钛及钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀、生 物相容性佳等众多优异性能，在航空航天、石油化工、 生物医药、国防军工等领域得到广泛应用[1-2]。经过长 期的技术引进、自主研发与应用推广，我国钛工业现 已进入高速发展期，产量稳步攀升，成为世界钛工业 大国[3]。近年来，钛及钛合金的需求量持续增加，使 用环境更为多样，成形工艺愈发复杂，对材料性能指 标的要求不断提升。
塑性加工是借助外力使材料发生塑性变形，进而 得到所需形状、组织结构及性能的一种加工技术。常 用的塑性加工技术有锻造、轧制、挤压、拉伸、旋压 等[1]。然而，钛及钛合金塑性变形时强度和硬度升高， 塑性和韧性降低，且加工过程中易出现表面裂纹、氧 化、粗糙度超标等问题，会影响构件的力学性能、耐 腐蚀性及后续装配精度。为此，这些年来新兴的超塑 性成形技术得到了广泛应用，极大改善了钛合金难以 成形的问题。
现阶段，塑性加工技术包括传统塑性加工技术及 新型塑性加工技术，选择合适的塑性加工方法对于提 升钛及钛合金产品质量具有重要意义。为此，梳理了钛及钛合金主要塑性加工技术（锻造、轧制、挤压等） 的研究进展与应用现状，同时对塑性加工技术的发展 趋势进行了展望。
1、传统塑性加工技术
1.1锻造
锻造是常见的金属零部件加工方式，其通过施加 压力使材料产生塑性变形，进而获得所需形状与组织 结构的构件[4]。由于钛合金的晶体结构特性，其产品 对锻造工艺参数（如温度、变形量）极为敏感，因此 必须严格控制锻造工艺。在锻造过程中，钛及钛合金 晶粒发生重组变得更加致密，内部杂质和气泡得以消 除，内应力在一定程度上得到释放，进而材料的均匀 度、纯净度和机械性能等得以改善，表面质量提高[5]。 但其缺点也较为明显：生产效率较低，工艺控制难度 较大，且难以加工复杂形状的零件。根据锻造温度的 不同，锻造工艺可分为冷锻、热锻[6-8]；根据加工方式 的不同，可分为自由锻、模锻[9-11]和胎模锻[12]。
通常情况下，室温下的锻造为冷锻，高于金属再 结晶温度的锻造为热锻[13]。一般而言，冷锻精度高， 用于制造高强度、高精密的零部件；热锻可改善金属 的塑性和变形能力，适用于制造大型和复杂形状的工 件[7]。马利华等[14]对TB17钛合金进行冷锻发现，合 金抗拉强度随着变形量的增大而提高，当变形量为60%时，变形组织中出现剪切带结构。韩兴言[15]对Ti-9Al合金进行冷锻发现，当变形量为20%时，基体 中的小角度晶界比例约为固溶处理后的3倍，且随着 变形量增大，合金仍能保持一定塑性。张起等[16]对Ti-662合金坯料的热锻工艺进行了研究，发现通过优化 锻造工艺可获得均匀的双态组织，从而提高棒材的组织 均匀性和拉伸性能，降低超声波检测杂波水平。由此可见，不同的锻造工艺对钛及钛合金的组织均匀性、力学 性能等有着不同的影响[17-18]。但无论采用何种锻造工 艺，应综合考虑材料的性能和零部件的制造成本等。
