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日前，位于上海交通大學(xué)包頭新材料產(chǎn)業(yè)園內(nèi)的包頭嘉泰金屬科技有限公司（以下簡稱嘉泰金屬）已通過自主研制設(shè)備，成功研制出國內(nèi)唯一的直徑0.05mm鈦合金超細(xì)絲材。

“依托上海交通大學(xué)金屬基復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的原位自生稀土氧化物顆粒強(qiáng)化鈦合金技術(shù)和等溫鍛造、精密鑄造等方面的技術(shù)，我們已制備出直徑達(dá)580㎜、重量1.5t的國際最大尺寸鈦基復(fù)合材料鑄錠。”嘉泰金屬技術(shù)負(fù)責(zé)人仝泊濤說道。目前，嘉泰金屬針對航天、航空、核電、醫(yī)療器械、船舶等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芟∮薪饘?、特鋼、金屬基?fù)合材料等方面的迫切需求開展產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。公司現(xiàn)設(shè)計(jì)產(chǎn)能為500噸，已有特種熔煉、等溫鍛造、精密鑄造、超細(xì)絲材加工4條生產(chǎn)線或外協(xié)生產(chǎn)線。

金屬鈦——國家間角力的新戰(zhàn)場

眾所周知，鈦及鈦合金具有密度小、強(qiáng)度高、耐腐蝕、高低溫特性好等諸多優(yōu)良特性，并具有形狀記憶、超導(dǎo)、儲(chǔ)氫、生物相容性等獨(dú)特功能，小到眼鏡框、血管支架，大到航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，都有鈦的身影。

據(jù)上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師呂維潔介紹，鈦被譽(yù)為“宇宙金屬”“航空金屬”和“空間金屬”，還被稱為繼鐵和鋁之后的“第三金屬”，是工程技術(shù)及高科技領(lǐng)域中的關(guān)鍵支撐材料和極為重要的國防戰(zhàn)略金屬材料。當(dāng)前，鈦材用量和鈦工業(yè)發(fā)展水平已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家綜合國力和發(fā)達(dá)程度的重要標(biāo)志。

“放眼全球，美國鈦制品約80%都用于航空領(lǐng)域；歐洲正計(jì)劃投資全球新建發(fā)電站的開發(fā)，其中，亞洲和太平洋工區(qū)占主要份額；在英國，鈦材在民用工業(yè)中的應(yīng)用約占40%-45%；日本也正在海洋溫差發(fā)電、潮汐發(fā)電等設(shè)備尋求鈦的應(yīng)用；海水淡化技術(shù)在日本和阿拉伯地區(qū)也已得到充分發(fā)展。”仝泊濤說道。

仝泊濤坦言，全球鈦生產(chǎn)企業(yè)都在努力挖掘金屬鈦的新應(yīng)用領(lǐng)域。這些新領(lǐng)域用鈦量已占到世界鈦材總量的10%。而中國鈦材產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域和消費(fèi)結(jié)構(gòu)與美國、歐洲、日本、俄羅斯等鈦工業(yè)強(qiáng)國均不同，中國在航空航天、海洋工程、核電、醫(yī)療等重要戰(zhàn)略領(lǐng)域用量很少，與發(fā)達(dá)國家相差甚遠(yuǎn)，存在不小的差距。

近年來，隨著中國化工和海水淡化等領(lǐng)域?qū)︹伈挠昧康募眲≡黾?，以及中國的大飛機(jī)計(jì)劃、嫦娥登月計(jì)劃、航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)計(jì)劃、核電建設(shè)計(jì)劃以及海洋工程等重大工程都對高品質(zhì)鈦材產(chǎn)生了巨大的需求，這些項(xiàng)目急需大型鈦及鈦合金型材、管材（件）、鍛件、板帶材，以及鈦合金近凈成形件、新型鈦合金等產(chǎn)品。

“中國的鈦工業(yè)目前還無法滿足上述需求，許多產(chǎn)品還不能批量生產(chǎn)，甚至屬于空白，仍然需要大量從國外進(jìn)口。”呂維潔說道，面對國家實(shí)施重大工程的需要和相關(guān)行業(yè)發(fā)展的產(chǎn)品需求升級，加強(qiáng)國內(nèi)鈦及鈦合金材的研究開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，提升鈦工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量和提高鈦材產(chǎn)品深加工水平，促進(jìn)中國鈦工業(yè)的升級轉(zhuǎn)型是全行業(yè)的重中之重，已成為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防建設(shè)的重大課題，具有重大的戰(zhàn)略地位和作用。

破瓶頸——復(fù)合強(qiáng)化成新方向

“加強(qiáng)自主創(chuàng)新，大力開發(fā)高端產(chǎn)品，掌控核心技術(shù)，邁進(jìn)軍工、航空航天運(yùn)用；通過整合下游末端產(chǎn)業(yè)鏈集群，發(fā)展后續(xù)運(yùn)用民品，是鈦材制造發(fā)展的主要方向。”仝泊濤說。

據(jù)呂維潔介紹，傳統(tǒng)的鈦合金通過合金化和組織結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高其性能已經(jīng)發(fā)展到極致，只有通過復(fù)合強(qiáng)化才能打破傳統(tǒng)鈦合金的技術(shù)壁壘，讓鈦合金在更多領(lǐng)域“大展拳腳”。

