日前，位于上海交通大學(xué)包頭新材料產(chǎn)業(yè)園內的包頭嘉泰金屬科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)嘉泰金屬）已通過(guò)自主研制設備，成功研制出國內唯一的直徑0.05mm鈦合金超細絲材。

“依托上海交通大學(xué)金屬基復合材料國家重點(diǎn)實(shí)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合材料鑄錠?！奔翁┙饘偌夹g(shù)負責人仝泊濤說(shuō)道。目前，嘉泰金屬針對航天、航空、核電、醫療器械、船舶等領(lǐng)域對高性能稀有金屬、特鋼、金屬基復合材料等方面的迫切需求開(kāi)展產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。公司現設計產(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(xiàn)或外協(xié)生產(chǎn)線(xiàn)。

金屬鈦——國家間角力的新戰場(chǎng)

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、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(dòng)機葉片，都有鈦的身影。

據上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士生導師呂維潔介紹，鈦被譽(yù)為“宇宙金屬”“航空金屬”和“空間金屬”，還被稱(chēng)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(gè)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(kāi)發(fā)，其中，亞洲和太平洋工區占主要份額；在英國，鈦材在民用工業(yè)中的應用約占40%-45%；日本也正在海洋溫差發(fā)電、潮汐發(fā)電等設備尋求鈦的應用；海水淡化技術(shù)在日本和阿拉伯地區也已得到充分發(fā)展?！辟诓礉f(shuō)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)品的應用領(lǐng)域和消費結構與美國、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、醫療等重要戰略領(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(lái)，隨著(zhù)中國化工和海水淡化等領(lǐng)域對鈦材用量的急劇增加，以及中國的大飛機計劃、嫦娥登月計劃、航空發(fā)動(dòng)機研發(fā)計劃、核電建設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(wú)法滿(mǎn)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?！眳尉S潔說(shuō)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，加強國內鈦及鈦合金材的研究開(kāi)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)展和國防建設的重大課題，具有重大的戰略地位和作用。

破瓶頸——復合強化成新方向

“加強自主創(chuàng )新，大力開(kāi)發(fā)高端產(chǎn)品，掌控核心技術(shù)，邁進(jìn)軍工、航空航天運用；通過(guò)整合下游末端產(chǎn)業(yè)鏈集群，發(fā)展后續運用民品，是鈦材制造發(fā)展的主要方向?！辟诓礉f(shuō)。

據呂維潔介紹，傳統的鈦合金通過(guò)合金化和組織結構優(yōu)化提高其性能已經(jīng)發(fā)展到極致，只有通過(guò)復合強化才能打破傳統鈦合金的技術(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、多尺度增強體復合強化提高鈦合金性能的技術(shù)路線(xiàn)，設計新型原位自生工藝，簡(jiǎn)捷、低成本制備了高性能稀土改性鈦基復合材料，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)權的原位自生專(zhuān)利技術(shù)，生產(chǎn)出的鈦基復合材料精密鑄件產(chǎn)品，性能提升了15-20%，實(shí)現了稀土改性鈦基復合材料在航天、航空、核電、船舶、高端設備等領(lǐng)域的規?；瘧?，滿(mǎn)足了國家戰略需求?！眳尉S潔說(shuō)。

此外，呂維潔團隊還開(kāi)發(fā)設計了新型的原位自生加工工藝?！疤貏e是利用多相流體力學(xué)理論分析不同種類(lèi)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(dòng)時(shí)需要滿(mǎn)足的條件，結合凝固收縮理論，給出稀土改性鈦合金材料熔體凝固成形過(guò)程中，縮孔形成條件和體積判據?！眳尉S潔說(shuō)。

呂維潔團隊鈦合金制備的相關(guān)研究成果已在國內外知名刊物上發(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(huì )創(chuàng )新獎和第12屆中國國際高新技術(shù)成果交易會(huì )優(yōu)秀產(chǎn)品獎。

產(chǎn)業(yè)化——鈦應用實(shí)現國有化

據呂維潔介紹，由于鈦金屬冶煉和加工技術(shù)難度高、工序流程復雜，生產(chǎn)工藝設計需克服許多技術(shù)難點(diǎn)，還得需要許多特殊的冶煉、加工技術(shù)和專(zhuān)用設備進(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(kāi)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(shí)現，項目團隊采用高溫熱壓縮塑性變形，緊密?chē)@材料基體合金和陶瓷顆粒增強體在塑性變形過(guò)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(kāi)發(fā)，項目團隊采用石墨螺旋形在真空感應爐中進(jìn)行復合材料熔體的流動(dòng)性研究，分析溫度，增強體種類(lèi)、含量對稀土改性鈦合金材料流動(dòng)性的影響規律，以及稀土改性鈦合金材料的熔體停滯機制，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(guò)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(shí)現等溫鍛造工藝過(guò)程控制的模擬仿真，有效設計等溫鍛造模具和鍛造工藝參數，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(mǎn)足高性能、高可靠、低成本航空零件的設計要求，提供可工業(yè)化生產(chǎn)的構件。

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用，與用戶(hù)單位制定了高強、高模鈦基復合材料的企業(yè)標準。

“精密鑄造方面，通過(guò)與國內航空航天一家精密鑄造企業(yè)合作，利用工業(yè)化鑄造設備，制備了顆粒增強鈦合金葉輪、DD殼體等精密鑄件?！眳尉S潔說(shuō)道，構件在用戶(hù)方獲得了驗證，尤其是耐熱顆粒增強鈦合金葉輪在高溫復雜的環(huán)境中通過(guò)了考驗，顯著(zhù)提升了高端設備的性能，成套設備年節約用電1000萬(wàn)度，產(chǎn)生了顯著(zhù)的社會(huì )效益。

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

未來(lái)，呂維潔信心滿(mǎn)滿(mǎn)，“我們所研發(fā)生產(chǎn)的關(guān)鍵結構件已在一機集團和航天六院相關(guān)裝備型號上應用驗證，在公司獲得相關(guān)資質(zhì)后，將開(kāi)展批量供貨?！?/span>