自由锻是一种生产高性能锻件的重要方式，可按 照零部件的形状尺寸或机械性能需求锻造金属。自由 锻工艺过程一般包括下料、加热、锻造、打磨或机加 工。按锻造方式，自由锻分为机器锻造和手工锻造， 其中机器锻造占主导，又可分为水压机自由锻（用于 大型锻件）和锤锻自由锻（用于小型锻件）[19]。经过 多年发展，我国钛及钛合金自由锻造技术水平不断提 高，已能较好满足工程机械、能源电力、航天航空等 行业的产品需求，但部分锻件仍需依赖操作者经验， 如何实现高效稳定生产仍是行业发展中亟待解决的 问题。为此，研究人员开发了计算机辅助工艺设计 （computer aided process planning，CAPP系统）[20]， 该工艺是一种基于计算机技术实现产品工艺自动化 编程的智能系统。张闯[21]对自由锻CAPP系统进行了 优化升级，其一般流程如图1所示。该系统对于不同 类型的锻件均能生成准确合理的锻造工艺卡片，且生 成时间缩短了50%以上，工艺准确率高，生产效率得 到极大提高。张朝朝等[22]开发出一种航空航天环形锻 件CAPP系统，该系统具有良好的工艺设计能力，可 显著提高工艺设计效率和产品一致性。可见，CAPP系统有助于提升工艺质量、解放人力、推动智能锻造 的发展。模锻和自由锻的工序大致相同，但工况不同， 多采用等温模锻。等温模锻成形的钛合金锻件具有低 倍组织均匀、流线分布合理、材料消耗少等优点。采 用多曲面分模方式对复杂模锻件进行模具设计[23]，可 有效提升锻件性能及材料利用率。此外，为了降低成 本，还出现了热模锻成形技术[24]，该技术相比等温模 锻生产效率更高。
.2轧制
轧制工艺因成本低、操作方便而备受青睐。金属 材料在轧制过程中会发生剧烈变形，通过调整工艺参数即可改变材料的微观组织和力学性能[25]。按照加工 温度的不同，轧制可分为热轧和冷轧。热轧为高温轧 制，可消除坯料中的缺陷，且工件变形较大，其中大 变形区组织会发生动态回复和再结晶。冷轧通常无法 使材料组织发生回复和再结晶，但可提高材料的强度和 表面质量，一般作为板材、带材制备的后端工序。此外， 根据需要，可在轧制过程中配合退火工艺来控制变形， 或直接对弯曲变形进行矫正。李勃勃等[26]采用电子束 冷床炉熔炼的一次扁锭，通过热轧结合退火工艺，在β相变点附近或高于β相变点的高温区热轧，有效破碎了 铸坯粗大组织，使得铸坯热轧塑性变形能力得以改善， 实现了中强高韧钛合金板材的制备。韩盈等[27]围绕TA1钛带冷轧后表面形貌的演变规律开展探究，发现 减小冷轧后续道次压下率、改善润滑条件和降低工作辊 表面粗糙度，能够有效改善鳞片状形貌，进而提升TA1钛带的表面质量。
近年来，我国轧制技术发展迅速，已成为板材、 棒材、管材等钛及钛合金加工材的重要成形手段。相 比锻造，轧制效率高，获得的产品精度也较高，生产 成本大幅降低，因此常用于钛合金低成本制备[28]。板 材按厚度分为厚板（＞4.76 mm）和薄板（≤4.76 mm）， 前者经热轧至成品尺寸，后者可选择热轧后冷轧，或 采用效率更高的包套叠轧、热轧叠轧或卷带式生产方 式[29-30]。棒材则主要采用大变形量加工技术制备，如 研究人员针对Ti-8LC和Ti-12LC合金，采用道次变形 量约为70%的步进轧制制备的棒材晶粒比普通轧制和 旋锻的棒材更细小，强度也稍高[31]。陕西天成航空材 料股份有限公司采用“以轧代锻”的全连轧工艺[28]， 通过大变形量、控温、控速、自动化控制、高精度轧 制，实现了高性能钛合金棒材的工业化生产。该技术 有效避免了传统锻造工艺打磨次数多、无形损耗大、 成本高等问题。国内管材制备多采用室温轧制，道次 变形量小，轧制过程中通常需要进行真空退火以减少 残余应力。随着管材加工技术发展，出现了钛合金无 缝管材短流程化加工技术[32]，即在传统生产线基础上 增加用于加热钛管坯的加热炉，实现控温轧制。综上 可知，通过优化轧制工艺参数，改进加工设备，可实 现钛及钛合金型材的高精度、高性能制备。
