钛及钛合金拥有密度小、、比强度高、、耐侵蚀、、生 物相容性佳等众多优异机能，在航空航天、、石油化工、、 生物医药、、国防军工等领域得到宽泛利用[1-2]。经过长 期的技术引进、、自主研发与利用推广，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，钛及钛合金的需要量持续增长，使 用环境更为多样，成形工艺愈发复杂，对资料机能指 标的要求不休提升。

塑性加工是借助外力使资料产生塑性变形，进而 得到所需状态、、组织结构及机能的一种加工技术。常 用的塑性加工技术有铸造、、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理论裂纹、、氧 化、、粗糙度超标等问题，会影响构件的力学机能、、耐 侵蚀性及后续装配精度。为此，这些年来新兴的超塑 性成形技术得到了宽泛利用，极大改善了钛合金难以 成形的问题。

现阶段，塑性加工技术蕴含传统塑性加工技术及 新型塑性加工技术，选择相宜的塑性加工步骤对于提 升钛及钛合金产品质量拥有重要意思。为此，梳理了钛及钛合金重要塑性加工技术（铸造、、轧制、、挤压等） 的钻研进展与利用近况，同时对塑性加工技术的发展 趋向进行了瞻望。

1、、传统塑性加工技术

1.1铸造

铸造是常见的金属零部件加工方式，其通过施加 压力使资料产生塑性变形，进而获得所需状态与组织 结构的构件[4]。由于钛合金的晶体结构个性，其产品 对铸造工艺参数（如温度、、变形量）极为敏感，因而 必须严格节制铸造工艺。在铸造过程中，钛及钛合金 晶粒产生重组变得越发致密，内部杂质和气泡得以消 除，内应力在肯定水平上得到开释，进而资料的均匀 度、、纯净度和机械机能等得以改善，理论质量提高[5]。 但其弊端也较为显著：出产效能较低，工艺节制难度 较大，且难以加工复杂状态的零件。凭据铸造温度的 分歧，铸造工艺可分为冷锻、、热锻[6-8]；；凭据加工方式 的分歧，可分为自由锻、、模锻[9-11]和胎模锻[12]。

通常情况下，室温下的铸造为冷锻，高于金属再 结晶温度的铸造为热锻[13]。通常而言，冷锻精度高， 用于制作高强度、、高精密的零部件；；热锻可改善金属 的塑性和变形能力，合用于制作大型和复杂状态的工 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置后的3倍，且随着 变形量增大，合金仍能维持肯定塑性。张起等[16]对Ti-662合金坯料的热锻工艺进行了钻研，发现通过优化 铸造工艺可获得均匀的双态组织，从而提高棒材的组织 均匀性和拉伸机能，降低超声波检测杂波水平。由此可见，分歧的铸造工艺对钛及钛合金的组织均匀性、、力学 机能等有着分歧的影响[17-18]。但无论选取何种铸造工 艺，应综合思考资料的机能和零部件的制作成本等。

自由锻是一种出产高机能锻件的重要方式，可按 照零部件的状态尺寸或机械机能需要铸造金属。自由 锻工艺过程通常蕴含下料、、加热、、铸造、、打磨或机加 工。按铸造方式，自由锻分为机械铸造和手工铸造， 其中机械铸造占主导，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铸造技术水平不休提 高，已能较好满足工程机械、、能源电力、、航天航空等 行业的产品需要，但部门锻件仍需依赖操作者经验， 若何实现高效不变出产仍是行业发展中亟待解决的 问题。为此，钻研人员开发了推算机辅助工艺设计 （computer aided process planning，CAPP系统）[20]， 该工艺是一种基于推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，其通常流程如图1所示。该系统对于分歧 类型的锻件均能天生正确合理的铸造工艺卡片，且生 成功夫缩短了50%以上，工艺正确率高，出产效能得 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，该系统拥有优良的工艺设计能力，可 显著提高工艺设计效能和产品一致性？？杉，CAPP系统有助于提升工艺质量、、解放人力、、推动智能铸造 的发展。模锻和自由锻的工序大体一样，但工况分歧， 多选取等温模锻。等温模锻成形的钛合金锻件拥有低 倍组织均匀、、流线散布合理、、资料亏损少等利益。采 用多曲面分模方式对复杂模锻件进行模具设计[23]，可 有效提升锻件机能及资料利用率。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 锻出产效能更高。

