钛及钛合金具有耐蚀性好、生物相容性好、比强度、疲劳强度高等优异性能，享有“战略金属”、“太空金属”、“海洋金属”及“生物金属”等美誉。近年钛及钛合金技术被广泛应用在石油能源工业、冶金工业、船舶工业、汽车工业、航空航天及食品、医疗设备等工程中，其中发展潜力最大的领域是航天领域，可用于飞机的紧固件、发动机配件、机翼、飞机的起落架以及机载设备等部位，还可用在火箭、人造卫星、导电、坦克等高端军用设备上，进而提高设备使用性能[1]。
2017年中国有色金属加工行业协会统计，我国钛加工材企业数量130多家。2017年钛锭产能比2016年增长了8.7%，达到14.7万吨。据统计，2017年我国共生产钛加工材55404吨，同比增长了12.0%。在产品结构方面，2017年钛及钛合金板的产量同比增加了13.4%，占到当年钛材总产量的55.1%，其中钛带卷的产量占到了一半以上；棒材的产量同比下降了11.6%，约占全年钛材产量的17.8%；管材的产量同比增长了25.5%，占到全年钛材产量的15.5%；钛及钛合金复合材料经过近十年的技术攻关，很多产品得到广泛应用。钛及钛合金产量快速增长的原因：一方面是开发出了加工精密的近成形制造技术，解决了钛及钛合α态及β态加工难的问题，提高了原材料的利用率，降低了成本。如采用热等静压制备钛合金件，既可消除钛合金的内部缺陷，提高材料力学性能，还可降低材料的生产成本，这进一步促进了钛及钛合金在航空航天领域的应用[2]。采用注射成型技术制备钛及钛合金多孔复合材料，其弹性模量与人体骨骼相近，促进了钛及钛合金在生物医疗领域的应用。另外，我国民用、军用钛及钛合金的需求量不断增加。
目前，国内外把钛及钛合金材料的研究主要聚焦在生物钛合金、军用高温钛合金和高强高韧β型钛合金及钛及钛合金复合材料。
目前，国内外钛及钛合金材料的研究新进展主要体现在高温钛合金、高强高韧β型钛合金、医用钛合金、钛合金管材及钛基复合材料等方面[3]。本文总结了不同钛及钛合金产品的研制技术、应用现状、发展对策和应用前景，为钛及钛合金在各领域广泛和成熟的应用提供指导，为钛及钛合金产品的质量提供信息服务。
1、钛及钛金加工产品的研制现状
1.1铸造钛及钛合金
铸造钛及钛合金的主要特点是高强度，它的强度与变形钛合金的强度性能不分伯仲，但在塑性、冲击性和弯曲性方面，明显低于变形钛合金或近成形钛合金的性能。经过对铸造钛合金大规模的研制，建立了完整的铸造钛合金生成、销售体系；并开发了新型冶炼技术，如冷床熔炼技术，制备出了无偏析和夹杂的钛及钛合金铸锭，残钛的回收率高[4]。冷坩埚熔炼技术发展，提高了熔炼的熔化能力，消除了凝壳等问题。采用真空吸铸技术制备的钛及钛合金表面无污染，质量稳定，节省了酸洗工序，改善了生产环境。
该技术广泛用于制备高尔球杆杆头、飞机上使用的高强度铸件BT25Y等产品[5-6]。西北金属研究院开发了冷坩埚感应+离心浇注联合技术，该技术主要表现在以下几个优点：①可使用钛及钛合金锻造或轧制的边角料，节约原料。②可降低铸模与金属液的富氧含量，消除铸件表面的缺陷，保证铸件表面的平整和光滑度。③降低铸模的预热温度，降低预热成本。虽然，钛及钛合金铸件的研制取得重大突破，铸件的强度也有所提高，但高强度的钛及钛合金铸件硬度高，抗变形力高，加工需要在一定的温度下进行，导致后续加工困难；其组织存在偏析现象，性能不稳定，塑性低，耐高温、耐腐蚀、耐疲劳性低，这些都限制铸造钛及钛合金的应用领域[7]。因此未来的钛及钛合金铸件的发展方向，必须提高铸件的其他性能，使其应用范围更广。
1.2钛及钛合金管材