1.3挤压
挤压成形通过施加三向压应力，可实现较大的塑 性变形，提高产品的综合性能[33]，具有应用范围广、 生产效率高、工艺流程简单等优势，是制备钛合金管材、棒材的常用方法。根据金属流动方向与凸模运动 方向的关系，挤压成形可分为正向挤压（直接挤压）、 反向挤压（间接挤压）、复合挤压和径向挤压[34]。由 于钛及钛合金回弹严重，其挤压变形过程较其他合金 更为复杂，故挤压温度与工艺尤为重要。图2为钛及 钛合金热挤压成形工艺流程图[35]。
相比锻造、轧制等方式，挤压更易实现低塑性金 属变形和异种金属连接，且无需成本较高的整套孔型 设计制造，加工效率高、生产灵活[36]。但由于钛合金 理化性能特殊，挤压过程中会出现温度升高、变形阻 力增大、粘模等问题。选择合适的润滑方式和润滑剂 可有效降低挤压力、延长模具寿命、提高产品质量， 已成为钛合金挤压生产的关键技术之一[33]。铜包套及 玻璃润滑剂均可以起到缓解管坯挤压时粘结的作用， 其中，以SiO2、B2O3为主要成分的硅酸盐玻璃润滑剂 润滑防护效果好，应用极为广泛。研究表明[37]，钛合 金挤压时有效润滑黏度为103~105Pa·s，但已有的玻璃 润滑剂很难保证不同温度下黏度均在此范围内。为 此，金峰等[38]研发了以磷酸盐玻璃、SiO2和NaCl为 主要成分的新型玻璃润滑剂，并通过实验获得了不同 组成比润滑剂的黏度-温度曲线。
此外，挤压模具、挤压工艺等因素均会影响钛合 金型材的质量，关键参数有挤压比（λ）、坯料加热温 度、挤压速度等[39]。其中，挤压比与合金种类、挤压 方法、产品性能、挤压机能力等因素相关。玻璃润滑 剂能够在加热过程中有效保护坯料，并在挤压时发挥润滑作用。此外，挤压速度不仅影响工件性能和表面 质量，还影响挤压力，速度过快会导致金属流动不均， 适宜的挤压速度一般在200 mm/s以下。常见钛及钛合 金棒材挤压参数如表1所示[40]。
表 1 常见钛及钛合金棒材挤压参数 [40]
| 合金牌号 | 挤压比（λ） | 坯料加热温度 /℃ | 挤压速度 /（mm・s⁻¹） | 润滑剂类型 | 主要应用领域 |
| TC4（Ti-6Al-4V） | 8~15 | 850~950（β 相变点以下） | 50~150 | 硅酸盐玻璃（SiO₂+B₂O₃为主） | 航空航天结构件、生物医药植入体 |
| TA1（工业纯钛） | 6~12 | 750~850 | 80~200 | 硅酸盐玻璃 + 铜包套 | 化工管道、医疗器械 |
| TA2（工业纯钛） | 6~14 | 780~880 | 70~180 | 硅酸盐玻璃 | 耐腐蚀构件、换热器 |
| TB17（β 型钛合金） | 10~18 | 800~900 | 60~120 | 新型磷酸盐玻璃（含 NaCl） | 航空发动机部件、高强度结构件 |
早期，我国钛及钛合金生产所使用的挤压机以31.5 MN、45 MN等为主，吨位较小且多为国外引进， 无法满足大尺寸高品质钛合金管材、棒材的加工需求[35]。2009年，宝钢特钢有限公司引进了6000T挤压机[40]。2016年，清华大学和青海中钛青锻装备制造有限公司 联合开发了680 MN多功能挤压/模锻机，集模锻与挤 压功能于一体，可制备大口径厚壁无缝钢管，也可制 备钛管材[41]。2022年，中国重型机械研究院和宝鸡钛 业股份有限公司合作开发了63 MN正向双动钛合金 专用挤压机[42]，可挤制最大外径325 mm，最大截面 积5000 mm2的钛合金无缝管材。据报道，该设备为目 前国内最大的钛及钛合金挤压机。国内主流挤压机产 品规格如表2所示[35]。钛及钛合金挤压机的发展经历 了由国外引进到自主研发的历程，标志着我国钛材挤 压技术不断迈上新台阶，也为钛及钛合金装备制造业 的发展奠定了坚实基础。但我国在高品质、大规格钛 及钛合金挤压型材的自主生产方面，仍有较大的提升 空间。
