在航空航天領域，對材料的極致性能要求催生了鈦合金餅鍛件這一關鍵基礎毛坯。它并非最終零件，而是通過鍛造制成的盤狀或環狀鈦合金中間制品，是制造發動機盤、環等核心轉動與承力部件的“基石”。其質量直接決定了最終航空部件的性能上限與服役安全。
一、 定義與核心材質
定義
航空航天用鈦合金餅鍛件，特指為滿足航空航天極端服役環境要求，通過鍛造（熱鍛、軋制）工藝生產的盤狀（餅材）或環狀（環材）鈦合金中間坯料。它作為毛坯，需經過后續的精密加工（如數控銑削）才能成為可直接裝配的盤件、機匣等最終零件。其核心使命是以最優的冶金質量和組織狀態，為高性能航空部件提供材料基礎。
主要材質與牌號
航空航天領域根據部件工況（溫度、應力），選用截然不同的鈦合金體系：
| 類別 | 典型牌號 (示例) | 核心特性與設計目的 | 主要應用坯料方向 |
| 中溫高強鈦合金 | TC4 (Ti-6Al-4V)、TC11、TC19 | 綜合性能優良，在400-500℃以下具有高強度、良好韌性及抗疲勞性能，技術最成熟，用量最大。 | 航空發動機風扇/壓氣機前幾級盤、葉片、機身結構件坯料。 |
| 高溫鈦合金 | Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti-6242S)、TC9、TA24 | 側重500-600℃下的高強度、抗蠕變和組織穩定性，多為近α型合金。 | 發動機高壓壓氣機后級盤、鼓筒等高溫部位坯料。 |
| 鈦鋁系金屬間化合物 | Ti-23Al-17Nb | 密度更低，高溫比強度和抗氧化性能優異，使用溫度可達650-700℃，是減重增效的前沿材料。 | 新一代高性能航空發動機及航天飛行器高溫部件坯料。 |
| 高損傷容限型鈦合金 | TC4-DT、TC18 | 在保持較高強度的同時，具有優異的斷裂韌性和抗疲勞裂紋擴展能力，滿足現代飛機安全壽命設計。 | 關鍵承力結構件、對可靠性要求極高的盤件坯料。 |
二、 關鍵性能特點
航空航天對鈦合金餅坯的性能要求極端嚴苛，核心圍繞“高強韌”、“耐高溫”、“抗疲勞”和“超純凈”。
極高的力學性能與組織均勻性：
高強度與良好塑性匹配：餅坯需保證后續零件具備高抗拉/屈服強度，同時保有足夠的塑性以防脆斷。例如，TC4餅坯室溫抗拉強度要求不低于895 MPa。
卓越的疲勞與損傷容限性能：餅坯組織必須能保證最終零件在數億次循環載荷下具有高抗疲勞能力。研究表明，TC19合金鍛件的保載疲勞壽命顯著優于TC11。
極致的組織均勻性：這是最核心的要求。餅坯全截面（從心部到邊緣）必須具有細小、均勻的等軸或網籃組織。任何粗晶、β斑或組織不均都會成為性能短板和疲勞裂紋源，導致部件在高速旋轉中失效。
優異的高溫服役性能：
高溫強度與蠕變抗力：高溫合金餅坯需在600℃甚至更高溫度下，長時間保持高強度并抵抗緩慢的塑性變形（蠕變）。
熱穩定性：在長期高溫暴露后，組織與性能需保持穩定，不發生顯著退化。例如，Ti-23Al-17Nb合金餅材經650℃、100小時熱暴露后，性能變化很小。
超高的內在質量與可靠性：
超低缺陷水平：采用遠超普通工業標準的超聲波探傷進行100%檢測，嚴格內部冶金缺陷（如夾雜、孔洞）的尺寸和數量。
精確的化學成分與純凈度：嚴格控制氧、氮、氫等間隙元素含量，避免氫脆。鑄錠必須經過至少兩次真空自耗熔煉，確保高純凈度。
三、 主要執行標準
其生產與驗收遵循極為嚴格的標準體系，且航空航天標準遠高于通用標準。
國家基礎標準：《GB/T 16598 鈦及鈦合金餅和環》是通用產品標準，規定了尺寸、室溫力學性能等基礎要求。其前身為更早的《GBn 194-83》。
國際/行業專用標準：
AMS 4928等航空航天材料規范是實際應用更廣泛、要求更嚴苛的標準。
ASTM B381是鈦及鈦合金鍛件的美國材料試驗協會標準。
企業內控與技術協議：航空發動機制造商（如羅羅、GE、賽峰）及飛機主機廠的內部材料標準是最高準則，對組織均勻性、缺陷驗收級別（如雜波水平）、性能數據分散性等有定制化極限要求。
四、 加工工藝、關鍵技術及流程
高品質鈦合金餅坯的制造是“慎于始”的系統工程，其流程復雜、技術密集。下圖展示了從原料到合格餅坯的核心加工流程與關鍵決策點：
關鍵技術環節解析：
均質化熔煉技術：采用三次真空自耗電弧熔煉（VAR），確保合金成分均勻并去除低密度夾雜，是高純凈度的基礎。
“多向反復鐓拔”組織細化技術：這是獲得均勻組織的核心。如專利CN109622839B所述，通過數十個步驟、在相變點上下精確控溫，進行多火次、換向的鐓粗與拔長，累積巨大變形量，徹底破碎原始晶粒，獲得均勻細小的組織。研究也證實，對Ti-23Al-17Nb這類難變形合金，在（α?+B2）兩相區進行一火次大變形量鐓粗，比傳統多火次小變形自由鍛更能獲得均勻組織。