钛及钛合金管材由钛及钛合金铸锭经锻造、挤压、轧制、拉拔、旋压等方式制备的。挤压技术具有优质、高效、少切割等工艺特点，广泛应用在钛合金管、棒、型材及零件生产中。挤压比及挤压润滑剂的选择直接影响钛及钛合金挤压产品的质量。
刘守田等[8]研究发现，钛及钛合金的挤压比大于铝及铝合金型材的挤压比，但通常小于30，在一定范围内，挤压比越大，钛及钛合金铸锭的晶粒破碎的越小，得到的挤压材管材的晶粒越细，钛及钛合金管材的力学性能越好。因此在保证挤压工艺的条件下，挤压比越大越好。同时还发现，挤压时一定要控制金属液的流动性，流动性差会导致挤压后钛及钛合金管材表面质量差，甚至导致无法挤压出管材。
为了降低钛及钛合金铸锭在挤压过程粘模、降低钛液与模具之间的摩擦力，改善流动性，需加入润滑剂。钛及钛合金的挤压润滑剂主要分为润滑脂、包覆剂和玻璃润滑剂[9]。润滑脂使用方便，成本较低，挤压的管材表面质量好，但挤压管材的长度受限，太长管材的末端会出现粘结现象。金属包覆剂能保护钛及钛合金材料在挤压过程不被氧化，提高挤压管材的性能，但在挤压过程中易与钛及钛合金生成共晶组织，影响钛及钛合金的性能；同时该工序复杂，成本高。玻璃润滑剂的导热系数低，隔热性能好，耐压，化成成分稳定，但挤压时其粘度波动大，需几种润滑剂配合使用，工艺复杂。Damodaran等[10]利用有限元模拟建立了钛及钛合金挤压模型，发现挤压比、钛液的流动性、挤压温度及模具的设计等都与润滑剂的种类有关。该模型可有效预测各工艺参数对钛及钛合金挤压过程的影响，进而选择合适的润滑剂。
阎雪峰等[11]采用两辊轧制和多辊轧制联合方式制备出了直径从3mm到250mm的钛及钛合金管材，发现钛及钛合金管材的晶粒取向与轧制过程中减壁量和减径量的比值（Q值）有关，在轧制过程中将Q值控制在合理范围，有利于提高管材的性能。
同时，杨英丽等研究了Q值对TA12管材组织和性能的影响时发现，制备不同管径的钛及钛合金管材，其最佳Q值不一样，如准6mm×1mm的TA2管，最佳Q值为1.65。Jin等[12]研究了轧制工艺对钛合金管材微观组织的影响，发现钛及钛合金轧制后材料β态的（0002）和（1010）聚集在轧制方向，这说明轧制过程有利于钛组织结构的重组，提高管材的性能，因此合理设计轧辊孔型和变形参数。尹业宏等[13]利用有限元软件模拟了钛管材的轧制过程，可有效指导钛及钛合金的实际生产。晏小兵等[14]研究了TA15钛合金管拉拔时模具参数对管材的尺寸精度、变形量及性能的影响，发现模孔入口锥角为12°，定径带的长度为6mm时，管材的综合性能达到最优。Liu等[15]采用高压气动成形技术制备出了Ti-3Al-2.5V管材，研究发现：管材的角半径在增加阶段随时间呈线性变化，恒压时成指数变化，且该方法是将再生材料充入管道，可有效消除温差，解决了管材在性能上的各向异性。
虽然，钛及钛合金管材耐腐蚀性好、耐热性好、比强度高。但生产工艺复杂、周期长、成本高。对高性能钛及钛合金管材的研究和生产方面不足。因此未来钛及钛合金管材的研制要向高性能、低成本等方向发展，利用有限元软件对工艺进行模拟，建立材料性能与工艺参数的数据库，为开发高性能的钛及钛合金管材提供理论基础及数据支撑。
1.3钛及钛合金复合材料
钛及钛合金复合材料主要是通过粉末冶金的方式制备得到的，该方法可实现产品少/无切割、缩短加工流程、降低生产能耗，在保证钛及钛合金高性能的情况下，降低制备成本。Hu等[16]和贺毅强等[17]利用TC4合金粉末经注射成形技术制备出高精度、高性能且形状复杂的零件，如体积较小的手表零部件、高尔夫球杆头、飞机发动机零件等，目前钛合金金属注射成形制品在市场呈现明显的增长趋势。Firat等[18]采用金属注射成形技术制备了相对密度达到97.6%，杨氏模量为54GPa的Ti-24Nb-4Zr-8Sn合金零部件。