作者：李宝乐
日前，位于上海交通大学包头新材料产业园内的包头嘉泰金属科技有限公司（以下简称嘉泰金属）已通过自主研制设备，成功研制出国内唯一的直径0.05mm钛合金超细丝材。
“依托上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室的原位自生稀土氧化物颗粒强化钛合金技术和等温锻造、精密铸造等方面的技术，我们已制备出直径达580㎜、重量1.5t的国际最大尺寸钛基复合材料铸锭。”嘉泰金属技术负责人仝泊涛说道。目前，嘉泰金属针对航天、航空、核电、医疗器械、船舶等领域对高性能稀有金属、特钢、金属基复合材料等方面的迫切需求开展产业化发展。公司现设计产能为500吨，已有特种熔炼、等温锻造、精密铸造、超细丝材加工4条生产线或外协生产线。
金属钛——国家间角力的新战场
众所周知，钛及钛合金具有密度小、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、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。
“放眼全球，美国钛制品约80%都用于航空领域；欧洲正计划投资全球新建发电站的开发，其中，亚洲和太平洋工区占主要份额；在英国，钛材在民用工业中的应用约占40%-45%；日本也正在海洋温差发电、潮汐发电等设备寻求钛的应用；海水淡化技术在日本和阿拉伯地区也已得到充分发展。”仝泊涛说道。
仝泊涛坦言，全球钛生产企业都在努力挖掘金属钛的新应用领域。这些新领域用钛量已占到世界钛材总量的10%。而中国钛材产品的应用领域和消费结构与美国、欧洲、日本、俄罗斯等钛工业强国均不同，中国在航空航天、海洋工程、核电、医疗等重要战略领域用量很少，与发达国家相差甚远，存在不小的差距。
近年来，随着中国化工和海水淡化等领域对钛材用量的急剧增加，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、核电建设计划以及海洋工程等重大工程都对高品质钛材产生了巨大的需求，这些项目急需大型钛及钛合金型材、管材（件）、锻件、板带材，以及钛合金近净成形件、新型钛合金等产品。
“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。
破瓶颈——复合强化成新方向
“加强自主创新，大力开发高端产品，掌控核心技术，迈进军工、航空航天运用；通过整合下游末端产业链集群，发展后续运用民品，是钛材制造发展的主要方向。”仝泊涛说。
据吕维洁介绍，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打破传统钛合金的技术壁垒，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，解决了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。
“利用自主知识产权的原位自生专利技术，生产出的钛基复合材料精密铸件产品，性能提升了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。
此外，吕维洁团队还开发设计了新型的原位自生加工工艺。“特别是利用多相流体力学理论分析不同种类增强体其含量对稀土增强钛合金材料的熔体停止机制，依据相似物理模拟理论和广义达西定律，给出物理模拟钛合金熔体渗流补缩流动时需要满足的条件，结合凝固收缩理论，给出稀土改性钛合金材料熔体凝固成形过程中，缩孔形成条件和体积判据。”吕维洁说。
吕维洁团队钛合金制备的相关研究成果已在国内外知名刊物上发表，总共发表学术论文200多篇，SCI收录150多篇，SCI他引1000多篇次，EI收录100多篇。并获得2015年度国家自然科学二等奖，中国国际工业博览会创新奖和第12届中国国际高新技术成果交易会优秀产品奖。
产业化——钛应用实现国有化
据吕维洁介绍，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，从而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，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，项目团队已经给航天单位批量提供颗粒增强钛合金锻件16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。
“精密铸造方面，通过与国内航空航天一家精密铸造企业合作，利用工业化铸造设备，制备了颗粒增强钛合金叶轮、DD壳体等精密铸件。”吕维洁说道，构件在用户方获得了验证，尤其是耐热颗粒增强钛合金叶轮在高温复杂的环境中通过了考验，显著提升了高端设备的性能，成套设备年节约用电1000万度，产生了显著的社会效益。
目前，该技术成果转化取得了良好的经济效益，2020年产值437万。
未来，吕维洁信心满满，“我们所研发生产的关键结构件已在一机集团和航天六院相关装备型号上应用验证，在公司获得相关资质后，将开展批量供货。”
