钢-钛共线短流程制备高品质系列钛板带成套技术及应用

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一、研究的背景与问题

钛及钛合金板带在航空航天、海洋工程、武器装备及民用工业等国家重大工程和经济主战场具有不可替代的重大应用价值，被视为高端装备制造与国防军工的变革性材料。然而，我国钛板带材产业长期面临制造成本高、规格不全、服役性能欠佳及应用技术缺乏等难题，高端产品依赖进口，严重制约其在国家重大工程和经济主战场的广泛应用。突破技术瓶颈，已成为推动我国钛产业高质量发展、保障重点行业关键材料自主可控的迫切战略需求。

自20世纪以来，国内外围绕低成本、大规格、高性能钛及钛合金板带制造技术开展了大量探索。以钢-钛共线高效短流程技术为代表的工艺路线，被视为破解钛板带材生产难题的重要突破口。日本制铁率先利用钢铁产线实现纯钛板轧制，显著提升生产效率；国内以云南钛业（本项目参与单位之一）为代表的钛企亦开展技术探索，成功轧制出中国首卷宽幅冷轧纯钛卷。然而，现有技术仍面临系列难题亟待突破：

1、大规格、高质量、可直轧钛合金电子束冷床炉EB熔炼技术尚未突破；

2、钛与钢物化及力学性能差异显著，钢铁产线装备与钛材工艺匹配性不足；

3、钛合金室温滑移系少、塑性变形机理复杂，冷轧薄带制造工艺亟待创新；

4、极端规格钛合金板带材的成形、焊接及服役应用技术体系尚不完善。

二、解决问题的思路与技术方案

中国宝武集团储双杰首席带领项目团队依托宝武集团先进钢铁产线优势，联合国内多家钛材生产、应用及研发单位组建“产学研用”攻关团队。瞄准我国钛合金板带材“更低成本、更多品种、更广规格、更高性能、更好应用”的发展需求，系统开展钢-钛共线短流程制备高品质钛及钛合金板带材技术及应用研究。图1为钛板带材传统制程与本项目制备技术路线对比。

图1 钛及钛合金板带材传统制程与本项目制备流程路线对比

三、主要创新性进展

自2010年起，项目先后获批“十三五”、“十四五”国家重点研发计划、国家科技重大专项、国家国际科技合作专项、国家自然科学基金、省部级科创项目及企业科研项目等多项科研课题资助，研发总经费超2亿元。历经15年攻关，项目取得了系列创新成果：

1、创新了电子束冷床炉（EB）熔炼高均质、可直轧钛及钛合金大规格铸锭工艺技术

针对EB熔炼过程中易发生合金元素挥发、烧损及高/低密度夹杂等冶金缺陷，建立了钛合金EB熔炼过程中的元素烧损和夹杂物去除预测模型，实现了Ti-Al-V-Cr-Fe五元系钛合金EB熔炼元素挥发率的精准预测，模型准确率98%；阐明了30-300μm、3.5-5g/cm³范围内各类高、低密度夹杂物的迁移与去除规律，不同尺寸下高密度夹杂停留时间范围7.3-18.3s；为多组元、高纯净、高均质钛合金EB熔炼工艺奠定理论基础。创新了钛合金EB熔炼的返回料利用及原料处理关键技术，建立不同形态复杂来源钛返回料分类、检测及处理成套技术；制定了原料内控标准、《钛及钛合金返回料处理及验收》标准及《海绵钛》国家标准等；返回料添加比例超过65%，最高达100%，实现多品种原材料高质再生利用，从源头保障高质量低成本钛合金EB铸锭生产；针对EB熔炼大规格可直轧铸锭宏微观偏析、冷隔及裂纹等缺陷，发明了高均质、可直轧大规格EB铸锭熔炼工艺；首创“一炉双锭”EB炉结构设计，生产效率及产能提升30%，制造成本降低10%；创新电子束扫描花样及间断拉锭工艺，实现EB铸锭单重最大16t、宽2250mm、厚350mm大规格、高均质钛合金EB锭生产，Ti6411成分合格率≥99.04%，TC4 EB锭成分波动Al≤0.16%、V≤0.07%。