蔡一湘等[19]采用注射成形金属，将TiC0.7N0.3粉末作为颗粒增强体与T5钛合金基体粉末混合，制备了颗粒增强钛基复合材料，其相对密度大于95%，抗拉强度达到1150MPa,烧结态的硬度达45HRC。超过了熔铸生产的钛合金强度。Zhao等[20]采用金属注射成形技术制备了Ti-Mo合金圆柱体作为吸气剂，该吸附及具有高的孔隙率和比表面积。罗铁钢等[21]和孔祥吉等[22]研究了一种适应微电子产品市场的微注射成形技术，该技术可制备高性价比的微米级原器件。欧美等工业发达国家采用HIP（热等静压）技术制备了高性能的Ti-6Al-4V整体叶轮、大尺寸钛合金机匣等。Belov等[23]研究发现：HIP温度对γ-TiAl合金相组成及相分布有直接关系，在950～1050℃时有利于生成γ态TiAl合金。徐磊等[24]研究发现：在940℃、150MPa下热等静压成形Ti-5Al-2.5Sn合金粉末，Ti-5Al-2.5Sn合金晶粒细小均匀，无气孔缺陷，达到了完全致密，该合金的性能达到最佳状态。Luo等[25]采用温压成形技术制备出了Ti-10V-3Fe-3Al合金，研究了温压成形的特点。结果表明：温压成形能提高钛合金生坯密度和烧结密度，进而提高钛合金材料的性能。何世文等[26]研究了Ti-6.8Mo-4.5Al-1.5Fe合金粉末的温压成形行为。结果发现，合金粉末生坯密度在140℃时达到最大值，相对室温成形，温压成形的脱模力降低27.7%，同时改善了钛合金件的微观组织。周鸿强等[27]研究了钛合金粉末的内润滑温压成形行为。结果表明，内润滑温压成形有利于细化钛合金的显微组织，降低气孔缺陷，提高钛合金零件的致密度。
美国坩埚公司利用CO2激光快速成形制备了尺寸200mm×150mm×32mm的γ-TiAl合金板材。美国Aeromet公司利用激光快速成形技术制造了Ti-6Al-4V钛合金关键大型承力结构，并用于战机上。来佑彬等[28]研究发现激光功率、扫描速度与钛合金残余应力有直接关系，功率越大，残余应力越大；扫描速度高，残余应力降低。因此，选择合适的激光功率及扫描速度，可得到较低残余应力的钛合金材料。
Zhang等[29]研究发现，激光成形后的Ti-6Al-4V合金经热处理后，其组织更细小均匀，综合性能更好。黄瑜等[30]研究发现，激光成形的TC11合金主要由粗大柱状晶和等轴晶组成，避免了合金材料的各向异性。张小红等[31]研究发现，TA15合金经不同热处理，其拉伸性能及硬度不同，沉积态、退火态、固溶时效态及双固溶态的强度和硬度依次降低。目前钛及钛合金复合材料制备成形技术取得了一定的进展，并有部分产品得到应用，但其与大规模的产业化还存在一定差距，未来的研究应主要从以下方面进行：①加强对粉末粘接剂、润滑剂的研究。②开发复合成形技术，如注射成形+HIP、激光技术+模具成形技术等。进而开发出满足现代社会所需的高质量、高精度的钛及钛合金复合材料。③利用计算机技术、增材技术等新科技开发更为先进的粉末成形技术。
1.4高温钛合金
根据强化方式及相变，国外将高温钛合金划分为三个阶段：①合金以α相和β相强化为主，其使用温度从350℃提高到480℃。②合金以无序固化为主，加入Si元素，相由α、β相和微量硅化物组成，硅化物以α片层形式存在于相界面，标志性的合金为Ti6242,其使用温度从480℃提高到540℃。③这一阶段主要以Ti3X作为强化相，相由α、β、硅化物和α2相组成，其弥散相以纳米级尺寸与基体共格存在，提高了钛合金的高温性能，标志性合金为IMI834，其使用温度从540℃提高到600℃。虽然600℃以上的高温钛合金开发非常困难，但相关研究工作并未停止[32]。