呂維潔帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出利用多元、多尺度增強(qiáng)體復(fù)合強(qiáng)化提高鈦合金性能的技術(shù)路線，設(shè)計(jì)新型原位自生工藝，簡捷、低成本制備了高性能稀土改性鈦基復(fù)合材料，進(jìn)一步優(yōu)化了成分和性能，解決了高性能稀土改性鈦合金構(gòu)件的等溫鍛造和精密鑄造的關(guān)鍵成形技術(shù)難題。

“利用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的原位自生專利技術(shù)，生產(chǎn)出的鈦基復(fù)合材料精密鑄件產(chǎn)品，性能提升了15-20%，實(shí)現(xiàn)了稀土改性鈦基復(fù)合材料在航天、航空、核電、船舶、高端設(shè)備等領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用，滿足了國家戰(zhàn)略需求。”呂維潔說。

此外，呂維潔團(tuán)隊(duì)還開發(fā)設(shè)計(jì)了新型的原位自生加工工藝。“特別是利用多相流體力學(xué)理論分析不同種類增強(qiáng)體其含量對稀土增強(qiáng)鈦合金材料的熔體停止機(jī)制，依據(jù)相似物理模擬理論和廣義達(dá)西定律，給出物理模擬鈦合金熔體滲流補(bǔ)縮流動(dòng)時(shí)需要滿足的條件，結(jié)合凝固收縮理論，給出稀土改性鈦合金材料熔體凝固成形過程中，縮孔形成條件和體積判據(jù)。”呂維潔說。

呂維潔團(tuán)隊(duì)鈦合金制備的相關(guān)研究成果已在國內(nèi)外知名刊物上發(fā)表，總共發(fā)表學(xué)術(shù)論文200多篇，SCI收錄150多篇，SCI他引1000多篇次，EI收錄100多篇。并獲得2015年度國家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)，中國國際工業(yè)博覽會(huì)創(chuàng)新獎(jiǎng)和第12屆中國國際高新技術(shù)成果交易會(huì)優(yōu)秀產(chǎn)品獎(jiǎng)。

產(chǎn)業(yè)化——鈦應(yīng)用實(shí)現(xiàn)國有化

據(jù)呂維潔介紹，由于鈦金屬冶煉和加工技術(shù)難度高、工序流程復(fù)雜，生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)需克服許多技術(shù)難點(diǎn)，還得需要許多特殊的冶煉、加工技術(shù)和專用設(shè)備進(jìn)行鈦及鈦合金的冶煉和加工材的制備。

針對稀土改性合金材料等溫鍛造技術(shù)開發(fā)，確保稀土改性鈦合金材料等溫鍛造技術(shù)產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)采用高溫?zé)釅嚎s塑性變形，緊密圍繞材料基體合金和陶瓷顆粒增強(qiáng)體在塑性變形過程中的熱變形行為，研究顆粒增強(qiáng)稀土增強(qiáng)鈦合金材料高溫變形行為，探索顆粒增強(qiáng)稀土增強(qiáng)鈦合金材料高溫變形工藝和組織的協(xié)調(diào)機(jī)制，從而確定出合適的等溫鍛造加工窗口。

此外，針對稀土改性鈦合金材料精密鑄造技術(shù)開發(fā)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)采用石墨螺旋形在真空感應(yīng)爐中進(jìn)行復(fù)合材料熔體的流動(dòng)性研究，分析溫度，增強(qiáng)體種類、含量對稀土改性鈦合金材料流動(dòng)性的影響規(guī)律，以及稀土改性鈦合金材料的熔體停滯機(jī)制，進(jìn)行物理模擬稀土改性鈦合金材料楔形試樣的充型能力，分析稀土改性鈦合金材料充型過程增強(qiáng)體的作用機(jī)制。

利用有限元分析等新型的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)等溫鍛造工藝過程控制的模擬仿真，有效設(shè)計(jì)等溫鍛造模具和鍛造工藝參數(shù)，高效、低成本地制備出高性能的稀土增強(qiáng)鈦合金材料鍛件，以滿足高性能、高可靠、低成本航空零件的設(shè)計(jì)要求，提供可工業(yè)化生產(chǎn)的構(gòu)件。

目前，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)已經(jīng)給航天單位批量提供顆粒增強(qiáng)鈦合金鍛件16批次，并已在國家關(guān)鍵型號上獲得了批量應(yīng)用，與用戶單位制定了高強(qiáng)、高模鈦基復(fù)合材料的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

“精密鑄造方面，通過與國內(nèi)航空航天一家精密鑄造企業(yè)合作，利用工業(yè)化鑄造設(shè)備，制備了顆粒增強(qiáng)鈦合金葉輪、DD殼體等精密鑄件。”呂維潔說道，構(gòu)件在用戶方獲得了驗(yàn)證，尤其是耐熱顆粒增強(qiáng)鈦合金葉輪在高溫復(fù)雜的環(huán)境中通過了考驗(yàn)，顯著提升了高端設(shè)備的性能，成套設(shè)備年節(jié)約用電1000萬度，產(chǎn)生了顯著的社會(huì)效益。

目前，該技術(shù)成果轉(zhuǎn)化取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，2020年產(chǎn)值437萬。

未來，呂維潔信心滿滿，“我們所研發(fā)生產(chǎn)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件已在一機(jī)集團(tuán)和航天六院相關(guān)裝備型號上應(yīng)用驗(yàn)證，在公司獲得相關(guān)資質(zhì)后，將開展批量供貨。”