在航空航天領(lǐng)域，對(duì)材料的極致性能要求催生了鈦合金餅鍛件這一關(guān)鍵基礎(chǔ)毛坯。它并非最終零件，而是通過(guò)鍛造制成的盤(pán)狀或環(huán)狀鈦合金中間制品，是制造發(fā)動(dòng)機(jī)盤(pán)、環(huán)等核心轉(zhuǎn)動(dòng)與承力部件的“基石”。其質(zhì)量直接決定了最終航空部件的性能上限與服役安全。
一、 定義與核心材質(zhì)
定義
航空航天用鈦合金餅鍛件，特指為滿足航空航天極端服役環(huán)境要求，通過(guò)鍛造（熱鍛、軋制）工藝生產(chǎn)的盤(pán)狀（餅材）或環(huán)狀（環(huán)材）鈦合金中間坯料。它作為毛坯，需經(jīng)過(guò)后續(xù)的精密加工（如數(shù)控銑削）才能成為可直接裝配的盤(pán)件、機(jī)匣等最終零件。其核心使命是以最優(yōu)的冶金質(zhì)量和組織狀態(tài)，為高性能航空部件提供材料基礎(chǔ)。
主要材質(zhì)與牌號(hào)
航空航天領(lǐng)域根據(jù)部件工況（溫度、應(yīng)力），選用截然不同的鈦合金體系：
| 類(lèi)別 | 典型牌號(hào) (示例) | 核心特性與設(shè)計(jì)目的 | 主要應(yīng)用坯料方向 |
| 中溫高強(qiáng)鈦合金 | TC4 (Ti-6Al-4V)、TC11、TC19 | 綜合性能優(yōu)良，在400-500℃以下具有高強(qiáng)度、良好韌性及抗疲勞性能，技術(shù)最成熟，用量最大。 | 航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇/壓氣機(jī)前幾級(jí)盤(pán)、葉片、機(jī)身結(jié)構(gòu)件坯料。 |
| 高溫鈦合金 | Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti-6242S)、TC9、TA24 | 側(cè)重500-600℃下的高強(qiáng)度、抗蠕變和組織穩(wěn)定性，多為近α型合金。 | 發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)后級(jí)盤(pán)、鼓筒等高溫部位坯料。 |
| 鈦鋁系金屬間化合物 | Ti-23Al-17Nb | 密度更低，高溫比強(qiáng)度和抗氧化性能優(yōu)異，使用溫度可達(dá)650-700℃，是減重增效的前沿材料。 | 新一代高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)及航天飛行器高溫部件坯料。 |
| 高損傷容限型鈦合金 | TC4-DT、TC18 | 在保持較高強(qiáng)度的同時(shí)，具有優(yōu)異的斷裂韌性和抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力，滿足現(xiàn)代飛機(jī)安全壽命設(shè)計(jì)。 | 關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)件、對(duì)可靠性要求極高的盤(pán)件坯料。 |
二、 關(guān)鍵性能特點(diǎn)
航空航天對(duì)鈦合金餅坯的性能要求極端嚴(yán)苛，核心圍繞“高強(qiáng)韌”、“耐高溫”、“抗疲勞”和“超純凈”。
極高的力學(xué)性能與組織均勻性：
高強(qiáng)度與良好塑性匹配：餅坯需保證后續(xù)零件具備高抗拉/屈服強(qiáng)度，同時(shí)保有足夠的塑性以防脆斷。例如，TC4餅坯室溫抗拉強(qiáng)度要求不低于895 MPa。
卓越的疲勞與損傷容限性能：餅坯組織必須能保證最終零件在數(shù)億次循環(huán)載荷下具有高抗疲勞能力。研究表明，TC19合金鍛件的保載疲勞壽命顯著優(yōu)于TC11。
極致的組織均勻性：這是最核心的要求。餅坯全截面（從心部到邊緣）必須具有細(xì)小、均勻的等軸或網(wǎng)籃組織。任何粗晶、β斑或組織不均都會(huì)成為性能短板和疲勞裂紋源，導(dǎo)致部件在高速旋轉(zhuǎn)中失效。
優(yōu)異的高溫服役性能：
高溫強(qiáng)度與蠕變抗力：高溫合金餅坯需在600℃甚至更高溫度下，長(zhǎng)時(shí)間保持高強(qiáng)度并抵抗緩慢的塑性變形（蠕變）。
熱穩(wěn)定性：在長(zhǎng)期高溫暴露后，組織與性能需保持穩(wěn)定，不發(fā)生顯著退化。例如，Ti-23Al-17Nb合金餅材經(jīng)650℃、100小時(shí)熱暴露后，性能變化很小。
超高的內(nèi)在質(zhì)量與可靠性：
超低缺陷水平：采用遠(yuǎn)超普通工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的超聲波探傷進(jìn)行100%檢測(cè)，嚴(yán)格內(nèi)部冶金缺陷（如夾雜、孔洞）的尺寸和數(shù)量。
精確的化學(xué)成分與純凈度：嚴(yán)格控制氧、氮、氫等間隙元素含量，避免氫脆。鑄錠必須經(jīng)過(guò)至少兩次真空自耗熔煉，確保高純凈度。
三、 主要執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)
