钛与钛合金被称为“未来金属”“第三种金属”“海洋金属”等等。钛合金发展以来受到多国高度重视。自进入 21 世纪，我国航空航天科技事业发展空前，这样的成就离不开高能研究团体和先进系统的支持，而这些都是基础性但又不可或缺的金属材料所促成的。其中，钛作为一种轻质金属，被广泛应用于制造飞机、轮船和工业生产中。近几年，钛合金被广泛应用于飞机发动机、加固部位、燃烧室、喷口以及涡轮盘等关键零部件。钛及钛合金被赞誉为现代的“新式金属”。虽然钛合金作为一种具有发展意义的金属材料已广泛应用于航空航天等领域的制造，但是由于提取和加工成本较高，钛合金依旧不能满足我国建设需求。
1、 钛合金定义
钛是一种化学元素，外观为银灰色。由于其自身分散、提取困难，成为自然界中的稀有金属元素。主要分布于地壳和特定岩石圈层中。目前提取钛元素的方法主要有克罗尔法和亨特法。钛合金的结构原理 ：钛合金主要以钛为基础性元素，混合其他元素形成合金。
钛包含两种同质异金属，分别为 882℃以下的密排六方 ɑ 钛和882℃以上的体心立方 β 钛。钛合金依据它们对不同温度的影响可分为以下三类 ：
第一类是稳定 α 相，稳定元素有铝、锰，水合物等。第二类是稳定 β 相，降低相互转变温度，稳定元素有钼、钒（同晶型）和铜、铁、硅等（共析型）。第三类是对相变温度影响不大的中性元素，如锡、锆等。
2、 钛合金超塑性发展现状
我国展开钛合金超塑性成形工艺研究已经有 20 多年的历史，超塑性的钛材已经被划入到了重点的扶持新材料的品种行列之中。我国先后研究出了多种超塑性钛合金被批量应用到飞机和发动机之中。现阶段，我们国家在发展飞机超塑性钛合金结构的综合性能方面达到了世界的先进水平。但是，在综合化的稳定成熟使用推广层面，依旧存在着一个较为漫长的过程。例如，在大规模性的超塑性零件批量化制造、核考验证、应用以及配套的设施和使用，都是需要加大提升成熟力度的。另外，在高端的超塑性钛合金领域，我们国家在超塑性钛合金的材料回收再利用方面以及利用率和低成本的提升方面依旧落后于美国等发达的国家。因此，需要对钛合金超塑工艺技术进行探索和长远规划。
3、 钛合金超塑性
3.1 钛合金超塑性研发背景
钛合金的超塑性技术主要是利用其在超塑性状态下的良好形变能力而衍生出来的一种新型加工工艺。当前，在航天航空、船艇、导弹以及汽修等制造业上使用的都是钛合金的金属材料。钛合金拥有着强度大、比重轻、耐腐蚀性优等特性。但是，它的弹性模量非常低，使用传统的形变手段是很难制造出形状各异且符合现代化多种多样生产需求的零部件。在此基础之下，为了解决这一大难题，相关专家经过多年的研发制造出了超塑性钛合金金属。稳固 α 相、提升相互变换温度的元素为 α 稳定的元素，例如有铝、氧气、氮气以及碳等等。在钛合金之中，主要的混合金属元素为铝。这种金属元素对于钛合金的温度、强度以及弹性方面都是有着提升作用的。
3.2 钛合金超塑性概念
钛合金超塑性意为在材料的内外部条件的基础之下，呈现出一种反常规、较低的流变抗力、反常规的高流变性能的现象。
依据钛合金金属材料自身的结构性和形变条件，钛合金超塑性可以被划分为三大类。其中一类是微晶超塑性合金，这种超合金形成超塑性的前提条件为 ：其形变的温度要高（其熔点大致为绝对温度的 0.4 ～ 0.7 倍之间）；形变的速度要低，材料的晶体结构应该为细微的晶粒。第二类为相变超塑性合金，又称转变超塑性（变态超塑性），这一类的超塑性，与前一类不同，它不要求材料中需要有细微的晶粒，它需要的是在一定的恒温负荷条件之下，通过多次循环性的相变来获得较大的扩展。第三类的超塑性（其他超塑性）：在应力退火的阶段中，在应力的作用之下得到的超塑性。钛合金拥有较大的活跃性和延伸能力，所以自身拥有超高的塑性、较低的流动应力。
3.3 钛合金超塑性成形的特点
根据钛合金超塑性在宏观方面变形的特点，它具有大变形、易成形、无缩颈、少应力等特点。
3.3.1 大变形
超塑性材料在单方面的拉伸环节中 δ 值非常高。据现有实验数据可知，其最高可高达 5000%。从侧面证明了钛合金超塑性在变形稳定方面比普通钛合金材料更强。钛合金超塑性使得钛合金材料的成形性能加强，让制造复杂的钛合金金属零件成为可能。现在一些家用电器制造件中使用钛合金超塑性成形的零部件。除此之外，在人造卫星上的燃料箱制造中，也广泛应用钛合金超塑性金属。