日本神户制钢公司在IMI834钛合金基础上，添加1%Ta，改变了合金β相转变温度，提高了钛合金的高温持久、蠕变强度和抗氧化性，使合金达到在650℃使用的要求，应用在汽车发动机阀上。GE公司通过在钛合金粉末中加入Al、Sn、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、Si和RE等9种合金化元素，制备了一种新型650℃环境下使用的钛合金。该合金为全片层组织，有利于提高材料高温力学性能、蠕变性和氧化性。Giglioti等[32]开发出了Ti-Al-Sn-Zr-Nb-Mo-Er-Si合金体系，该钛合金体系在650℃下抗拉强度和蠕变性能均有明显改善，但塑性低，热稳定性偏差。
我国的高温钛合金的研制起步晚，大致可分为三个发展阶段：①早期以仿制为主，使用温度在520℃以下，主要的合金牌号为TC4、TC17、TC6、TA11等，对建立早期高温钛合金材料体系具有重要意义。②自主研制，以近α相为主，合金的使用温度520～550℃。中科院金属所、宝钛集团及北京航空材料研究院[33]开发了Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si-Nd体系，该钛合金体系为近α型高温钛合金，并在航空航天领域得到应用。西北有色研究院在国外IMI892的基础上开发研制了Ti633G和Ti53311S两种耐550℃高温钛合金，其静强度高于国外IMI892合金，已在卫星姿态控制发动机喷注器及神舟飞船上应用。③以α、β、硅化物和α2相为主的高温钛合金，其使用温度为550～650℃。西北研究院研制了600℃的Ti600合金，该合金通过加入稀土细化β相晶粒，提高了材料的高温使用性能。北京航空材料研究所通过加入元素Ta，使钛合金中弱β相得到了稳定，使钛合金的使用温度提高到了600℃。西北研究院采用TiC作为增强颗粒来强化钛合金，虽然其抗拉强度大于1250MPa，满足了650℃下的强度要求，但其在650℃下蠕变性和氧化性差，不能满足使用要求[34]。虽然，目前高温钛合金的研制取得了一定成果，并在军工方面得到了广泛应用，但我国高温钛合金材料与外国发达国家还存在一定的差距，航空发动机使用的高温钛材还依赖进口。未来我国高温钛合金材料的研究主要从以下方面进行：①研究α、β、硅化物和α2相大小、形态及含量占比来提高高温钛合金组织稳定性。②开发出联合的加工技术，控制片状α构成、等轴α结构及β转变基体组成的三态组织，在不降低塑性、确保热稳定性的前提下提高材料的高温性能和使用温度。③建立时效温度、时效时间等热处理条件下各相的尺寸、分布、形态及含量变化的有限元模型，确定高温钛合金中平衡热强性和热稳定性的α2相尺寸、含量的临界转变值。
2、钛及钛合金主要应用领域
由钛及钛合金研制情况看，开发新的合金成分，解决钛合金材料制备过程中存在的技术和工艺问题，拓展新的应用领域具有重要意义。钛及钛合金除了在传统的航空航天和海洋工程领域有应用，其在汽车、医疗器械、体育等民用领域的应用也越来越广泛。
2.1钛及钛合金在军事工业上的应用
钛及钛合金最早用于军工，已成为无可替代的战略金属，应用在航空航天、核能、军舰、战车等领域。据统计美国的F-22新型战斗机，钛的用量高达45%。主要用于发动机的叶轮盘、叶片、机匣、燃烧室筒体和尾喷管等。美国的隐形战略轰炸机的发动机及壳体用了近90t钛合金，主要部位为发动机风扇壳体，材料为Ti-6Al-4V合金，低压和高压压缩机前端的圆盘、动翼、静翼等均使用钛材[35-36]。舰艇上的各种传声器、声呐导流罩、电话零件、水声换能等零部件都是使用钛及钛合金制造的。舰船上的耐压壳体、螺旋浆及浆轴、通海管路、阀及其附件、发动机零件、声学装置等[37]部位也是使用钛及钛合金制造的。钛及钛合金在军事工业上的使用量反映国家武器装备的现代化程度，是体现军事水平和军事实力的重要标志[38-39]。