其生產(chǎn)與驗(yàn)收遵循極為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)體系，且航空航天標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)高于通用標(biāo)準(zhǔn)。
國(guó)家基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)：《GB/T 16598 鈦及鈦合金餅和環(huán)》是通用產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了尺寸、室溫力學(xué)性能等基礎(chǔ)要求。其前身為更早的《GBn 194-83》。
國(guó)際/行業(yè)專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)：
AMS 4928等航空航天材料規(guī)范是實(shí)際應(yīng)用更廣泛、要求更嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)。
ASTM B381是鈦及鈦合金鍛件的美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)。
企業(yè)內(nèi)控與技術(shù)協(xié)議：航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造商（如羅羅、GE、賽峰）及飛機(jī)主機(jī)廠的內(nèi)部材料標(biāo)準(zhǔn)是最高準(zhǔn)則，對(duì)組織均勻性、缺陷驗(yàn)收級(jí)別（如雜波水平）、性能數(shù)據(jù)分散性等有定制化極限要求。
四、 加工工藝、關(guān)鍵技術(shù)及流程
高品質(zhì)鈦合金餅坯的制造是“慎于始”的系統(tǒng)工程，其流程復(fù)雜、技術(shù)密集。下圖展示了從原料到合格餅坯的核心加工流程與關(guān)鍵決策點(diǎn)：
關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)解析：
均質(zhì)化熔煉技術(shù)：采用三次真空自耗電弧熔煉（VAR），確保合金成分均勻并去除低密度夾雜，是高純凈度的基礎(chǔ)。
“多向反復(fù)鐓拔”組織細(xì)化技術(shù)：這是獲得均勻組織的核心。如專(zhuān)利CN109622839B所述，通過(guò)數(shù)十個(gè)步驟、在相變點(diǎn)上下精確控溫，進(jìn)行多火次、換向的鐓粗與拔長(zhǎng)，累積巨大變形量，徹底破碎原始晶粒，獲得均勻細(xì)小的組織。研究也證實(shí)，對(duì)Ti-23Al-17Nb這類(lèi)難變形合金，在（α?+B2）兩相區(qū)進(jìn)行一火次大變形量鐓粗，比傳統(tǒng)多火次小變形自由鍛更能獲得均勻組織。
全過(guò)程精準(zhǔn)溫控技術(shù)：鈦合金熱加工窗口窄。鍛造加熱溫度需精確控制在相變點(diǎn)以下特定范圍（如TC11在相變點(diǎn)下40-60℃），防止過(guò)熱導(dǎo)致晶粒粗大。
無(wú)損檢測(cè)與過(guò)程質(zhì)量控制：超聲波探傷是必須的出廠檢驗(yàn)，用于檢測(cè)內(nèi)部毫米級(jí)甚至亞毫米級(jí)的缺陷。探傷標(biāo)準(zhǔn)從棒材的φ2.0mm平底孔提高到餅坯的φ0.8mm平底孔，要求極為嚴(yán)苛。
五、 具體應(yīng)用領(lǐng)域
| 應(yīng)用領(lǐng)域 | 典型部件 | 材料選擇與核心要求 |
| 航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心盤(pán)件坯料 | 風(fēng)扇盤(pán)、壓氣機(jī)各級(jí)盤(pán)、渦輪盤(pán)（部分）。高速旋轉(zhuǎn)，承受巨大離心力、氣動(dòng)載荷及溫度梯度。 | TC4、TC11、TC19及高溫合金。要求極高的旋轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度、良好的斷裂韌性、組織均勻性。TC19在100-400℃的拉伸強(qiáng)度優(yōu)于TC11。 |
| 發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)形部件坯料 | 機(jī)匣、安裝環(huán)、封嚴(yán)環(huán)。作為發(fā)動(dòng)機(jī)的承力骨架和氣流通道。 | TC4、TC4-DT、TA24。要求良好的環(huán)向性能均勻性、抗變形能力、焊接性。 |
| 航天裝備部件坯料 | 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵葉輪、導(dǎo)彈艙體/舵機(jī)結(jié)構(gòu)件、衛(wèi)星鏡筒。承受高過(guò)載、熱震及空間環(huán)境。 | 高強(qiáng)鈦合金、Ti-23Al-17Nb等輕質(zhì)高溫合金。追求極致比強(qiáng)度、高剛度、在特定溫度下的短時(shí)高性能。 |
