在航空航天领域，对材料的极致性能要求催生了钛合金饼锻件这一关键基础毛坯。它并非最终零件，而是通过锻造制成的盘状或环状钛合金中间制品，是制造发动机盘、环等核心转动与承力部件的“基石”。其质量直接决定了最终航空部件的性能上限与服役安全。
一、 定义与核心材质
定义
航空航天用钛合金饼锻件，特指为满足航空航天极端服役环境要求，通过锻造（热锻、轧制）工艺生产的盘状（饼材）或环状（环材）钛合金中间坯料。它作为毛坯，需经过后续的精密加工（如数控铣削）才能成为可直接装配的盘件、机匣等最终零件。其核心使命是以最优的冶金质量和组织状态，为高性能航空部件提供材料基础。
主要材质与牌号
航空航天领域根据部件工况（温度、应力），选用截然不同的钛合金体系：
| 类别 | 典型牌号 (示例) | 核心特性与设计目的 | 主要应用坯料方向 |
| 中温高强钛合金 | TC4 (Ti-6Al-4V)、TC11、TC19 | 综合性能优良，在400-500℃以下具有高强度、良好韧性及抗疲劳性能，技术最成熟，用量最大。 | 航空发动机风扇/压气机前几级盘、叶片、机身结构件坯料。 |
| 高温钛合金 | Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti-6242S)、TC9、TA24 | 侧重500-600℃下的高强度、抗蠕变和组织稳定性，多为近α型合金。 | 发动机高压压气机后级盘、鼓筒等高温部位坯料。 |
| 钛铝系金属间化合物 | Ti-23Al-17Nb | 密度更低，高温比强度和抗氧化性能优异，使用温度可达650-700℃，是减重增效的前沿材料。 | 新一代高性能航空发动机及航天飞行器高温部件坯料。 |
| 高损伤容限型钛合金 | TC4-DT、TC18 | 在保持较高强度的同时，具有优异的断裂韧性和抗疲劳裂纹扩展能力，满足现代飞机安全寿命设计。 | 关键承力结构件、对可靠性要求极高的盘件坯料。 |
二、 关键性能特点
航空航天对钛合金饼坯的性能要求极端严苛，核心围绕“高强韧”、“耐高温”、“抗疲劳”和“超纯净”。
极高的力学性能与组织均匀性：
高强度与良好塑性匹配：饼坯需保证后续零件具备高抗拉/屈服强度，同时保有足够的塑性以防脆断。例如，TC4饼坯室温抗拉强度要求不低于895 MPa。
卓越的疲劳与损伤容限性能：饼坯组织必须能保证最终零件在数亿次循环载荷下具有高抗疲劳能力。研究表明，TC19合金锻件的保载疲劳寿命显著优于TC11。
极致的组织均匀性：这是最核心的要求。饼坯全截面（从心部到边缘）必须具有细小、均匀的等轴或网篮组织。任何粗晶、β斑或组织不均都会成为性能短板和疲劳裂纹源，导致部件在高速旋转中失效。
优异的高温服役性能：
高温强度与蠕变抗力：高温合金饼坯需在600℃甚至更高温度下，长时间保持高强度并抵抗缓慢的塑性变形（蠕变）。
热稳定性：在长期高温暴露后，组织与性能需保持稳定，不发生显著退化。例如，Ti-23Al-17Nb合金饼材经650℃、100小时热暴露后，性能变化很小。
超高的内在质量与可靠性：
超低缺陷水平：采用远超普通工业标准的超声波探伤进行100%检测，严格内部冶金缺陷（如夹杂、孔洞）的尺寸和数量。
精确的化学成分与纯净度：严格控制氧、氮、氢等间隙元素含量，避免氢脆。铸锭必须经过至少两次真空自耗熔炼，确保高纯净度。
三、 主要执行标准
其生产与验收遵循极为严格的标准体系，且航空航天标准远高于通用标准。
国家基础标准：《GB/T 16598 钛及钛合金饼和环》是通用产品标准，规定了尺寸、室温力学性能等基础要求。其前身为更早的《GBn 194-83》。
国际/行业专用标准：
AMS 4928等航空航天材料规范是实际应用更广泛、要求更严苛的标准。
ASTM B381是钛及钛合金锻件的美国材料试验协会标准。
企业内控与技术协议：航空发动机制造商（如罗罗、GE、赛峰）及飞机主机厂的内部材料标准是最高准则，对组织均匀性、缺陷验收级别（如杂波水平）、性能数据分散性等有定制化极限要求。
四、 加工工艺、关键技术及流程
高品质钛合金饼坯的制造是“慎于始”的系统工程，其流程复杂、技术密集。下图展示了从原料到合格饼坯的核心加工流程与关键决策点：
关键技术环节解析：
均质化熔炼技术：采用三次真空自耗电弧熔炼（VAR），确保合金成分均匀并去除低密度夹杂，是高纯净度的基础。
“多向反复镦拔”组织细化技术：这是获得均匀组织的核心。如专利CN109622839B所述，通过数十个步骤、在相变点上下精确控温，进行多火次、换向的镦粗与拔长，累积巨大变形量，彻底破碎原始晶粒，获得均匀细小的组织。研究也证实，对Ti-23Al-17Nb这类难变形合金，在（α₂+B2）两相区进行一火次大变形量镦粗，比传统多火次小变形自由锻更能获得均匀组织。