2.2钛合金在生物医疗上的应用
钛及钛合金具有密度小、抗腐蚀性好与人体血液和细胞组织相容性好，无毒副作用与人体的自然骨的各方面性能非常接近等优点，被誉为生物医用的理想材料。Ti-6Al-4V钛合金广泛用于临床，制作髋关节、膝关节等外科修复及替换材料。瑞士Sulzer医疗技术公司制造了Ti-6Al-7Nb髋关节柄，并投放市场。Ti-Nb系、Ti-Mo系、Ti-Zr系、Ti-Nb-Hf系等被列为医用β型合金，广泛用于牙科。Ti-13Nb-13Zr合金被正式列为国际标准的β型医用钛合金，Ti-Zr-Sn-Mo-Nb合金应用在心血管支架上，钛及钛
合金还用于制造弹性接骨板、脊柱动态非融合固定器等多种产品。
近年来，钛及钛合金经表面改性后，在生物医用上展现出了更诱人的前景。Zhao等[40]通过表面改性，在Ti-6Al-4V合金表面注入C和N，提高了合金的表面腐蚀性、粗糙度和生物相容性，经手术研究发现，TiC和TiN层均可以诱导骨形成、减少骨吸收。
同时显著减少了关节臼的磨损，是良好的髋关节柄的构件。Kawanabe等[41]、Landor等[42]采用等离子喷涂在钛合金髋关节上喷涂了一层HA涂层，将钛合金髋关节临床植入人体跟踪发现，HA涂层促进了假体与周围骨组织良好结合作用，促进了人体骨骼的恢复。Kumar等[43]、Ning等[44]分别制备研究了HA/Ti复合材料的生物活性及细胞相容性，研究发现将钛合金植入6个月后可观察到周围有大量的新骨形成。Akmal[45]和Zhang[46]分别制备了NiTi/HA复合材料，发现HA涂层对NiTi合金的硬度、导热率及生物活性等有影响。
近年钛及钛合金在生物医学中的应用呈上升趋势，尤其在牙科、骨科和整形外科中钛及钛合金材料的使用量明显增加，β类钛合金、钛合金复合材料、多孔材料等新型钛合金材料表现出的性能更诱人，有望取代常用的Ti-6Al-4VELI合金。
2.3钛及钛合金在汽车领域的应用
今年来汽车轻量化、排气及使用寿命的要求不断提高，钛及钛合金材料在汽车制造业倍受青睐。Ti-6Al-4V合金用于制造赛车和样车发动机的进气阀，Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si合金用于制造高端汽车发动机的进气阀和排气阀，不仅减小质量、使用寿命长，而且可靠性高，节省了燃料。德国大众汽车公司在汽车上使用了钛合金悬簧使LupoFSI汽车的总质量减小了81.6kg。雪佛来汽车使用钛代替不锈钢制造发动机的排气系统部件，不但质量减小，而且也性能提高了。日本丰田公式采用Ti-6Al-4V/TiB钛合金复合材料制备发动机的进气、排气阀及弹簧，使车的质量和使用寿命明显提高[47-48]。有人预测，一旦钛在汽车工业中得到广泛应用，那么钛材的用量将超过目前钛及钛合金在军工行业的用量。
3、钛及钛合金加工产品质量现状及存在的问题
目前，我国钛及钛合金加工产品的质量水平有了非常大的提高，绝大多数产品（如海绵钛、钛锭、钛的板等都采标欧标、等同于ISO或美标）都处于世界领先水平，其他类钛及钛合金加工产品（带、箔），我国也自行制定了标准，有些标准比国际标准稍微落后一些。总体看来，我国钛及钛合金产品水平处在世界前列水平，但我国能生产钛及钛合金棒的企业很多，钛棒出口量也不少，但质量参差不齐。除了宝钛集团的钛棒进入波音、空客的高端市场和西北有色金属研究院的医用钛材进入医用市场外，其余大多是中低档产品。直径在350mm及其以下的锻棒，产品质量基本稳定；而350mm以上的锻棒，组织性能的均匀性和批次质量的稳定性还较差，还处于试验攻关阶段，与国外的水平还有较大的差距。目前国外已能提供500mm、3t多的锻件。随着我国大型客机、大型运输机等重大专项的上马，要求锻棒最大尺寸达到500mm，甚至到600mm。这么大尺寸的锻件，要保证组织和性能的均匀性以及批次质量的稳定性，对钛加工企业来说，将是巨大的挑战。
