重量是影響兵器裝備實現戰場快速反應能力的主要因素之一，現代高技術戰爭對兵器裝備的重量指標提出了極為苛刻的要求。發達國家無一不投入巨資，研究輕質材料以及與之配套的先進制造技術，以期減輕兵器裝備重量，提高兵器裝備的機動性，增加攜彈量和野戰輔助系統用量，提高兵器裝備及士兵戰場生存和作戰能力。
　　鈦合金作為一種重要的實用結構材料，具有比強度高、抗腐蝕性能優良和低溫抗沖擊韌度好等特點，利用其取代傳統的鋼和鋁合金，可以在保證武器裝備性能的同時，大大減輕武器裝備的重量。但鈦的導電性、導熱性、耐磨性的差，存在高溫氧化、吸氫、接觸腐蝕、微震磨蝕破壞、高硬度等問題，這給鈦合金的應用帶來一定難度。此外，鈦合金的高成本也限制了鈦合金在兵器裝備上的大量使用。因此，如何降低鈦合金構件的制造成本、提高鈦合金構件制造效率成為各國軍方和武器裝備供應商重點關注和研究的問題。國外制定了多個鈦合金低成本發展計劃，并進行相應技術研發工作，已經開發出適用于鈦合金構件的若干低成本制造工藝，如熔模鑄造、旋壓成形、快速成形、先進焊接等，促使鈦合金在兵器裝備中得到越來越多的應用，對于減輕裝備重量、提高裝備性能發揮了重要作用。
　　1鈦合金精密成形技術
　　為降低鈦合金構件制造成本，能夠實現凈成形或近凈成形的精密成形技術成為各國研究熱點，其中熔模鑄造、沖壓石墨型鑄造、精密鍛造、快速成形等技術研究應用較多。
　　1.1精密鑄造技術
　　（1）熔模鑄造
　　熔模鑄造是目前國外軍工領域應用較多的一種精密成形技術。熔模鑄造，又稱失蠟鑄造，是在可熔性蠟模的表面重復涂掛上多層耐火涂料，并經過撒砂、干燥和硬化后，再采用有機溶劑、熱水、蒸汽等加熱手段將其中的蠟料去除而獲得整體空腔的型殼，然后進行高溫焙燒、澆注而獲得零件的一種鑄造方法。該技術的優點是加工精度高、表面粗糙度值低、加工余量小（甚至可實現無余量鑄造）、可獲得形狀復雜的薄壁鑄件。


　　美國M777155mm輕型牽引榴彈炮是首個正式引入鈦合金熔模鑄造的陸基武器系統，也是成功應用鈦合金熔模鑄造技術的典型例證。采用熔模鑄造技術后，M777鈦合金結構件的細小零件數目從原來的973個減少到419個；需要焊接的部位從2458處減少到483處，焊縫長度縮短了77%，大大減輕了結構變形，比傳統制造時間縮短了25%～50%。M777采用熔模鑄造獲得顯著效益的典型部件有駐鋤、鞍形支架、牽引架等。其中，駐鋤最先由120個零件焊接而成，通過熔模鑄造實現了整體鑄造成形；鞍型支架由最初的116個零件焊接而成，通過熔模鑄造實現了整體鑄造成形，如圖1所示。在M777項目中的一系列測試表明，熔模鑄造鈦合金部件的機械性能已經接近或達到鍛件的水平，耐久性測試和炮射試驗都表明鈦合金熔模鑄造結構件在嚴酷戰場環境下具有良好的可靠性。美國陸軍武器研發與工程中心與CTC公司、通用動力地面系統分部等開展合作，重新設計了斯特賴克機動火炮系統的炮艙（gunpod），將原先由40個鋼制零件焊接而成的炮艙，變為2個鈦合金熔模鑄造件焊接而成的焊接件，長度為60in（1.524m），如圖2所示。改進設計及采用熔模鑄造工藝使得炮艙零件數量顯著減少，重量從486lb（220kg）降低到350lb（159kg），重量減輕了28%。
　　（2）沖壓石墨型鑄造
　　鈦合金沖壓石墨型鑄造
　　（rammedgraphitecastings）也已經成為替代軍用鈦合金板材和零部件傳統制造方法的可行工藝。采用鈦合金沖壓石墨型鑄造近凈成形軍用零部件，能夠消除不必要的廢料，無需多余尺寸的機加工，且具有優良的抗腐蝕性能力，良好的結構完整性和強度，與鍛造鈦合金相似。與熔模鑄造需要的工具相比，沖壓石墨型鑄造的鑄模成本較低，尤其適合于大型鑄件。鈦合金沖壓石墨型鑄造可以采用木頭或金屬制得的標準單體鑄模或模板鑄模。一般來說，用于砂型鑄造的鑄模設備在進行改造后（加澆口、冒口），就可以用于鈦合金沖壓石墨型鑄造。鈦合金沖壓石墨型鑄件已經用于諸多軍用裝備，如魚雷彈射泵、大型海水泵，以及各種尺寸的球閥、閘閥和蝴蝶閥等軍用零部件都采用沖壓石墨型鑄造工藝，如圖3所示。
　　1.2鈦合金精密塑性成形技術
