2016年世界新材料技术发展盘点（三）

高性能结构材料之钛合金

2016年钛合金的发展主要特点集中在以下几方面。一是随着航空、海洋工程、石化、医疗等产业的发展，全球钛市场需求有所增长，主要国家都在提高量产规模，开发新型的材料品种。二是大力开发先进制造技术，如在3D打印基础上现朝着更先进的4D和5D打印发展。4D打印可以通过软件设定模型和时间，让产品在设定的时间内变形为所需的形状。5D打印可以复制打印出人体的任何器官。2016年全球钛合金材料技术取得重要进展有：

1. 实现对3D打印钛合金缺陷的高精度定量表征

钛合金是增材制造收益最为显著的金属材料，多数研究集中于用途最广的Ti-6Al-4V合金。但是，3D打印件表面粗糙，对其内部缺陷也缺乏量化表征，这些问题阻碍了该项技术的发展和应用。2016年5月美国卡耐基梅隆大学的研究人员利用阿贡国家实验室的高强度同步辐射X射线和微断层摄影的快速成像工具，对3D打印的钛合金内部孔洞缺陷首次实现了分辩率达1.5微米的高精度表征。他们发现气体会被困在液态的金属层中，从而在3D打印金属内部生成诸多泡沫孔隙。调整打印参数可减少孔隙率，只有采用成本更高的热等静压方法才能完全消除这些孔隙。澳大利亚RMIT大学科研人员定量研究了表面粗糙度对3D打印钛合金件性能的影响并提出了一种化学腐刻改进表面光洁度的方法。他们发现，粗糙的表面导致打印件塑性减半，强度下降15%。采用化学腐刻将粗糙度由39微米降至11微米，可以获得与加工表面媲美的力学性能。

2. 热等静压粉末冶金Ti-6Al-4V合金的疲劳性能超越变形合金

3D打印所用金属粉末对粉末尺寸要求严格，而目前主流工艺制备的粉末尺寸分布较宽，致使3D打印对粉末的利用率低，材料成本高。粉末冶金则可以有效利用这些3D打印淘汰的粉末，从而大幅度提高金属粉末利用率。2016年3月美国犹他大学研究人员发现，采用烧结方法制备的Ti-6Al-4V粉末冶金材料疲劳性能很差，其原因是存在内部孔洞。当采用热等静压方法使孔洞闭合以后，材料的疲劳强度显著提高，甚至超过Ti-6Al-4V变形合金。 2016年中国科学院金属研究所自主开发了钛合金粉末冶金近净成形技术并用于研制新型液氢液氧发动机的氢泵叶轮，随着11月3日长征5号火箭成功发射，实现了我国粉末冶金钛合金结构件在航空航天发动机转动件上的首次应用。

3. 发现航空发动机骨干钛合金的裂纹闭合效应

Ti-6242合金(Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo)广泛应用于航空发动机压气机转子，与另一种钛合金Ti-6246相比，Ti-6242合金的损伤容限性能更为优异，但原因不明。2016年2月中国科学院金属研究所、宝钢集团研究院和英国罗尔斯∙罗伊斯公司的科研人员联合开展了针对这一问题的研究。他们发现：对于粗大显微组织，在低应力比的疲劳裂纹扩展曲线的Paris体系早期阶段，Ti-6246合金表现正常，而Ti-6242合金呈现一个明显转折点，其原因是长裂纹解理扩展造成的粗糙诱导裂纹闭合效应。该项研究深化了对航空发动机骨干钛合金疲劳行为的认识，为预测评估发动机结构件服役寿命奠定了更为坚实的基础。2016年5月该项研究被“工程进展”网站(advanceseng.com)作为科研亮点报道。

4. 新型高强度高韧性可焊接钛合金研制成功

2016年美、法、日和我国“蛟龙号”等7000米级别的深潜器载人球舱均采用Ti-6Al-4V钛合金制造，但Ti-6Al-4V合金的强度无法满足建造万米级潜水器载人球舱的技术要求。在中国科学院战略性先导科技专项支持下，中国科学院金属研究所研制成功一种新型高强度高韧性可焊接钛合金，在保持韧性与焊接性能和Ti-6Al-4V相当的前提下实现强度提升超过20%，采用该合金制备的全海深潜水器球舱缩比件于2016年10月通过压力试验。12月9日中央电视台在“领航十三五：大国重器—带领中国创新前进”专题节目中报道了此项进展，指出：“踩在4500米球舱的肩膀上，中国自主研发的万米级潜水器也有重大突破，缩小比例的球舱，已经通过超万米压力测试。中国在钛合金材料、成型等关键技术上跃升全球巅峰。”

(撰稿人: 杨锐)