图2 高均质、可直轧钛及钛合金大规格铸锭EB熔炼工艺技术

2、发明了基于钢-钛共线的钛及钛合金一火次热轧板卷工艺及装备技术

钛合金对工艺参数敏感性强、热加工窗口窄，在钢铁产线大轧制力、高应变速率下的机理尚不清晰，研究钛合金EB锭热加工规律，创新高应变速率下“多道次累积大变形量成形”的加工工艺；精准预测了发生C翘和边裂的临界条件，揭示了边部裂纹方向和轧制方向夹角15-50°；构建了大轧制力及高应变速率热加工变形理论基础，为钢钛共线一火次免锻直轧钛及钛合金板带材提供理论依据。钛和钢铁的物化特点及热加工行为存在较大差异，创新了薄规格卷材热连轧工艺及装备技术，通过钢铁热连轧产线适配性改造，开发单道次变形20%-45%、低速度轧制工艺及低活套张力控制的热连轧成套技术；攻克钢铁产线带卷表面粘结、热划伤、边线等缺陷，成材率由94.8%提升至98.7%、一级品率≥90%；实现厚度2.5-12mm、最宽1550mm多牌号热轧卷材稳定生产。通过钢铁宽厚板产线适应性改造，首创了宽厚板一火次轧制工艺及装备技术，新建电加热炉板坯温度均匀性±5℃，提出了“高温β相区开轧、双相区终轧”一火次高效轧制技术路线，厚度精度±0.8mm，成材率由90%提高至97%；实现厚度6-150mm、最宽4400mm多牌号钛及钛合金宽厚板一火成材。

图3 基于钢-钛共线的钛及钛合金一火次热轧板卷工艺及装备技术

3、创新了基于钢-钛共线的钛及钛合金高精度冷轧带卷工艺及装备技术

针对钛合金室温滑移系有限、变形强烈依赖孪生与滑移竞争协调、加工硬化显著及边裂倾向强等难点，建立了大变形量下冷加工变形理论基础，构建了基于晶体塑性有限元的钛材冷轧模型，揭示了孪晶与位错相互作用机理，掌握钛材冷加工变形规律，为宽幅冷轧带卷和极薄带高效轧制提供理论支撑。针对钢、钛物化特性及性能差异，开发钢钛共线“小压下量、低张力、低轧制速度”宽幅冷轧钛卷工艺技术；攻克钢铁产线冷轧钛带卷氧化色、麻点、色差等缺陷，实现0.3mm薄带材厚度精度±3μm、表面粗糙度≤0.5μm；实现厚度0.3-3mm、最宽1500mm多牌号冷轧钛卷批量生产。发明了高精度冷轧极薄带工艺技术，首次将轧辊激光毛化技术应用于极薄带制造，轧辊粗糙度0.1-3.0μm；开发控轧控温“双控”工艺，极薄带延伸率各向异性≤13%，攻克起筋、脱皮等缺陷，成材率达到90%以上；实现最薄0.1mm、最宽1000mm高品质极薄带稳定生产。

图4 基于钢-钛共线的钛及钛合金高精度冷轧带卷工艺及装备技术

4、创新了极端规格钛及钛合金板带材应用技术

创新了全海深海洋装备宽厚板卷制及焊接工艺技术，设计600-800℃大变形卷制成形工艺，实现20吨级无人潜航器筒体的精密成形；创新1-150mm跨厚度规格板材系列高效焊接工艺，直线度≤0.5-2mm/m,、焊接效率提高2-10倍。设计搭建了首套模拟深海环境原位拉伸试验平台、缩比体压力测试平台等多套重大科研装置，创新成套近深海服役工况下腐蚀、疲劳等典型性能评价方法；首创船舶海洋用钛合金面向厚板抗爆性的考核评价方法，揭示了10⁴/s超高应变速率下材料撕裂特征，建立了海洋耐压结构用钛合金及构建服役性能评价体系。开发了冷轧极薄带成形工艺和缺陷预测技术，研究了冷轧极薄带拉深成形机理，创新软模成形工艺技术应用于燃料电池双极板，实现了0.1mm厚度极薄带的精密成形和表面质量精确控制。

图5 极端规格钛及钛合金板带材应用技术

综上，项目组攻克了钢-钛共线短流程钛及钛合金熔炼、板带材制备及应用技术系列难题。其中，钛合金宽厚板一火次免锻直轧技术突破了传统制备工艺的“两次以上VAR熔炼+多火次锻造+多火次轧制”制备模式，制程和成本降低20%以上。项目成果已成功应用于航空航天、海洋工程、国防军工及民用工业等多个领域。

图6 典型应用

项目开发的系列板带材产品在工艺技术、力学性能等方面均优于国内外同行或超过传统工艺水平，其中4400mm超宽幅Ti6411钛合金厚板为国际首发。项目技术开发的钛板带材产品累计供货量达62185.54吨，占全国总供应量的22%，其中EB锭冷轧钛带材市场占有率达70%，焊接重大装备典型结构件1427个。2023至2025年，项目累计销售额50.5亿元，利润4.28亿元。申请发明专利94项（授权66项），授权实用新型15项，获批国家标准19项，软件著作权4项，发表论文139篇。为国家国防、重点工程及民用工业提供了关键材料保障，具有显著的经济和社会效益。

 信息来源：中国宝武特种冶金有限公司等