　　等溫鍛造是將模具和坯料都加熱到坯料的最佳鍛造溫度，使坯料以低應變速率進行變形的一種鍛造方法，可以顯著改善坯料

　　的塑性和流動能力，降低變形抗力。由于模具處于高溫狀態，金屬流動充填好，適合于鈦合金盤類、梁類、框類等薄壁高筋構件成形。采用等溫鍛造工藝能夠生產出鍛后不需機加工的凈形鍛件，或僅需少量次加工的近凈形鍛件。鈦合金等溫鍛造技術在國外槍、炮武器中已有多項成功應用。如美國采用等溫鍛造鈦合金火炮炮口制退器、機槍支架體等。
　　旋壓成形是一種無切屑的冷成形工藝，適用于無縫、薄壁、筒形件的近凈成形或凈成形，是火炮身管、藥筒、藥型罩、導彈發動機殼體等筒形件成形的重要技術手段。采用旋壓工藝成形精確口徑的、同心軸壁厚的圓柱形零部件，能夠提高材料的強度，消除或大幅減少二次成形加工，節省材料，將制造成本降至最低，且尺寸精度比熱成形工藝好。美國國家先進金屬加工技術中心采用旋壓工藝生產M777輕型榴彈炮的搖架鈦合金管件（直徑為14.2cm，長度為183cm），降低了工藝成本，減少了材料浪費。
　　超塑成形/擴散焊接（SPF/DB）技術在減輕鈦合金結構件重量、降低成本方面也具有顯著的優點，該技術克服了鈦合金冷加工工藝性差、成形困難等缺點，能夠成形出形狀復雜的鈦合金整體結構件，大幅節約材料，減少組裝部件，降低批生產成本，并且提高構件的使用壽命和整體性能。與鉚接和焊接比較，可使成本降低40%～60%，重量減輕30%～50%。美國休斯公司、BAE系統公司等在超塑成形技術研究和應用方面居世界前列。目前鈦合金超塑成形工藝已廣泛用于導彈外殼、推進劑儲箱、整流罩等，以及車輛車架、外殼、曲柄軸和連桿等的制造。
　　1.3鈦合金快速成形技術
　　金屬零部件快速成形技術能有效縮短產品開發周期，節約大量加工成本，近幾年發展迅速，由于其能良好的生產和維修高強度金屬制件，因而成為國防領域最具價值的技術之一。其中發展最快的是鈦合金快速成形，在導彈等武器裝備結構件成形中均有成功應用。
　　美國Texas大學針對單一金屬粉末激光燒結進行研究，成功制造了用于AIM9導彈的Ti-6Al-4V金屬零件，生產效率比傳統的鈦合金加工工藝提高了80%。通用電氣公司在發動機制造中采用激光快速成形技術加工1.22m長鈦合金零件，使每臺發動機節省成本2.5萬美元。美國材料與電化學研究（MER）公司與軍方合作，研究采用等離子轉移弧成形技術實現鈦裝甲、火炮身管以及其他結構件的制造，具體工藝流程如圖4所示。
　　工業界在鈦合金快速成形技術和設備的研發方面也進行了諸多嘗試，一些研究成果獲得了軍方的認可。ArcamAb公司研制了擁有專利權的電子束熔融（EBM）系統，并在EBM系統的基礎上開發了鈦合金電子束熔融工藝，將Ti-6Al-4V粉末加熱到2400°F（1315.6℃），使鈦合金粉末熔融后制成致密的零件，在NASA、波音幻影工作室等獲得成功應用。Solidica與克萊姆森大學合作開發下一代快速原型和模具，擴展3D金屬制造技術的應用，與陸軍合作針對同時具備增材制造與材料去除能力的混合加工系統--超聲波固化系統進行應用開發。

　　通過超聲波固化固態粘結系統，Solidica公司已經制造出將具有無線射頻識別（RFID）功能的傳感器嵌入其中的鈦合金零件。
　　2鈦合金先進焊接技術
　　焊接技術是目前大部分大型鈦合金零部件和復雜形狀異形件的重要成形工藝之一。隨著鈦合金在兵器裝備中的應用越來越廣泛，鈦合金零件的焊接技術也越來越重要。以鈦合金為代表的輕合金焊接技術受到美國陸軍高度重視，專門啟動“先進焊接技術部署計劃”，研究先進焊接技術在鈦合金等輕質材料中的應用，并對現有焊接工藝進行改進，提高焊接效率和質量、降低生產成本，以滿足兵器裝備發展的需要。
　　考慮到M777輕型榴彈炮鈦合金結構件焊接比較困難、焊縫疲勞性能要求高、并需符合全生命周期成本目標等問題，美國海軍連接中心開展了M777炮座鈦合金結構焊接工藝的研究，采用自動化的等離子弧焊接工藝對M777炮架的鑄造和鍛造鈦合金組件進和強度的要求等。還研究采用更高效的自動化熔化極脈沖氣體保護電弧焊（GMAW-P）和激光焊代替傳統的鎢極氣體保護焊工藝來焊接M777Ti-6Al-4V穩定裝置支臂（stabilizerarm）。檢測結果表明焊件能滿足所有的質量要求和尺寸規格。