2017年国家质检总局对钛及钛合金加工产品抽查了91家企业的102批次产品。经过检验，有86家企业的97批次产品合格，5家企业的5批次产品不合格。经统计，本次抽查企业合格率为94.5%，产品合格率为95.1%，强制标准评定合格率为100%，推荐性标准评定符合率为95.05%，抽查产品销售额合格率为98.7%。抽查结果基本反映出钛及钛合金加工产品行业目前实际情况，大型企业产品质量稳定，产品合格率均为100%，中型和微型企业产品质量较为不稳定，其中中型企业产品合格率为88.89%，微型企业产品合格率为86.36%为最低，小型企业产品合格率为98.53%。
钛及钛合金加工产品在我国已经有几十年的生产历史，产品加工工艺已经趋于稳定，大型企业拥有一定的品牌和市场优势，可在保证一定利润的基础上合理控制产品质量和有效管理生产。小微企业由于规模小、技术力量薄弱、大多数企业品牌影响力弱甚至差，只能依靠低价产品冲击市场，为了经济利益就会盲目降低成本，生产工艺不合理或者未严格按照生产工艺执行、监督管理不到位，对产品标准以及相关标准不熟悉、未能及时更新标准和对新标准的要求根本不知晓，质量检验控制不严格或者根本不进行产品质量检验。从数据中还可看出，中型企业合格率有点偏低，说明了中型企业质量不稳定，还要加强生产工艺和质量管控。
4、钛及钛合金的发展趋势
当前，我国钛及钛合金加工产品产业应用前景发展趋势应朝以下几个方向努力：
（1）对于铸造钛及钛合金应提高其性能的稳定性，消除偏析现象；研制新型联合的钛合金铸造技术以开发出高强度钛合金铸件，使其应用范围更广泛。
（2）对于钛及钛合金管材的研制要向高性能、低成本等方向发展，利用有限元软件对工艺进行模拟，建立材料性能与工艺参数的数据库，为开发高性能的钛及钛合金管材提供理论基础及数据支撑。
（3）对于钛及钛合金复合材料应加强对粉末粘接剂、润滑剂的研究；开发复合成形技术，如注射成形+HIP、激光技术+模具成形技术等。进而开发出满足现代社会所需的高质量、高精度的钛及钛合金复合材料；同时利用计算机技术、增材技术等新科技开发更为先进的粉末成形技术，从而制备高质量、高性能的钛及钛合金复合材料。
（4）对于高温钛合金材料应加强对α、β、硅化物和α2相大小、形态及含量占比研究，以提高高温钛合金组织稳定性，建立时效温度、时效时间等热处理条件下各相的尺寸、分布、形态及含量变化的有限元模型，确定高温钛合金中平衡热强性和热稳定性的α2相尺寸、含量的临界转变值，为开发高性能的高温钛合金材料提高理论支持。
（5）对钛及钛合金加工产业也要区别对待。要鼓励国有骨干企业实行技术改造，着重解决国家大型工程所需的大规格、高性能钛材的规模化生产问题，又要鼓励有一定实力的中小企业开发多样化的钛产品，促进钛的应用推广，以满足国民经济各部门和日用生活领域对钛材或钛深加工产品的需求。建议设立“钛新技术与新产品开发专项基金”，以鼓励
钛加工技术创新和扩大钛市场。同时，鉴于中小钛加工企业对活跃市场、促进钛的应用起着重要作用，建议国家设立“中小钛加工业企业专项发展基金”，重点支持中小加工企业做精、做专、做强，提升行业整体水平。
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