在追求高精度、長(zhǎng)壽命和高效生產(chǎn)的現(xiàn)代模具工業(yè)中，材料的選擇至關(guān)重要。鈦合金餅鍛件作為一類(lèi)新興的模具坯料，正憑借其獨(dú)特的綜合性能，在高端模具制造領(lǐng)域嶄露頭角。它專(zhuān)指通過(guò)鍛造工藝制成的、用于后續(xù)加工成各類(lèi)模具核心部件的盤(pán)狀或塊狀鈦合金毛坯。相較于傳統(tǒng)模具鋼，鈦合金模具并非追求極致的硬度和耐磨性，而是在特定應(yīng)用場(chǎng)景下，以優(yōu)異的耐腐蝕性、高比強(qiáng)度、低熱膨脹系數(shù)和良好的熱穩(wěn)定性，解決傳統(tǒng)材料面臨的難題，實(shí)現(xiàn)模具性能的躍升。
一、 定義與核心材質(zhì)
定義：
模具制造用鈦合金餅鍛件，是指采用鍛造（包括自由鍛、模鍛）工藝生產(chǎn)的，主要用于制造塑膠模具、壓鑄模具及精密工裝夾具等核心工作部件的鈦合金盤(pán)狀或塊狀中間坯料。其本質(zhì)是為高性能模具提供具有優(yōu)異冶金質(zhì)量和特定物理化學(xué)性能的“材料基石”，需經(jīng)后續(xù)的精密機(jī)加工、熱處理及表面處理，才能成為最終的可服役模具。
核心材質(zhì)與牌號(hào)：
模具領(lǐng)域?qū)︹伜辖鸬倪x擇，側(cè)重于其在工作環(huán)境下的化學(xué)穩(wěn)定性、適中的力學(xué)性能及良好的可加工性，而非追求航空級(jí)的極限強(qiáng)度。
| 類(lèi)別 | 典型牌號(hào) (國(guó)標(biāo)/美標(biāo)) | 核心特性與選材目的 | 主要模具應(yīng)用方向 |
| 工業(yè)純鈦 | TA1, TA2 (Gr1, Gr2) | 塑性、成型性、焊接性極佳，在氧化性介質(zhì)及多種化工環(huán)境中耐腐蝕性優(yōu)異，導(dǎo)熱性相對(duì)較好。成本在鈦材中相對(duì)較低。 | 塑膠模具（尤其適用于腐蝕性塑料，如PVC、含鹵阻燃材料）、精密測(cè)量夾具、對(duì)潔凈度要求高的食品醫(yī)藥包裝模具鑲件。 |
| 耐蝕鈦合金 | TA9 (Ti-0.2Pd / Gr7), TA10 (Ti-0.3Mo-0.8Ni / Gr12) | 通過(guò)添加鈀、鉬、鎳等元素，顯著提升在還原性酸、氯化物環(huán)境中的耐腐蝕性，特別是抗縫隙腐蝕能力。 | 強(qiáng)腐蝕性化工原料成型模具、電鍍?cè)O(shè)備工裝、特種壓鑄模具的流道部件。 |
| 中高強(qiáng)度α+β鈦合金 | TC4 (Ti-6Al-4V / Gr5) | 綜合性能最優(yōu)的代表，兼具良好的強(qiáng)度、韌性、耐蝕性和一定的耐熱性。是兼顧結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與耐腐蝕需求的通用選擇。 | 大型或復(fù)雜結(jié)構(gòu)塑膠模具的模架、型腔鑲塊；鋁合金壓鑄模具的型芯、耐磨鑲件；高負(fù)載工裝夾具本體。 |
二、 關(guān)鍵性能特點(diǎn)
模具用鈦合金餅坯的性能核心，聚焦于保障模具在特定工況下的尺寸穩(wěn)定性、化學(xué)惰性和長(zhǎng)期服役可靠性。
卓越的耐腐蝕與防粘附性：這是鈦合金應(yīng)用于模具，尤其是塑膠和化工模具的最突出優(yōu)勢(shì)。其對(duì)氯化物、多種有機(jī)酸及塑料分解產(chǎn)生的腐蝕性氣體具有極強(qiáng)抵抗力，能從根本上避免模具生銹、腐蝕點(diǎn)蝕，同時(shí)表面不易與熔融塑料粘附，減少脫模劑使用，提升制品表面質(zhì)量并降低維護(hù)頻率。
優(yōu)異的熱物理性能匹配：
較低的熱膨脹系數(shù)：鈦合金的熱膨脹系數(shù)與許多工程塑料和部分鑄造合金更接近，有助于在溫度循環(huán)中保持模具精度，減少因熱不匹配造成的制品應(yīng)力痕和飛邊。
