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鈦合金超細絲材。

“依托上海交通大學(xué)金屬基復(fù)合材料國家重點實驗室的原位自生稀土氧化物顆粒強化鈦合金技術(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)負責人仝泊濤說道。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)計產(chǎn)能為500噸，已有特種熔煉、等溫鍛造、精密鑄造、超細絲材加工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)、儲氫、生物相容性等獨特功能，小到眼鏡框、血管支架，大到航空發(fā)動機葉片，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。當前，鈦材用量和鈦工業(yè)發(fā)展水平已經(jīng)成為衡量一個國家綜合國力和發(fā)達程度的重要標志。

“放眼全球，美國鈦制品約80%都用于航空領(lǐng)域；歐洲正計劃投資全球新建發(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)域和消費結(jié)構(gòu)與美國、歐洲、日本、俄羅斯等鈦工業(yè)強國均不同，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)達國家相差甚遠，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?，以及中國的大飛機計劃、嫦娥登月計劃、航空發(fā)動機研發(fā)計劃、核電建設(shè)計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口。”呂維潔說道，面對國家實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)合強化成新方向

“加強自主創(chuàng)新，大力開發(fā)高端產(chǎn)品，掌控核心技術(shù)，邁進軍工、航空航天運用；通過整合下游末端產(chǎn)業(yè)鏈集群，發(fā)展后續(xù)運用民品，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)的科研團隊創(chuàng)新性地提出利用多元、多尺度增強體復(fù)合強化提高鈦合金性能的技術(shù)路線，設(shè)計新型原位自生工藝，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)模化應(yīng)用，滿足了國家戰(zhàn)略需求。”呂維潔說。

此外，呂維潔團隊還開發(fā)設(shè)計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體其含量對稀土增強鈦合金材料的熔體停止機制，依據(jù)相似物理模擬理論和廣義達西定律，給出物理模擬鈦合金熔體滲流補縮流動時需要滿足的條件，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。

呂維潔團隊鈦合金制備的相關(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，中國國際工業(yè)博覽會創(chuàng)新獎和第12屆中國國際高新技術(shù)成果交易會優(yōu)秀產(chǎn)品獎。

產(chǎn)業(yè)化——鈦應(yīng)用實現(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)計需克服許多技術(shù)難點，還得需要許多特殊的冶煉、加工技術(shù)和專用設(shè)備進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)化目標的實現(xiàn)，項目團隊采用高溫熱壓縮塑性變形，緊密圍繞材料基體合金和陶瓷顆粒增強體在塑性變形過程中的熱變形行為，研究顆粒增強稀土增強鈦合金材料高溫變形行為，探索顆粒增強稀土增強鈦合金材料高溫變形工藝和組織的協(xié)調(diào)機制，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)，項目團隊采用石墨螺旋形在真空感應(yīng)爐中進行復(fù)合材料熔體的流動性研究，分析溫度，增強體種類、含量對稀土改性鈦合金材料流動性的影響規(guī)律，以及稀土改性鈦合金材料的熔體停滯機制，進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體的作用機制。

利用有限元分析等新型的計算機模擬技術(shù)實現(xiàn)等溫鍛造工藝過程控制的模擬仿真，有效設(shè)計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)計要求，提供可工業(yè)化生產(chǎn)的構(gòu)件。

目前，項目團隊已經(jīng)給航天單位批量提供顆粒增強鈦合金鍛件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、高模鈦基復(fù)合材料的企業(yè)標準。

“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證，尤其是耐熱顆粒增強鈦合金葉輪在高溫復(fù)雜的環(huán)境中通過了考驗，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)生了顯著的社會效益。

目前，該技術(shù)成果轉(zhuǎn)化取得了良好的經(jīng)濟效益，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)件已在一機集團和航天六院相關(guān)裝備型號上應(yīng)用驗證，在公司獲得相關(guān)資質(zhì)后，將開展批量供貨。”