鈦合金精密熱成形技術在航空航天的應用進展

鈦合金具有低密度、高比強度、使用溫度范圍寬(-269~600℃)、耐蝕、低阻尼和可焊等諸多優點,是航空航天飛行器輕量化和提高綜合性能的最佳用材,其應用水平是體現飛行器先進程度的一個重要方面。提高飛行器的綜合力學性能并降低成本,是推動鈦合金在航空航天領域應用的重要措施。

隨著航空航天技術的發展,鈦合金在航空航天領域的應用范圍不斷擴展,鈦合金結構件也越來越呈現出大尺寸、薄壁曲面、變厚度和整體結構的趨勢,進一步提高了航空航天飛行器的性能、結構剛性,減輕了重量,鈦合金精密成形技術將是航空航天制造技術的研究重點。

精密成形是指零件成形后接近或達到零件精度要求的成形技術,它是建立在新材料、新設備、新工藝、計算機輔助工藝設計等技術成果的基礎上,發展了傳統的成形技術,實現產品高效、高性能、低成本的少無余量制造技術,精密成形的零件具有高的幾何精度和表面粗糙度、精確的外形及優良的機械性能。鈦合金精密成形技術廣泛應用于航空航天領域,它的使用能顯著提高各類作戰飛機、航空發動機、戰略戰術導彈、運載火箭等航空航天產品的綜合性能和保障能力。針對精密成形技術中精密熱成形(包括精密鑄造、超速成形/擴散連接、精密旋壓和激光直接快速成形)技術的應用進展進行分析,這些技術可以實現近凈形生產,材料利用率高達70%~90%,已經在航空航天領域凸顯出廣闊的發展前景和良好的應用價值。

鈦合金精密鑄造技術

美國于20世紀60 年代開始研究應用鈦合金精密鑄造技術,處于世界領先水平,開發出了熔模陶瓷鑄型技術、機加石墨鑄型技術和熱等靜壓技術。國外先進國家已成功研制了F-100、CFM-56、CF6-80、F-119等航空發動機的大型薄壁整體鈦合金中介機匣、風扇、高壓壓氣機機匣等鑄件,最大直徑已經大于1000mm、最小壁厚小于3mm、尺寸精度達到CT6~CT7 級水平,冶金質量高。

美國F-22戰斗機在垂尾方向舵作動筒支座與其他關鍵承力部位大量采用鈦合金精密鑄件,約占其整體結構重量的7.1%。德國鈦鋁精鑄公司采用近α 型鈦合金IMI834 生產了燃氣渦輪航空發動機的零部件。目前,大型復雜的發動機中介機匣式風扇框架基本采用 Ti-6Al-4V 及Ti6242 精鑄件。

我國的鈦精鑄技術起步于20世紀60 年代,是借鑒和引進國外技術發展起來的,經過多年發展開發出了鈦合金熔模鑄造技術、搗實型鑄造技術、石墨加工型鑄造技術等。鈦合金熔模精密鑄造技術結合離心澆鑄工藝技術,實現了尺寸900mm、整體壁厚2.5 mm 的薄壁復雜鈦合金結構件澆鑄成型,尺寸精度達到CT6~CT8 級,鑄件表面黏污層厚度減少到0.3mm。對于中小型鑄件尺寸精度可以達到CT6~CT7 級,表面粗糙度達到R a3.2mm,最小壁厚1.5μm,達到國際先進水平。北京航空材料研究院曾成功澆鑄出尺寸630mm×300mm×130mm、最小壁厚僅為2.5mm 的復雜框形結構。

隨著航空航天裝備升級換代,對構件的大型化、復雜化和高精度提出了更高要求,鈦合金精密鑄造技術結合先進熔煉技術、計算機仿真技術、熱等靜壓技術、數字化檢測技術等是今后的主要發展方向。目前,與歐美發達國家相比,我國在技術基礎、設備、過程控制、成形改性一體化、工藝仿真和數字化檢測等方面存在一定的差距,攻克大型薄壁復雜整體精鑄件鑄造關鍵技術,滿足先進航空航天裝備研制的需要是今后工作的重點。

鈦合金超塑成形/ 擴散連接技術(SPF/DB)

超塑成形/擴散連接(SPF/DB)是一種把超塑成形與擴散連接相結合用于制造高精度大型零件的近無余量加工方法,在現代航空航天工業發展的推動下,經過30多年的開發研究和驗證試驗,已進入了實用階段。

20 世紀70 年代早期,美國洛克威爾公司首先將超塑成形技術應用到飛機結構件制造中,使鈦合金制造工藝發生了技術變革。隨后,歐美將鈦合金SPF、SPF/DB 技術列為重點研究項目,促使超塑成形整體鈦合金結構件已獲得工程應用,并產生了巨大的技術經濟效益:聯合戰斗機(JSF)的后緣襟翼和副翼、F-22后機身隔熱板等重要結構均采用了鈦合金超塑成形/ 擴散連接的整體結構。英國羅·羅公司采用SPF/DB 技術研制出了第二代鈦合金寬弦無凸肩空心風扇葉片,每個葉片實現減重35%~40%,處于世界領先地位。歐盟采用超塑成形的Ti-6Al-4V 合金高度控制儀氣瓶還應用于阿里安Ⅴ火箭,國外一些導彈上用的鈦合金蜂窩結構的翼面也采用SPF/DB技術成形。

國內對SPF/DB技術的研究開始于70 年代末,經過30 多年的發展,我國SPF/DB 技術取得了很大的進步。近年來,我國新機研制及改進機型中,前緣襟翼、鴨翼、整體壁板和腹鰭等大尺寸鈦合金構件采用SPF/DB技術。針對航天型號對金屬防熱結構的需求,航天材料及工藝研究所開展了鈦合金波紋板SPF 技術研究,成功制備出TC4 鈦合金防熱瓦等熱結構部件。

SPF/DB 應用于航空航天具有兩方面的優勢,一方面是滿足航空航天復雜幾何形狀零件的要求,另一方面可以不用接頭(緊固件或鉚釘等)獲得整體結構。SPF/DB 技術的應用方向為:大型結構件、復雜結構件、精密薄壁件的超塑成形;高速超塑成形技術的研究與開發。SPF/DB 技術應用表明:盡管鈦合金成本高,但成本效益、可靠性、長壽命和重量輕量化對航空航天的吸引力更大。

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