良好的導(dǎo)熱性：其導(dǎo)熱性雖不及銅合金，但優(yōu)于模具鋼，配合其耐腐蝕性，非常適合制作隨形冷卻水路鑲件，能實(shí)現(xiàn)更高效均勻的模具溫度控制，縮短注塑周期并提升產(chǎn)品質(zhì)量。
高比強(qiáng)度與適中的耐磨性：
在同等強(qiáng)度下，鈦合金模具可實(shí)現(xiàn)大幅輕量化，利于大型模具的搬運(yùn)、安裝和高速運(yùn)動(dòng)。
其本體硬度雖不及淬火模具鋼，但通過(guò)表面氮化、PVD涂層等處理，可大幅提升表面硬度和耐磨性，滿足大多數(shù)塑膠成型和低壓壓鑄的需求。
良好的鑄造與機(jī)加工性能：鈦合金可以進(jìn)行熔模精密鑄造，直接獲得復(fù)雜形狀的模具型腔毛坯。其機(jī)加工性能尚可，尤其是退火態(tài)的純鈦和TC4，通過(guò)合適的刀具和切削參數(shù)可獲得良好表面光潔度，為后續(xù)拋光至鏡面（對(duì)于高光塑膠模具至關(guān)重要）奠定了基礎(chǔ)。
三、 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)
模具用鈦合金餅的生產(chǎn)與驗(yàn)收，通常遵循通用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并融合模具行業(yè)的特定質(zhì)量協(xié)議。
國(guó)家核心標(biāo)準(zhǔn)：《GB/T 16598 鈦及鈦合金餅和環(huán)》 是最基礎(chǔ)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了餅材的化學(xué)成分、尺寸偏差、室溫力學(xué)性能及超聲波探傷等通用要求。其前身為GBn 194-83。
通用材料標(biāo)準(zhǔn)：常參考《GB/T 2965 鈦及鈦合金棒材》及《GB/T 13810 外科植入物用鈦及鈦合金加工材》（因其對(duì)純凈度要求高）等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)參考：出口或高端模具項(xiàng)目可能要求符合ASTM B381（鈦及鈦合金鍛件）、AMS 4928等美標(biāo)體系。
企業(yè)技術(shù)協(xié)議：模具制造商或終端用戶會(huì)根據(jù)模具的具體工況（如接觸的介質(zhì)、壓力、溫度、壽命要求），對(duì)餅坯的雜質(zhì)含量（特別是鐵、氧）、高低倍組織均勻性、超聲波探傷等級(jí)等提出定制化要求，這些往往是實(shí)際生產(chǎn)中的最高準(zhǔn)則。
四、 加工工藝、關(guān)鍵技術(shù)及流程
高品質(zhì)模具用鈦合金餅坯的制備，核心在于獲得均勻致密的組織和滿足尺寸要求的坯料。其核心流程與關(guān)鍵技術(shù)可歸納如下：
關(guān)鍵環(huán)節(jié)解析：
組織均勻性調(diào)控技術(shù)：通過(guò)多向反復(fù)鐓拔鍛造，在（α+β）兩相區(qū)進(jìn)行大變形量的換向鍛造，徹底破碎原始晶粒，獲得細(xì)小均勻的雙態(tài)或等軸組織。這是保證模具材料各向同性、熱處理后性能穩(wěn)定一致的核心。
全過(guò)程潔凈與防污染控制：鈦在高溫下易與氧、氮、氫反應(yīng)。熔煉需在真空或惰性氣氛下進(jìn)行，鍛造加熱應(yīng)采用電爐并嚴(yán)格控制爐氣，機(jī)加工時(shí)需使用專(zhuān)用冷卻液，防止間隙元素污染導(dǎo)致材料脆化。
近凈成形與等溫模鍛：對(duì)于形狀復(fù)雜的模具鑲件坯料，采用等溫精密模鍛技術(shù)，在模具和坯料溫度一致的條件下慢速成型，可以極大減少加工余量，實(shí)現(xiàn)近凈成形，顯著提高材料利用率并降低后續(xù)機(jī)加工成本。
