-2010《海綿鈦》標準中將海綿鈦分為0A級、0級、1級、2級、3級、4級、5級共7個等級，標準中要求海綿鈦產品粒度在0.83mm～25.4mm范圍內。理論計算與工程實踐表明，選用0級、1級、2級甚至3級、4級的海綿鈦均可以生產出化學成分符合GB/T 3620.1標準的鈦合金鑄錠。

但是，了解目前海綿鈦的生產工藝之后可以發(fā)現(xiàn)，海綿鈦坨生產出來之后將居于中部的雜質元素低、硬度低的切割破損為0級、1級海綿鈦，其余靠近邊部雜質含量高、硬度高的切割破碎為2級甚至3級、4級海綿鈦。鎂還原法生產海綿鈦過程中可能進入空氣，使海綿鈦產生一些氧化或氮化物，包括其它途徑帶入的雜質鐵、雜質碳等，這些有害物質一般位于海綿鈦坨的邊部和上下部區(qū)域，在后期的鑄錠熔煉過程中極易形成夾雜等冶金缺陷。

所以選用0級、1級海綿鈦與選用1級以下等級海綿鈦熔煉生產的鈦合金鑄錠雖然化學成分均可符合標準范圍要求，但是從可能形成潛在冶金缺陷等角度分析，具有顯著的質量差異，從鑄錠制造成本上核算，1級海綿鈦較2級海綿鈦每公斤增加成本2.00元。

大量工程實踐表明，鈦合金鑄錠中的局部富鈦偏析往往與海綿鈦的粒度過大、顆粒密度過高有直接關系。鑒于此，一些廠家為了獲得質量優(yōu)質的鈦合金鑄錠，特別是軍工產品用鑄錠，采用小顆粒的海綿鈦原材料，即海綿鈦的粒度由標準規(guī)定的0.83mm～25.4mm范圍進一步縮小為0.83mm～12.7mm的范圍。海綿鈦粒度減小后一是有利于混料的均勻性，二是熔煉過程中，顆粒與液相接觸面增大、下沉速度減小利于溶解并均勻化，防止出現(xiàn)富鈦偏析類缺陷。但是，小顆粒海綿鈦的采購成本較標準顆粒海綿鈦增加5.00元/kg。

2.2.2 中間合金制造工藝對鈦合金鑄錠成本的影響

中間合金是指為了改善加入合金組元的熔煉條件和生產成本，生產的熔點、密度與純鈦接近的兩元或多元合金添加劑[16]。像V元素一樣，雖然熔點、密度均與鈦的接近，但是由于純金屬釩的價格昂貴，仍然選用價格較為低廉的Al-V中間合金加入，不僅成本大為降低，且Al-V中間合金的熔點、密度更為接近鈦的，鈦合金生產常用的中間合金見表1。

表1 鈦合金鑄錠生產常用中間合金

Al-Mo、Al-V等中間合金的制備工藝主要是金屬熱還原工藝法（即一步法），原理是利用一定數量的還原劑，在適當的溫度下，將氧化物進行還原，以制備出所需的中間合金料，該方法具有操作簡單、反應迅速、制造成本低等優(yōu)勢，一般是采用鋁作為還原劑，還原氧化鉬、氧化釩、氧化鈮等制備出鋁鉬中間合金、鋁釩中間合金、鋁鈮中間合金。為了保證中間合金產品的成分均勻性和進一步降低其有害雜質元素含量，對于一些品質要求高的產品還需要進行二次真空感應熔煉（即二步法），對一步法生產的中間合金鑄錠進行表面處理后，破碎成符合工藝要求的粒度，再在真空中頻爐中進行進一步熔煉，在一定的溫度、壓力和磁場攪拌下，使合金中的氣體雜質元素進一步去除降低，尤其是氧元素，同時使合金的成分更加均勻一致，典型的Al-Mo中間合金生產工藝流程見圖3。

圖3 中間合金生產工藝流程圖

目前的市場報價，二步法生產的中間合金較一步法價格每公斤增加30.00元左右，所以選用質量優(yōu)良的二步法中間合金生產鈦合金鑄錠較選用一步法中間合金成本明顯增加。

2.3 鈦合金材料綜合制造成本計算分析

鈦合金鑄錠制造成本構成主要由真空熔煉費用以及原材料（海綿鈦、中間合金等）費用兩大部分構成，通過以上分析可以看出，真空熔煉費用的高低由熔煉次數決定，海綿鈦價格的高低由其等級與粒度決定，中間合金價格的高低由其制備工藝決定，下面以最常見的TC4鈦合金為例來計算不同熔煉工藝以及原材料選擇對成品鑄錠以及最終鍛件的制造成本影響。

表2 TC4鈦合金鑄錠制造成本構成--制造組合方式1

表3 TC4鈦合金鑄錠制造成本構成--制造組合方式2

表4 TC4鈦合金鑄錠制造成本構成--制造組合方式3

表5 制造組合方式對TC4鈦合金鍛件成本的影響

從表2可以看出，采用二級標準顆粒海綿鈦、一步法中間合金并采用兩次真空自耗熔煉生產的TC4鈦合金毛錠制造成本為98.72元/kg，而從表4可以看出，采用一級小顆粒海綿鈦、二步法中間合金并三次真空自耗熔煉生產的TC4鈦合金毛錠制造成本為113.04元/kg，相差14.32元/kg；如果按照工程實踐粗略統(tǒng)計的成品鍛件/毛錠40%左右的成材率計算，最終鍛件的制造成本差異高達35.60元/kg，見表5。

工程實踐表明，表2與表4兩種制造組合方式生產的TC4鈦合金鑄錠甚至其成品鍛件按照國標檢測宏觀學成分、常規(guī)力學性能等均可滿足要求。

但是表4制造方式生產的鈦合金鑄錠其微區(qū)的化學成分均勻性更好、有害雜質元素含量更低。

所以，對于航天飛行器壓力容器、飛機關鍵承力結構件、航空航天發(fā)動機部件等具有高可靠性、長壽命、高疲勞性能要求的產品，使用表4方式生產的鈦合金材料更為安全可靠。

3 結語

目前，多數鈦合金材料的需求方在采購過程中以比價采購為主，即在滿足訂貨技術規(guī)范和進度的前提下最低價中標。

在實際工作當中，鈦合金材料需求方的訂貨技術規(guī)范較為寬泛，多數情況下并沒有對鈦合金材料的預期用途和制造工藝、使用原材料品質等做出明確細致的要求[17]。

近年來，隨著鈦合金材料生產供貨廠家的日益增多，市場競爭愈加激烈，一些企業(yè)為了中標就不惜開展低價策略，這些企業(yè)往往為了保證盈利就會采用低品質的原材料生產鈦合金鑄錠。而對品質控制標準要求高的企業(yè)則會采用優(yōu)質的原材料生產鈦合金鑄錠，往往在競標時因為報價較高而不易中標，這樣在鈦合金材料供應商中容易形成劣幣驅逐良幣的現(xiàn)象。

所以，對于對質量有嚴苛要求的航天工業(yè)來說，其使用的鈦合金產品在市場采購時，不能以低價中標為導向，而是應以優(yōu)質的質量為前提，對產品的預期用途和原材料的使用品質做出明確的規(guī)定，進而再進行比價采購，同時要確保鈦合金生產企業(yè)具有合理的產品利潤，形成良性循環(huán)，促進產品質量持續(xù)改進。