表 2 国内主流钛及钛合金挤压机产品规格 [35]
| 挤压机吨位 | 生产 / 研发单位 | 工艺类型 | 最大加工能力（管材 / 棒材） | 技术特点 | 应用范围 |
| 31.5MN/45MN | 早期国外引进（如德国 SMS） | 正向挤压 | 管材最大外径≤150mm；棒材最大截面≤1500mm² | 依赖进口，吨位小 | 中小型钛材（医用棒材、小型管道） |
| 6000T（约 60MN） | 宝钢特钢有限公司（引进） | 正向挤压 | 管材最大外径≤200mm；棒材最大截面≤3000mm² | 早期大吨位设备，提升大尺寸钛材产能 | 能源领域中口径管材、工程机械棒材 |
| 680MN 多功能挤压 / 模锻机 | 清华大学 + 青海中钛青锻装备制造有限公司（自主研发） | 正向 / 反向挤压、模锻 | 管材最大外径≤300mm；厚壁无缝管 / 大型模锻件 | 集挤压与模锻于一体，多功能集成 | 航空航天大型构件（大口径厚壁钛管、涡轮盘锻件） |
| 63MN 正向双动钛合金专用挤压机 | 中国重型机械研究院 + 宝鸡钛业股份有限公司（自主研发） | 正向双动挤压 | 管材最大外径≤325mm；最大截面积≤5000mm² | 国内目前最大钛合金专用挤压机，双动控制精度高 | 高端航空航天管材（大口径钛合金无缝管）、大型结构棒材 |
2、新型塑性加工技术
钛及钛合金具有热变形抗力大、成形过程组织演 变复杂等特点，常规塑性加工工艺如锻造、轧制和挤 压等难以实现复杂形状的成形。超塑性成形（super plastic forming, SPF）技术可有效解决这一问题，是一 种高效的零部件制造技术[43]，适用于在特定内在和外 在条件下具有超塑性的材料[44]，比如钛合金。采用SPF工艺制造零部件，不仅可以降低制造成本，还能显著提 高成形效率，已成为钛合金加工的重要方式，且被广泛 应用于航空航天领域。SPF主要方式有超塑性拉伸成 形、超塑性模锻成形、超塑性挤压成形以及超塑性气胀 成形等[45]，具有大变形、无缩颈、小应力和易成形等 优点[46]。研究发现[47]，晶粒尺寸、微观结构等是影响 钛合金超塑性的重要因素。细化晶粒可明显改善材料 的强度和韧性，于是剧烈塑性变形技术（severe plastic deformation, SPD）应运而生，即通过引入大应变而产 生更大的塑性变形，从而制备出超细晶材料[48]。SPD可改善材料的强度和韧性，实现综合性能的提高，主 要方法有高压扭转、搅拌摩擦焊接、等通道转角挤压、 累积叠轧和多向锻造等[49]。此外，为满足不同服役环 境对材料的苛刻要求，研究人员将超塑性成形与锻造、 轧制、挤压、拉拔等传统塑性加工技术相结合，开发 出多种复合变形技术，并进行了大量研究[35,48]。近年 来，SPF的研究范围不断扩展，但研究纵深不够，许 多工作仅停留在理论研究和试验阶段，应进一步探索 钛及钛合金超塑性成形的内在机理和加工规律，改进 加工方法和工艺设备，提高构件质量和生产效率，扩 大超塑性成形钛合金的应用范围。