　　美國陸軍武器研發與工程中心在新型鈦合金戰斗車輛零件焊接過程中引入機器人工作單元（如圖5所示），開發出機器人GMAW-P工藝，完成的焊接部件不需要進行機械加工和應力消除，極大地提高了焊接效率和質量，降低了成本。另外，還研究采用機器人GMAW-P系統焊接鈦合金機匣，并解決了一系列焊接上的問題，包括開發機器人焊接鈦合金的焊接參數、改善保護氣和輔氣防護、提高送絲速度等。
　　除了上述幾種典型焊接工藝，國外開始研究攪拌摩擦焊工藝在鈦合金武器零部件中的應用。愛迪生焊接研究所對能夠作為攪拌摩擦焊焊接工具的候選材料進行研究，并開發出一種新型攪拌頭--可變熔深攪拌頭（variablepenetrationtool，VPT），在很大程度上減小甚至消除了工具的磨損和變形，顯著提高了攪拌摩擦焊工藝的可靠性。美國陸軍研究實驗室與美國克萊姆森大學聯合開展了典型鈦合金Ti-6Al-4V攪拌摩擦焊工藝數值模擬與實驗驗證的研究工作，利用以前的開發的攪拌摩擦焊熱力有限元分析，同時結合Ti-6Al-4V基本的物理冶金數據，來預測攪拌摩擦焊縫的結構狀態，研究表明模擬結果與實驗結果具有相當的一致性，也進一步說明書你模擬方法可用于指導攪拌摩擦焊工藝參數選擇及優化接頭的結構性能。
　　3鈦合金數控加工技術
　　數控加工（如車削、銑削、切割等）是鈦合金零部件的重要制造工藝之一。然而，在鈦合金構件數控加工過程中，由于鈦合金的化學活性高會導致刀具容易磨損，鈦合金的低熱導率使得必須在較低的速度下進行鈦及鈦合金構件加工，導致生產效率不高。目前，主要通過優化切削參數、選用特殊刀具、計算機模擬等手段對加工工藝進行優化以及開發新型高精度加工設備進行鈦合金構件的加工。
　　美國國家國防制造與加工中心（NCDMM）對遠征戰車鈦合金鍛造平衡肘（如圖6所示）大直徑孔加工工藝實施優化，采用了帶有可調阻尼組件（消除在延伸深度的顫動）的具有1in（2.54mm）長切口的新型多齒螺紋銑刀（如圖7所示），并對切削參數進行優化，使得加工時間從3h縮短為32min，僅銑削螺紋一項就可節約成本510萬美元。另外，NCDMM針對120mm迫擊炮鈦合金迫擊炮底座的加工工藝實施工藝優化，選擇帶有物理氣相沉積涂層的高性能碳化物刀具來車削外形，并采用加固的帶指示盤的鉆頭來進行孔加工，車削速度提高10倍，鉆削深度提高40%，迫擊炮鈦合金底底座的加工周期從16h縮短到105min，僅加工周期這一項指標的縮短就能使每個底座的成本節省855美元。

　　采用有限元分析來優化鈦合金高速加工技術是國外的研究熱點之一。美國空軍研究實驗室采用通過第三次浪潮系統公司的AdvantEdge有限元加工模型，對不同的加工工藝進行分析，如鉆削、銑削以及車削等過程，來提高加工速率和刀具性能。該軟件和高速加工技術的成功應用，使鈦合金零部件加工周期縮短了30％。
　　新型加工設備的不斷推出也為鈦合金零部件的數控加工提供了新的可能。德國德瑪吉公司研制的ULTRASonIC20直線驅動超聲波超凈加工機床，可實現鈦合金在內的多種材料加工，具有極高的重復精度和卓越的表面加工質量；美國美格公司開發出適用于鈦合金構件加工的主軸中心冷卻和刀具中心冷卻系統，可顯著提高冷卻效率、切削速度，進而提高金屬去除量；日本牧野公司
　　推出適應于鈦合金部件的D500、D300五軸立式加工中心，實現工件的高速、柔性加工；日本三井Seiki集團開展5軸加工中心加工能力和機床特性優化研究，提升新一代鈦合金Ti5553等材料的切削效率，去除率超過400cm3/min。
　　4結束語
　　兵器裝備輕量化的發展需求，使鈦合金在兵器裝備中的應用越來越受到重視。目前，降低鈦合金構件制造成本的主要策略是采用精密熔模鑄造、精密鍛造、快速成形等可以實現凈成形或近凈成形的精密成形技術，提高零部件的完整性、可靠性，并減少由于傳統機械加工造成的原材料浪費；鈦合金構件的焊接技術也受到高度重視，主要是提高焊接過程的自動化、智能化程度，以提高焊接生產效率、提高焊接質量；此外，還通過大量采用計算機仿真方法、開發新型刀具和工藝裝備等其他手段來提高鈦合金構件的加工效率...