數(shù)字化工藝控制：利用數(shù)值模擬軟件，對(duì)鍛造過(guò)程的溫度場(chǎng)、流變場(chǎng)、組織演變進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，優(yōu)化工藝參數(shù)，確保大規(guī)格餅坯心部與表層的組織性能均勻性。
五、 具體應(yīng)用領(lǐng)域
| 應(yīng)用領(lǐng)域 | 典型部件與工況 | 材料選擇與核心優(yōu)勢(shì) |
| 塑膠模具坯料 | 型腔、型芯、流道系統(tǒng)、排氣鑲件。接觸各類(lèi)工程塑料，可能產(chǎn)生腐蝕性氣體；要求高拋光性、高效冷卻。 | TA2, TC4。優(yōu)勢(shì)：根本性防腐蝕，延長(zhǎng)模具壽命；優(yōu)異的拋光性可達(dá)鏡面；可制作復(fù)雜隨形冷卻水路，提升冷卻效率20%以上；輕量化。 |
| 壓鑄模具坯料 | 鋁合金壓鑄模的型芯、沖頭、分流錐。承受熔融鋁液（600-700℃）的高速?zèng)_刷和熱疲勞。 | TC4及表面改性。優(yōu)勢(shì)：對(duì)鋁液親和力低，抗熔損性能優(yōu)于多數(shù)模具鋼；耐熱疲勞性好；熱導(dǎo)率適中，有助于平衡模具熱場(chǎng)。 |
| 精密工裝夾具坯料 | 半導(dǎo)體/醫(yī)療設(shè)備夾具、檢測(cè)治具基座、高精度機(jī)械臂末端執(zhí)行器。要求無(wú)磁、高剛性、尺寸穩(wěn)定、耐潔凈室環(huán)境。 | TA1, TA2, TC4。優(yōu)勢(shì)：完全無(wú)磁性，不影響精密測(cè)量；高比強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)輕量化與高剛性；優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，耐擦拭消毒。 |
六、 與其他領(lǐng)域用鈦鍛件的對(duì)比
| 對(duì)比維度 | 模具制造領(lǐng)域 | 航空航天領(lǐng)域 | 生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域 | 石油化工/海洋工程 |
| 核心性能追求 | 特定介質(zhì)耐腐蝕性、尺寸穩(wěn)定性、熱物理性能匹配、可拋光性。 | 極限比強(qiáng)度、高溫蠕變強(qiáng)度、疲勞與損傷容限性能。 | 絕對(duì)生物相容性、無(wú)毒性、低彈性模量（匹配骨骼）、骨整合能力。 | 全面耐腐蝕性（抗點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕）、高承壓能力、長(zhǎng)期可靠性。 |
| 典型材質(zhì) | TA2, TC4, TA9/TA10。側(cè)重性價(jià)比和工藝性。 | TC4, TC11, TA15, Ti-Al金屬間化合物等高強(qiáng)、高溫、高韌合金。 | TC4 ELI（超低間隙）， Ti-6Al-7Nb， 純鈦，嚴(yán)格控制有害元素。 | TA2, TA9（Ti-0.2Pd）， TA10等耐蝕合金為主。 |
| 組織與缺陷控制重點(diǎn) | 要求高。側(cè)重組織均勻性以保證熱處理和拋光性能；探傷標(biāo)準(zhǔn)以防止影響模具壽命的宏觀缺陷為主。 | 要求最高。追求極致的組織均勻性與超低缺陷密度，探傷標(biāo)準(zhǔn)最為嚴(yán)苛（如φ0.8mm平底孔），關(guān)乎飛行安全。 | 要求極高。關(guān)注組織致密無(wú)缺陷，杜絕體內(nèi)腐蝕和斷裂風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)雜質(zhì)元素（如V、Al）溶出有嚴(yán)控。 | 要求高。注重耐蝕均勻性，探傷標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重穿透性缺陷和影響耐蝕層的夾雜。 |