扩散连接（diffusion bonding，DB）又称为扩散焊， 是在一定温度和压力下使材料表面接触，经过长时间 原子扩散以达到紧密结合的一种固态焊接技术[50]，可实现无残余应力的大面积连接。当材料的超塑性温度 与其扩散连接温度相近时，可在一次加热加压中完成 超塑性成形和扩散连接，制成局部或整体加强的结构 件或更复杂的整体结构件，并由此发展为超塑性成形 和扩散连接复合（SPF/DB）工艺[51]。SPF/DB技术在 航空领域得到广泛的研究与应用[52]，其优点有：① 一 次加热即可将多个零件成形为整体结构件，降低成本； ② 材料变形量大且无开裂，无残余应力，成形精度高； ③ 结构件整体性能好，抗疲劳和抗腐蚀性增强。为精 确分析SPF/DB工艺过程，研究人员[52-53]采用有限元 数值模拟的方法对钛合金的SPF/DB过程进行数值模 拟。门向南等[54]对TC4钛合金进行了SPF/DB工艺试 验，利用有限元模拟获得的压力曲线作为实际成形压 力的加载依据，得到了SPF/DB工艺的最佳温度、压 力及时间等参数。张鹏等[55]研究证实，SPF/DB工艺 制备的钛合金构件能够满足空空导弹飞行速度、机动 过载和减轻结构重量的高标准要求，验证了SPF/DB技术在先进空空导弹上应用的可行性。综上可知，我 国虽然在SPF/DB方面的研发工作起步较晚，但通过 对SPF/DB技术的不断研究，已取得了一定成果和较 大进展[52]。
当前航空航天、汽车和高新技术产业对零件加工 的要求是轻量化、强韧化、精密化、高效化、绿色化。 多数精密塑性成形需专用模具，能耗较大，增量成形 技术则能克服传统精密成形模具专用性强、能耗高的 弊端，因而备受关注。权成等[56]基于ABAQUS/Explicit建立了管端增量成形的仿真模型，通过数值模拟的方 法验证了长锥管增量成形扩口改进工艺的可行性和成 形件的可靠性，极大地缩短了生产周期，并节约了成 本。侯晓莉等[57]通过研究实现了变角度增量翻边成形 技术在T2紫铜管材方面的应用，并使制件的破裂得 到有效预测和控制。这种无模（或柔模）无约束、局 部加载的增量成形技术，结合计算机辅助设计和制造 （CAD/CAM）、数控与金属塑性成形技术，可控制金 属的流动，加工复杂形状零件，节约成本。但目前关于 钛合金增量成形的相关研究报道较少，现有工艺存在 易产生成形缺陷、成形稳定性较差且设备复杂昂贵等 缺点。莫非等[58]对比了三重轻质合金板材热增量成形 的可加工性，发现Ti6Al4V合金在室温下壁面倾斜角 的可加工极限为20°，热增量成形后最大可达45°，但 拉伸斜角增加时表面质量变差，且板材两侧会出现差 异。该研究为钛合金的增量成形工艺研究奠定了基础。
3、结语
钛及钛合金塑性加工方法较多，各有优缺点，应 根据具体要求选择适用的工艺，通常的原则有：工艺 可靠，操作简单；满足产品的性能需求；工艺成本低。 随着钛及钛合金应用领域的不断扩展，高效、高品质、 低成本的新技术新工艺（超塑性成形、超塑性成形和 扩散连接复合工艺、复合增量成形技术等）也在不断 开发与研究。随着人们对钛及钛合金加工新技术、新 工艺的深入研究，产品质量与竞争力将不断提升。
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（注，原文标题：我国钛及钛合金塑性加工技术研究进展与应用现状）
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