3.3.2 易成形
钛合金超塑性在形变的过程中出现应变硬化的几率非常小。
因此，可进行轻松的压力加工。钛合金超塑性金属的填充和流动性优化，可在多种形式下进行各种类型的零部件加工，使产品质量有保障。
3.3.3 无缩颈
普通的钛合金金属在拉伸形变的过程中，产生初期的缩颈后，由于应力的集中导致缩颈进一步发展，出现提早断裂的现象。失败的样品会遗留下非常明显的宏观缩颈。而钛合金超塑性材料的形变等同于黏性物质流动的特性。虽然没有或很少有应力硬化效应，但形变速率极其敏感。形变速率加大时，金属材料的硬化效应会增强。因此，钛合金超塑性金属材料在形变的最初阶段会出现缩颈。在缩颈位置形变速度改变时，对局部位置进行强化。剩余未被强化的部分将继续进行形变。在此基础上，缩颈得以传播，从而获得形变均匀的结果。
3.3.4 少应力
钛合金超塑性金属材料在形变过程中，其形变抵抗力很小，具有良好的粘性和半黏性特性。在一般情况下，流动应力代表形变抵抗力的大小。在最佳形变条件下，流动应力 ɑ 可以比特定形变缩小至几分之一，甚至十分之一。这将使材料成本降低，达到最优化的局面。
4、 钛合金超塑性工艺分类
依据钛合金超塑性的概念化文字中可以知晓，钛合金金属在超塑性变形的情形之下，不同的温度、速率以及应力效果对于金属变形都是有着本质的变化，参考当前存在的各国学者研究出来的可靠结论，依照实现钛合金超塑性工艺的成功因素和条件，现阶段可以将钛合金的超塑性划分为以下几个大类。
4.1 组合超塑性
组合超塑性即恒温（结构）性钛合金超塑性，这种类型的超塑性也是现今我国对其研究最深最多最广的一类。制作上，钛合金的超塑性工艺也多指这一种，这种钛合金超塑性工艺展开制作的 ɑ 还要保证这种晶粒要热稳定性能优，在高温下具备恒定的展示状态 ；其次，该超塑性的工艺要把控金属变形的温度，该变形的温度要在 0.5Tm 以上（Tm 是熔点的绝对性温度），并且还要恒定控制金属在变形过程时的温度 ；最后，应变速率应该依照情况相对降低，常规下，以普通性的钛合金属为例，在拉伸的实验环节中，应变的速率至少得降一个数量级。
4.2 相变超塑性
相变超塑性又称变温超塑性和动态超塑性，这一类的钛合金超塑性工艺对于细微晶粒材料的要求较为宽松，这种工艺关注在特定的温度以及负荷条件下，通过多次的循环相变与同素异形转变后得出来的延伸率数据，在此基础上，进行开展的核心条件应具备固态相变的特点，在外载荷体的作用条件下，能够在相变的温度中进行上下的循环加热与冷却工作，这样就可以实现钛合金金属组织内部结构的变化，使得钛合金金属在剧烈的运动中实现自身的超塑性。在工艺的进行中可能影响的因素有应变的速度、加热温度的最高点和热幅度循环速度以及温度的循环次数等等，另外由于相变超塑性是在相变的温度基础上进行升降温的实验，所以温度、速率以及次数都是影响该工艺精确度的重要性因素。
4.3 其它超塑性
其它超塑性是一种以普通钛合金金属作为基础，在特定条件下能迅速实现超塑性变形的工艺。例如，在热轧碳钢铁棒迅速加热环节中能够延伸到 α+β 的这两个相区，保温区间维持在5s ～ 10s 之间，在拉伸的环节中，其延伸率可达 100% ～ 300%。
以上情形被称之为短暂超塑性，能在结晶和组织转变等不太稳定的情形下，产生等轴微小晶粒体，且在短暂时间内，通过足够外力加持，形成钛合金超塑性变形。
5、 钛合金超塑性现实应用
5.1 TC4 超塑性钛合金
钛合金具有良好的超塑性，其中 TC4（Ti-6Al-4V）钛合金的超塑性能是市场认为发展前景最好的合金金属。这种钛合金的超塑性工艺在研发和应用层面已经迅速发展，收到了较好的经济效益。TC4 和其他钛合金相比，具有最佳的超塑性能和较成熟的应用方面。此外，TC4 钛合金还具有适宜的适应强度，在中高温度范围内具有良好的蠕变抗力，热能的定量化和较强的抗疲劳性，并符合市场的化学腐蚀性能要求。特别是适用于制造温度范围较宽的金属零部件，特别是设计为金属部件的损伤容限规则。
5.2 TC4ELI 超塑性钛合金