| 成本敏感度 | 高。需與高性能模具鋼（如H13、S136）、鋁合金等材料直接競(jìng)爭(zhēng)，全生命周期成本（耐腐蝕帶來(lái)的維護(hù)減少）是關(guān)鍵考量。 | 較低。性能與安全絕對(duì)優(yōu)先，為減重和可靠性可承受高成本。 | 中。產(chǎn)品附加值高，但受醫(yī)療認(rèn)證體系和支付約束。 | 中高。在保證長(zhǎng)周期安全運(yùn)行的前提下，評(píng)估初始投資與維護(hù)成本的經(jīng)濟(jì)性。 |
| 表面處理側(cè)重 | 功能性表面改性：氮化、PVD鍍層（提升耐磨性）；鏡面拋光；防粘附涂層。 | 特種功能涂層：熱障涂層、耐磨涂層、防冰涂層。 | 生物活性表面：羥基磷灰石涂層、微孔化處理以促骨整合。 | 耐蝕強(qiáng)化：陽(yáng)極氧化、鈍化處理、耐沖刷涂層。 |
七、 未來(lái)發(fā)展新領(lǐng)域與方向
面向新材料與特種工藝的模具解決方案：
碳纖維復(fù)合材料（CFRP）成型模具：利用鈦合金與碳纖維相近的熱膨脹系數(shù)，開(kāi)發(fā)用于航空航天、汽車(chē)領(lǐng)域CFRP構(gòu)件熱壓罐成型或RTM成型的大型、高精度鈦合金模具，解決因熱失配導(dǎo)致的構(gòu)件變形問(wèn)題。
光學(xué)級(jí)與特種塑料模具：隨著光學(xué)透鏡、導(dǎo)光板及生物可降解塑料制品精度要求提升，鈦合金極佳的拋光性和耐腐蝕性將成為制造超精密、長(zhǎng)壽命鏡面模具的首選材料。
增材制造（3D打印）與隨形冷卻技術(shù)的深度融合：
利用激光粉末床熔融（SLM）等金屬3D打印技術(shù)，直接制造具有極其復(fù)雜、高效隨形冷卻流道的鈦合金模具鑲件。這將徹底釋放鈦合金導(dǎo)熱與耐腐蝕的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)冷卻效率的顛覆性提升，并推動(dòng)模具設(shè)計(jì)走向功能集成化。
開(kāi)發(fā)適用于模具工況的新型高強(qiáng)韌、高導(dǎo)熱鈦合金粉末材料，如研究中的TC52A等合金，以滿足增材制造模具對(duì)性能的更高要求。
綠色、智能化與低成本制造：
綠色制造與循環(huán)經(jīng)濟(jì)：完善鈦合金廢料（廢舊模具、加工碎屑）的高效回收與再生技術(shù)，降低高端模具的材料成本，符合可持續(xù)發(fā)展趨勢(shì)。
低成本鈦合金開(kāi)發(fā)：研發(fā)適用于模具行業(yè)的低貴金屬含量、高性能鈦合金，或通過(guò)粉末冶金等短流程工藝制備近凈成形坯料，進(jìn)一步降低應(yīng)用門(mén)檻。
模具智能運(yùn)維：結(jié)合鈦合金材料的特性，在模具中集成傳感器，監(jiān)控溫度、壓力、腐蝕狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)，最大化其長(zhǎng)壽命、低維護(hù)的優(yōu)勢(shì)。
總而言之，模具制造用鈦合金餅鍛件的發(fā)展，標(biāo)志著模具材料從“通用耐磨”向“功能適配”的深刻轉(zhuǎn)變。其未來(lái)將緊密?chē)@ “功能集成化、制造智能化、應(yīng)用精準(zhǔn)化” 的方向，不僅為現(xiàn)有高端模具提供卓越的解決方案，更將作為使能材料，推動(dòng)新興制造工藝的發(fā)展和產(chǎn)品品質(zhì)的飛躍。