全过程精准温控技术：钛合金热加工窗口窄。锻造加热温度需精确控制在相变点以下特定范围（如TC11在相变点下40-60℃），防止过热导致晶粒粗大。
无损检测与过程质量控制：超声波探伤是必须的出厂检验，用于检测内部毫米级甚至亚毫米级的缺陷。探伤标准从棒材的φ2.0mm平底孔提高到饼坯的φ0.8mm平底孔，要求极为严苛。
五、 具体应用领域
| 应用领域 | 典型部件 | 材料选择与核心要求 |
| 航空发动机核心盘件坯料 | 风扇盘、压气机各级盘、涡轮盘（部分）。高速旋转，承受巨大离心力、气动载荷及温度梯度。 | TC4、TC11、TC19及高温合金。要求极高的旋转疲劳强度、良好的断裂韧性、组织均匀性。TC19在100-400℃的拉伸强度优于TC11。 |
| 发动机环形部件坯料 | 机匣、安装环、封严环。作为发动机的承力骨架和气流通道。 | TC4、TC4-DT、TA24。要求良好的环向性能均匀性、抗变形能力、焊接性。 |
| 航天装备部件坯料 | 火箭发动机涡轮泵叶轮、导弹舱体/舵机结构件、卫星镜筒。承受高过载、热震及空间环境。 | 高强钛合金、Ti-23Al-17Nb等轻质高温合金。追求极致比强度、高刚度、在特定温度下的短时高性能。 |
六、 与其他领域用钛合金饼锻件的对比
| 对比维度 | 航空航天领域 | 石油化工与海洋工程 | 生物医学（植入体毛坯） | 船舶制造 | 体育休闲/高端消费品 |
| 核心性能追求 | 极端力学性能：最高级的强度、疲劳、韧性、高温性能及可靠性。 | 极端耐腐蚀性：全面抵抗酸性、碱性、卤化物介质腐蚀；足够的承压能力。 | 生物相容性与功能性：绝对无毒，弹性模量匹配骨骼，促进骨整合。 | 高强耐蚀：耐海水腐蚀，兼顾较高强度与韧性。 | 轻量化与美观：高比强度，良好的表面处理性（如阳极氧化），成本可控。 |
| 典型材质 | TC4、TC11、高温合金、Ti-Al金属间化合物等高性能复杂合金。 | 工业纯钛（TA2）、TA9(Ti-0.2Pd)、TA10等耐蚀合金为主。 | TC4 ELI（超低间隙）、Ti-6Al-7Nb、纯钛。 | TC4、TC4 ELI、Ti75等。 | TC4、工业纯钛。 |
| 组织与缺陷控制 | 要求最高。必须全截面组织均匀细小，超声波探伤标准最严苛（如φ0.8mm），近乎“零缺陷”。 | 要求高。更关注耐蚀均匀性，探伤标准侧重影响耐蚀性的缺陷。 | 要求高。关注组织致密无缺陷，避免体内腐蚀和断裂，对有害元素含量控制极严。 | 要求高。深海高压环境对均匀性要求高，探伤标准严格。 | 要求中等。更关注宏观力学性能和表面质量达标。 |
| 成本敏感度 | 较低。性能与安全绝对优先，为达成目标可不计成本。 | 中高。注重全生命周期经济性，初始高成本需被长维护周期抵消。 | 中。植入体附加值高，但受医疗体系支付约束。 | 中高。成本是重要考量，但与安全性权衡。 | 很高。必须严格控制成本以进入消费市场。 |
| 认证体系 | 最严苛。需通过军方或适航当局的漫长认证，供应链高度封闭。 | 严格。需符合压力容器等行业设计规范与认证。 | 严格。需符合医疗器械注册法规（如NMPA、FDA）。 | 严格。需满足船级社（CCS、DNV等）认证。 | 常规。主要符合通用工业产品标准。 |
七、 未来发展新领域与方向
面向下一代空天装备的材料极限突破：
更高温度与更轻重量的材料：研发能在700℃及以上长期工作的新型钛铝系金属间化合物及钛基复合材料（如SiC纤维增强），满足未来高推重比、超高音速发动机需求。
集成计算材料工程：利用大数据和模拟，加速高性能低成本新合金设计。例如，采用“素化设计”策略，仅用氧元素调控组织，开发不含昂贵合金元素的高性能钛合金。
大规格、整体化坯料制造技术：
随着飞机和发动机大型化，对超大直径、超重钛合金饼环坯的需求激增。需突破大吨位压机工艺、防止大截面坯料心部组织粗化的控性技术。
增材制造（3D打印）与锻造的复合制造：对于带有复杂异形结构或功能梯度要求的部件，探索“3D打印近净成形坯料+锻造改性”的 hybrid 工艺，兼顾复杂形状与锻造组织的高性能。
全流程数字化与智能化制造：
建立从熔炼、锻造到热处理的“工艺参数-组织演变-性能结果”数字孪生模型，实现产品质量的精准预测与主动控制，提升大规格饼坯组织性能的均匀性和批次稳定性。
总而言之，航空航天用钛合金饼锻件的发展，是材料科学与极端制造工艺持续挑战极限的缩影。其未来将紧密围绕“更高、更强、更轻、更智”的方向，不仅支撑现有航空装备的升级，更将为未来空天探索提供不可或缺的材料基石。