.2轧制

轧制工艺因成本低、、操作方便而备受青睐。金属 资料在轧制过程中会产生剧烈变形，通过调整工艺参数即可扭转资料的微观组织和力学机能[25]。依照加工 温度的分歧，轧制可分为热轧和冷轧。热轧为高温轧 制，可解除坯猜中的缺点，且工件变形较大，其中大 变形区组织会产活泼态回复和再结晶。冷轧通常无法 使资料组织产生回复和再结晶，但可提高资料的强度和 理论质量，通常作为板材、、带材制备的后端工序。此外， 凭据必要，可在轧制过程中共同退火工艺来节制变形， 或直接对弯曲变形进行改过。李勃勃等[26]选取电子束 冷床炉熔炼的一次扁锭，通过热轧结合退火工艺，在β相变点左近或高于β相变点的高温区热轧，有效破碎了 铸坯粗壮组织，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]萦绕TA1钛带冷轧后理论描摹的演变法规发展探索，发现 减小冷轧后续道次压下率、、改善光滑前提和降低工作辊 理论粗糙度，可能有效改善鳞片状描摹，进而提升TA1钛带的理论质量。

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伎俩。相 比铸造，轧制效能高，获得的产品精度也较高，出产 成本大幅降低，因而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）， 前者经热轧至制品尺寸，后者可选择热轧后冷轧，或 选取效能更高的包套叠轧、、热轧叠轧或卷带式出产方 式[29-30]。棒材则重要选取大变形量加工技术制备，如 钻研人员针对Ti-8LC和Ti-12LC合金，选取道次变形 量约为70%的步进轧制制备的棒材晶粒比通常轧制和 旋锻的棒材更藐小，强度也稍高[31]。陕西天成航空材 料股份有限公司选取“以轧代锻”的全连轧工艺[28]， 通过大变形量、、控温、、控速、、自动化节制、、高精度轧 制，实现了高机能钛合金棒材的工业化出产。该技术 有效预防了传统铸造工艺打磨次数多、、无形损耗大、、 成本高档问题。国内管材制备多选取室温轧制，道次 变形量小，轧制过程中通常必要进行真空退火以削减 残存应力。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]，即在传统出产线基础上 增长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、、高机能制备。

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，提高产品的综合机能[33]，拥有利用领域广、、 出产效能高、、工艺流程单一等优势，是制备钛合金管材、、棒材的常用步骤。凭据金属流动方向与凸模活动 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]。

相比铸造、、轧制等方式，挤压更易实现低塑性金 属变形和异种金属衔接，且无需成本较高的整套孔型 设计制作，加工效能高、、出产矫捷[36]。但由于钛合金 理化机能特殊，挤压过程中会出现温度升高、、变形阻 力增大、、粘模等问题。选择相宜的光滑方式和光滑剂 可有效降低挤压力、、耽搁模具寿命、、提高产品质量， 已成为钛合金挤压出产的关键技术之一[33]。铜包套及 玻璃光滑剂均能够起到缓解管坯挤压时粘结的作用， 其中，以SiO2、、B2O3为重要成分的硅酸盐玻璃光滑剂 光滑防护成效好，利用极为宽泛。钻研批注[37]，钛合 金挤压时有效光滑黏度为103~105Pa·s，但已有的玻璃 光滑剂很难保障分歧温度下黏度均在此领域内。为 此，金峰等[38]研发了以磷酸盐玻璃、、SiO2和NaCl为 重要成分的新型玻璃光滑剂，并通过尝试获得了分歧 组成比光滑剂的黏度-温度曲线。

此外，挤压模具、、挤压工艺等成分均会影响钛合 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 步骤、、产品机能、、挤压机能力等成分有关。玻璃光滑 剂可能在加热过程中有效；；づ髁，并在挤压时阐扬光滑作用。此外，挤压速度不仅影响工件机能和理论 质量，还影响挤压力，速度过快会导致金属流动不均， 合适的挤压速度通常在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]

早期，我国钛及钛合金出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、、棒材的加工需要[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设备制作有限公司 结合开发了680 MN多职能挤压/模锻机，集模锻与挤 压职能于一体，可制备大口径厚壁无缝钢管，也可制 备钛管材[41]。2022年，中国重型机械钻研院和宝鸡钛 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过程，标志取我国钛材挤 压技术不休迈上新台阶，也为钛及钛合金设备制作业 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出产方面，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]