TC4ELI 钛合金是 TC4 钛合金的改良版型，它们之间的不同主要是之间存在着不同的 Al、Fe、O、H 等元素的含量。TC4ELI钛合金具有相容性强、弹性模量小、密度小、抗腐蚀性能优越、环保无毒、屈服强度高、抗疲劳、塑性较强、易形变等特点，这种钛合金是医用外科植入的理想型金属材料。医用的 TC4ELI 钛合金主要使用于颅骨的修复、接骨等层面。医用的设备制造在人体内因为外伤、肿瘤等造成的涉及到骨头、关节等部位的损伤时，通过使用钛或者是钛合金制作的人工性关节、接骨板以及螺丝等一些细小的零部件以及其它的一些方面，例如，踝关节、膝关节、肘关节、指尖关节、人工心脏以及钛网层面等等都被应用了 TC4ELI 钛合金。
5.3 SP700 超塑性钛合金
SP700 是一种新型的以 β 相为主的 α+β 类型的超塑性钛合金金属，它主要是在 Ti-6Al-4V 的钛合金成分的基点下增添了能够让 β 稳定性的化学元素锰和铁，以此来降低 β 相互转变的温度热量，SP700 钛合金中 β 的转换温度为 1173K，比 Ti-6Al-4V 钛合金的温度减少了将近 100K，其中它的超塑性温度也随之降低，很好的完善了钛合金冷与热之间存在的加工性能，提升了钛合金的超塑性能、可淬性能以及抗劳性等层面。基于 SP700 钛合金自身具有的优质机械特性、超塑性能，所以此钛合金成为了外国航空航天制造业中十分受欢迎的锻造材料之一，并且以 SP700 钛合金制造出来的钛合金薄板应用甚广，它还可以通过超塑成形与扩散连接相结合技术来制造生产出飞机的机舱门、隔板、导风管、壳体以及其它类型的复杂性零部件，在整体的制造方面很好的减少了连接部件的数量，达到了制造过程中整体化构建设计的需求，增强了部件结构的抗劳性与可靠性，减重效果也是卓有成效。近几年，SP700 钛合金的市场也扩展到了运输设备领域内，占据着一定的市场份额。
6 、钛合金超塑性应用的现实意义
6.1 有利于零部件的特殊化形成
钛合金金属材料在超塑性的制造过程中易于流动，且填充性优良，使得原来难以填充的区域在超塑性工艺的加持下得以解决，填满的难度瞬间拉满，在免除切削工艺基础上，有利于杜绝浪费，加工费用得以节约。
6.2 有利于动力的节省
该钛合金超塑性金属自身拥有着超强的塑造性和较低的强硬度。即强硬度数值恒定情况下可以维持在 0.7 千克力 /mm2，所以后期能够在一般性质的金属材料加工和一定数量级的载荷下的过程中进行超塑性的流动工作，此过程中它的动力性将被大大的节省，从而达到最优值。
6.3 有利于加工工序的减化
普通的形变加工方法是需要通过多种的工序步骤才可以制作出金属零部件，但是钛合金采用超塑性工艺进行零部件的多类型成形则只需要一种工序即可完成，在加工的过程中也不需要多余的切削工艺介入，所以有利于制作公费的节省和预防材料的浪费。
7 、钛合金超塑性研究的意义
钛合金自身在现阶段是众多国家发展所不可或缺的轻质结构性金属材料。凭借优良的特性，钛合金在航空航天、船舶制造以及气化工业中都占据了一定的市场地位。钛合金的超塑性成形具有形变压力低、可变性大以及精确度高等众多优点。研究钛合金超塑性工艺不仅可以扩展此工艺的知识面，而且可以为攻克钛合金超塑性加工过程中的难点提供解决思路和依据，当前钛合金的超塑性工艺应用已扩展到航空航天和气工业，并挖掘其在其他领域的应用是不可避免的发展趋势。此外，对其他金属进行超塑性研究，可以提供制造思路和依据，这对制造业以及国家的发展都具有强大的可持续发展意义。这对客观上加强我国国防也有利，即在经济发展和国家安全上都具有较强的可持续发展前景。
8 、结语
综上所述，伴随着时代的发展和科技的进步，钛合金材料通过它自身的优越性让世界各国都看到了它的应用价值。钛合金的超塑性工艺延伸了它的被利用的价值，是钛合金进行可持续发展的重要工艺技术。尽管，当前我国在钛合金的研发阶段依旧存在着诸多的难题，但我国丰富的钛资源将会为钛的发展作出重要的贡献。钛合金终究会在我国开辟出美好的前景。
（作者单位 ：1. 沈阳飞机工业（集团）有限公司 ；2. 空军装备部驻沈阳地区第一军事代表室）
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