六、 與其他領(lǐng)域用鈦合金餅鍛件的對(duì)比
| 對(duì)比維度 | 航空航天領(lǐng)域 | 石油化工與海洋工程 | 生物醫(yī)學(xué)（植入體毛坯） | 船舶制造 | 體育休閑/高端消費(fèi)品 |
| 核心性能追求 | 極端力學(xué)性能：最高級(jí)的強(qiáng)度、疲勞、韌性、高溫性能及可靠性。 | 極端耐腐蝕性：全面抵抗酸性、堿性、鹵化物介質(zhì)腐蝕；足夠的承壓能力。 | 生物相容性與功能性：絕對(duì)無(wú)毒，彈性模量匹配骨骼，促進(jìn)骨整合。 | 高強(qiáng)耐蝕：耐海水腐蝕，兼顧較高強(qiáng)度與韌性。 | 輕量化與美觀：高比強(qiáng)度，良好的表面處理性（如陽(yáng)極氧化），成本可控。 |
| 典型材質(zhì) | TC4、TC11、高溫合金、Ti-Al金屬間化合物等高性能復(fù)雜合金。 | 工業(yè)純鈦（TA2）、TA9(Ti-0.2Pd)、TA10等耐蝕合金為主。 | TC4 ELI（超低間隙）、Ti-6Al-7Nb、純鈦。 | TC4、TC4 ELI、Ti75等。 | TC4、工業(yè)純鈦。 |
| 組織與缺陷控制 | 要求最高。必須全截面組織均勻細(xì)小，超聲波探傷標(biāo)準(zhǔn)最嚴(yán)苛（如φ0.8mm），近乎“零缺陷”。 | 要求高。更關(guān)注耐蝕均勻性，探傷標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重影響耐蝕性的缺陷。 | 要求高。關(guān)注組織致密無(wú)缺陷，避免體內(nèi)腐蝕和斷裂，對(duì)有害元素含量控制極嚴(yán)。 | 要求高。深海高壓環(huán)境對(duì)均勻性要求高，探傷標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格。 | 要求中等。更關(guān)注宏觀力學(xué)性能和表面質(zhì)量達(dá)標(biāo)。 |
| 成本敏感度 | 較低。性能與安全絕對(duì)優(yōu)先，為達(dá)成目標(biāo)可不計(jì)成本。 | 中高。注重全生命周期經(jīng)濟(jì)性，初始高成本需被長(zhǎng)維護(hù)周期抵消。 | 中。植入體附加值高，但受醫(yī)療體系支付約束。 | 中高。成本是重要考量，但與安全性權(quán)衡。 | 很高。必須嚴(yán)格控制成本以進(jìn)入消費(fèi)市場(chǎng)。 |
| 認(rèn)證體系 | 最嚴(yán)苛。需通過(guò)軍方或適航當(dāng)局的漫長(zhǎng)認(rèn)證，供應(yīng)鏈高度封閉。 | 嚴(yán)格。需符合壓力容器等行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范與認(rèn)證。 | 嚴(yán)格。需符合醫(yī)療器械注冊(cè)法規(guī)（如NMPA、FDA）。 | 嚴(yán)格。需滿足船級(jí)社（CCS、DNV等）認(rèn)證。 | 常規(guī)。主要符合通用工業(yè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。 |
七、 未來(lái)發(fā)展新領(lǐng)域與方向
面向下一代空天裝備的材料極限突破：
更高溫度與更輕重量的材料：研發(fā)能在700℃及以上長(zhǎng)期工作的新型鈦鋁系金屬間化合物及鈦基復(fù)合材料（如SiC纖維增強(qiáng)），滿足未來(lái)高推重比、超高音速發(fā)動(dòng)機(jī)需求。
集成計(jì)算材料工程：利用大數(shù)據(jù)和模擬，加速高性能低成本新合金設(shè)計(jì)。例如，采用“素化設(shè)計(jì)”策略，僅用氧元素調(diào)控組織，開(kāi)發(fā)不含昂貴合金元素的高性能鈦合金。
大規(guī)格、整體化坯料制造技術(shù)：
隨著飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)大型化，對(duì)超大直徑、超重鈦合金餅環(huán)坯的需求激增。需突破大噸位壓機(jī)工藝、防止大截面坯料心部組織粗化的控性技術(shù)。
增材制造（3D打印）與鍛造的復(fù)合制造：對(duì)于帶有復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)或功能梯度要求的部件，探索“3D打印近凈成形坯料+鍛造改性”的 hybrid 工藝，兼顧復(fù)雜形狀與鍛造組織的高性能。
全流程數(shù)字化與智能化制造：
建立從熔煉、鍛造到熱處理的“工藝參數(shù)-組織演變-性能結(jié)果”數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)與主動(dòng)控制，提升大規(guī)格餅坯組織性能的均勻性和批次穩(wěn)定性。
總而言之，航空航天用鈦合金餅鍛件的發(fā)展，是材料科學(xué)與極端制造工藝持續(xù)挑戰(zhàn)極限的縮影。其未來(lái)將緊密?chē)@“更高、更強(qiáng)、更輕、更智”的方向，不僅支撐現(xiàn)有航空裝備的升級(jí)，更將為未來(lái)空天探索提供不可或缺的材料基石。