全過程精準溫控技術：鈦合金熱加工窗口窄。鍛造加熱溫度需精確控制在相變點以下特定范圍（如TC11在相變點下40-60℃），防止過熱導致晶粒粗大。
無損檢測與過程質量控制：超聲波探傷是必須的出廠檢驗，用于檢測內部毫米級甚至亞毫米級的缺陷。探傷標準從棒材的φ2.0mm平底孔提高到餅坯的φ0.8mm平底孔，要求極為嚴苛。
五、 具體應用領域
| 應用領域 | 典型部件 | 材料選擇與核心要求 |
| 航空發動機核心盤件坯料 | 風扇盤、壓氣機各級盤、渦輪盤（部分）。高速旋轉，承受巨大離心力、氣動載荷及溫度梯度。 | TC4、TC11、TC19及高溫合金。要求極高的旋轉疲勞強度、良好的斷裂韌性、組織均勻性。TC19在100-400℃的拉伸強度優于TC11。 |
| 發動機環形部件坯料 | 機匣、安裝環、封嚴環。作為發動機的承力骨架和氣流通道。 | TC4、TC4-DT、TA24。要求良好的環向性能均勻性、抗變形能力、焊接性。 |
| 航天裝備部件坯料 | 火箭發動機渦輪泵葉輪、導彈艙體/舵機結構件、衛星鏡筒。承受高過載、熱震及空間環境。 | 高強鈦合金、Ti-23Al-17Nb等輕質高溫合金。追求極致比強度、高剛度、在特定溫度下的短時高性能。 |
六、 與其他領域用鈦合金餅鍛件的對比
| 對比維度 | 航空航天領域 | 石油化工與海洋工程 | 生物醫學（植入體毛坯） | 船舶制造 | 體育休閑/高端消費品 |
| 核心性能追求 | 極端力學性能：最高級的強度、疲勞、韌性、高溫性能及可靠性。 | 極端耐腐蝕性：全面抵抗酸性、堿性、鹵化物介質腐蝕；足夠的承壓能力。 | 生物相容性與功能性：絕對無毒，彈性模量匹配骨骼，促進骨整合。 | 高強耐蝕：耐海水腐蝕，兼顧較高強度與韌性。 | 輕量化與美觀：高比強度，良好的表面處理性（如陽極氧化），成本可控。 |
| 典型材質 | TC4、TC11、高溫合金、Ti-Al金屬間化合物等高性能復雜合金。 | 工業純鈦（TA2）、TA9(Ti-0.2Pd)、TA10等耐蝕合金為主。 | TC4 ELI（超低間隙）、Ti-6Al-7Nb、純鈦。 | TC4、TC4 ELI、Ti75等。 | TC4、工業純鈦。 |
| 組織與缺陷控制 | 要求最高。必須全截面組織均勻細小，超聲波探傷標準最嚴苛（如φ0.8mm），近乎“零缺陷”。 | 要求高。更關注耐蝕均勻性，探傷標準側重影響耐蝕性的缺陷。 | 要求高。關注組織致密無缺陷，避免體內腐蝕和斷裂，對有害元素含量控制極嚴。 | 要求高。深海高壓環境對均勻性要求高，探傷標準嚴格。 | 要求中等。更關注宏觀力學性能和表面質量達標。 |
| 成本敏感度 | 較低。性能與安全絕對優先，為達成目標可不計成本。 | 中高。注重全生命周期經濟性，初始高成本需被長維護周期抵消。 | 中。植入體附加值高，但受醫療體系支付約束。 | 中高。成本是重要考量，但與安全性權衡。 | 很高。必須嚴格控制成本以進入消費市場。 |
| 認證體系 | 最嚴苛。需通過軍方或適航當局的漫長認證，供應鏈高度封閉。 | 嚴格。需符合壓力容器等行業設計規范與認證。 | 嚴格。需符合醫療器械注冊法規（如NMPA、FDA）。 | 嚴格。需滿足船級社（CCS、DNV等）認證。 | 常規。主要符合通用工業產品標準。 |
七、 未來發展新領域與方向
面向下一代空天裝備的材料極限突破：
更高溫度與更輕重量的材料：研發能在700℃及以上長期工作的新型鈦鋁系金屬間化合物及鈦基復合材料（如SiC纖維增強），滿足未來高推重比、超高音速發動機需求。
集成計算材料工程：利用大數據和模擬，加速高性能低成本新合金設計。例如，采用“素化設計”策略，僅用氧元素調控組織，開發不含昂貴合金元素的高性能鈦合金。
大規格、整體化坯料制造技術：
隨著飛機和發動機大型化，對超大直徑、超重鈦合金餅環坯的需求激增。需突破大噸位壓機工藝、防止大截面坯料心部組織粗化的控性技術。
增材制造（3D打印）與鍛造的復合制造：對于帶有復雜異形結構或功能梯度要求的部件，探索“3D打印近凈成形坯料+鍛造改性”的 hybrid 工藝，兼顧復雜形狀與鍛造組織的高性能。
全流程數字化與智能化制造：
建立從熔煉、鍛造到熱處理的“工藝參數-組織演變-性能結果”數字孿生模型，實現產品質量的精準預測與主動控制，提升大規格餅坯組織性能的均勻性和批次穩定性。
總而言之，航空航天用鈦合金餅鍛件的發展，是材料科學與極端制造工藝持續挑戰極限的縮影。其未來將緊密圍繞“更高、更強、更輕、更智”的方向，不僅支撐現有航空裝備的升級，更將為未來空天探索提供不可或缺的材料基石。