2、、新型塑性加工技术

钛及钛合金拥有热变形抗力大、、成形过程组织演 变复杂等特点，通例塑性加工工艺如铸造、、轧制和挤 压等难以实现复杂状态的成形。超塑性成形（super plastic forming, SPF）技术可有效解决这一问题，是一 种高效的零部件制作技术[43]，合用于在特定内涵和外 在前提下拥有超塑性的资料[44]，好比钛合金。选取SPF工艺制作零部件，不仅能够降低制作成本，还能显著提 高成形效能，已成为钛合金加工的重要方式，且被宽泛 利用于航空航天领域。SPF重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]，拥有大变形、、无缩颈、、小应力和易成形等 利益[46]。钻研发现[47]，晶粒尺寸、、微观结构等是影响 钛合金超塑性的重要成分。细化晶？？上灾纳谱柿 的强度和韧性，因而剧烈塑性变形技术（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，从而制备出超细晶资料[48]。SPD可改善资料的强度和韧性，实现综合机能的提高，主 要步骤有高压旋转、、搅拌摩擦焊接、、等通道转角挤压、、 累积叠轧和多向铸造等[49]。此外，为满足分歧服役环 境对资料的刻薄要求，钻研人员将超塑性成形与铸造、、 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，并进行了大量钻研[35,48]。近年 来，SPF的钻研领域不休扩大，但钻研纵深不够，许 多工作仅停顿在理论钻研和试验阶段，应进一步索求 钛及钛合金超塑性成形的内涵机理和加工法规，改进 加工步骤和工艺设备，提高构件质量和出产效能，扩 大超塑性成形钛合金的利用领域。

扩散衔接（diffusion bonding，DB）又称为扩散焊， 是在肯定温度和压力下使资料理论接触，经过长功夫 原子扩散以达到缜密结合的一种固态焊接技术[50]，可实现无残存应力的大面积衔接。当资料的超塑性温度 与其扩散衔接温度相近时，可在一次加热加压中实现 超塑性成形和扩散衔接，制成部门或整体加强的结构 件或更复杂的整体结构件，并由此发展为超塑性成形 和扩散衔接复合（SPF/DB）工艺[51]。SPF/DB技术在 航空领域得到宽泛的钻研与利用[52]，其利益有：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 资料变形量大且无开裂，无残存应力，成形精度高；； ③ 结构件整体机能好，抗委顿和抗侵蚀性加强。为精 确分析SPF/DB工艺过程，钻研人员[52-53]选取有限元 数值仿照的步骤对钛合金的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，利用有限元仿照获得的压力曲线作为现实成形压 力的加载凭据，得到了SPF/DB工艺的最佳温度、、压 力及功夫等参数。张鹏等[55]钻研证实，SPF/DB工艺 制备的钛合金构件可能满足空空导弹飞行速度、、机动 过载和减轻结构重量的高尺度要求，验证了SPF/DB技术在先进空空导弹上利用的可行性。综上可知，我 国固然在SPF/DB方面的研发工作起步较晚，但通过 对SPF/DB技术的不休钻研，已获得了肯定成就和较 猛进展[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。 无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 短处，因而备受关注。权成等[56]基于ABAQUS/Explicit成立了管端增量成形的仿真模型，通过数值仿照的方 法验证了长锥管增量成形扩口改进工艺的可行性和成 形件的靠得住性，极大地缩短了出产周期，并节约了成 本。侯晓莉等[57]通过钻研实现了变角度增量翻边成形 技术在T2紫铜管材方面的利用，并使制件的分裂得 到有效预测和节制。这种无模（或柔模）无约束、、局 部加载的增量成形技术，结合推算机辅助设计和制作 （CAD/CAM）、、数控与金属塑性成形技术，可节制金 属的流动，加工复杂状态零件，节约成本。但目前关于 钛合金增量成形的有关钻研报道较少，现有工艺存在 易产天生形缺点、、成形不变性较差且设备复杂昂贵等 弊端。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 拉伸斜角增长时理论质量变差，且板材两侧会出现差 异。该钻研为钛合金的增量成形工艺钻研奠定了基础。

3、、结语

钛及钛合金塑性加工步骤较多，各有优弊端，应 凭据具体要求选择合用的工艺，通常的准则有：工艺 靠得住，操作单一；；满足产品的机能需要；；工艺成本低。 随着钛及钛合金利用领域的不休扩大，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 扩散衔接复合工艺、、复合增量成形技术等）也在不休 开发与钻研。随着人们对钛及钛合金加工新技术、、新 工艺的深刻钻研，产品质量与竞争力将不休提升。

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（注，原文标题：我国钛及钛合金塑性加工技术钻研进展与利用近况）

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