世界僅中美有鈦合金激光成型技術(shù) 將用于發(fā)動機

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(yōu)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(yīng)用水平是體現(xiàn)飛行器先進程度的一個重要方面。提高飛行器的綜合力學(xué)性能并降低成本，是推動鈦合金在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的重要措施。

隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，鈦合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用范圍不斷擴展，鈦合金結(jié)構(gòu)件也越來越呈現(xiàn)出大尺寸、薄壁曲面、變厚度和整體結(jié)構(gòu)的趨勢，進一步提高了航空航天飛行器的性能、結(jié)構(gòu)剛性，減輕了重量，鈦合金精密成形技術(shù)將是航空航天制造技術(shù)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(shù)，它是建立在新材料、新設(shè)備、新工藝、計算機輔助工藝設(shè)計等技術(shù)成果的基礎(chǔ)上，發(fā)展了傳統(tǒng)的成形技術(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)品高效、高性能、低成本的少無余量制造技術(shù)，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(yōu)良的機械性能。鈦合金精密成形技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，它的使用能顯著提高各類作戰(zhàn)飛機、航空發(fā)動機、戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、運載火箭等航空航天產(chǎn)品的綜合性能和保障能力。針對精密成形技術(shù)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(shù)的應(yīng)用進展進行分析，這些技術(shù)可以實現(xiàn)近凈形生產(chǎn)，材料利用率高達70%~90%，已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域凸顯出廣闊的發(fā)展前景和良好的應(yīng)用價值。

鈦合金精密鑄造技術(shù)

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

美國F-22戰(zhàn)斗機在垂尾方向舵作動筒支座與其他關(guān)鍵承力部位大量采用鈦合金精密鑄件，約占其整體結(jié)構(gòu)重量的7.1%。德國鈦鋁精鑄公司采用近α 型鈦合金IMI834 生產(chǎn)了燃氣渦輪航空發(fā)動機的零部件。目前，大型復(fù)雜的發(fā)動機中介機匣式風(fēng)扇框架基本采用 Ti-6Al-4V 及Ti6242 精鑄件，見表1。

我國的鈦精鑄技術(shù)起步于20世紀60 年代，是借鑒和引進國外技術(shù)發(fā)展起來的，經(jīng)過多年發(fā)展開發(fā)出了鈦合金熔模鑄造技術(shù)、搗實型鑄造技術(shù)、石墨加工型鑄造技術(shù)等。鈦合金熔模精密鑄造技術(shù)結(jié)合離心澆鑄工藝技術(shù)，實現(xiàn)了尺寸900mm、整體壁厚2.5 mm 的薄壁復(fù)雜鈦合金結(jié)構(gòu)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(fù)雜框形結(jié)構(gòu)。

隨著航空航天裝備升級換代，對構(gòu)件的大型化、復(fù)雜化和高精度提出了更高要求，鈦合金精密鑄造技術(shù)結(jié)合先進熔煉技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、熱等靜壓技術(shù)、數(shù)字化檢測技術(shù)等是今后的主要發(fā)展方向。目前，與歐美發(fā)達國家相比，我國在技術(shù)基礎(chǔ)、設(shè)備、過程控制、成形改性一體化、工藝仿真和數(shù)字化檢測等方面存在一定的差距，攻克大型薄壁復(fù)雜整體精鑄件鑄造關(guān)鍵技術(shù)，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(shù)(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(jié)合用于制造高精度大型零件的近無余量加工方法，在現(xiàn)代航空航天工業(yè)發(fā)展的推動下，經(jīng)過30多年的開發(fā)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(shù)應(yīng)用到飛機結(jié)構(gòu)件制造中，使鈦合金制造工藝發(fā)生了技術(shù)變革。隨后，歐美將鈦合金SPF、SPF/DB 技術(shù)列為重點研究項目，促使超塑成形整體鈦合金結(jié)構(gòu)件已獲得工程應(yīng)用，并產(chǎn)生了巨大的技術(shù)經(jīng)濟效益：聯(lián)合戰(zhàn)斗機(JSF)的后緣襟翼和副翼、F-22后機身隔熱板等重要結(jié)構(gòu)均采用了鈦合金超塑成形/ 擴散連接的整體結(jié)構(gòu)。英國羅·羅公司采用SPF/DB 技術(shù)研制出了第二代鈦合金寬弦無凸肩空心風(fēng)扇葉片，每個葉片實現(xiàn)減重35%~40%，處于世界領(lǐng)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(yīng)用于阿里安Ⅴ火箭，國外一些導(dǎo)彈上用的鈦合金蜂窩結(jié)構(gòu)的翼面也采用SPF/DB技術(shù)成形。

國內(nèi)對SPF/DB技術(shù)的研究開始于70 年代末，經(jīng)過30 多年的發(fā)展，我國SPF/DB 技術(shù)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(gòu)件采用SPF/DB技術(shù)。針對航天型號對金屬防熱結(jié)構(gòu)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(shù)研究，成功制備出TC4 鈦合金防熱瓦等熱結(jié)構(gòu)部件。

SPF/DB 應(yīng)用于航空航天具有兩方面的優(yōu)勢，一方面是滿足航空航天復(fù)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?shù)?獲得整體結(jié)構(gòu)。SPF/DB 技術(shù)的應(yīng)用方向為：大型結(jié)構(gòu)件、復(fù)雜結(jié)構(gòu)件、精密薄壁件的超塑成形；高速超塑成形技術(shù)的研究與開發(fā)。SPF/DB 技術(shù)應(yīng)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。

鈦合金精密旋壓技術(shù)

旋壓成形技術(shù)制造的薄壁回轉(zhuǎn)體殼體構(gòu)件解決了在車削加工時存在的剛度低、顫動大、加工精度低等技術(shù)問題或根本無法加工的技術(shù)難題，應(yīng)用于航天領(lǐng)域具有諸多優(yōu)勢。

美國強力旋壓生產(chǎn)的φ3900mm大型導(dǎo)彈殼體，徑向尺寸精度達到0.05mm，表面粗糙度R a 為1.6~3.2μm，壁厚差≤0.03mm。美國鈦制造公司采用1.5m 立式旋壓機旋壓φ 1524mm 的Ti-6Al-4V鈦合金導(dǎo)彈壓力容器封頭，每個封頭的旋壓時間為5min。民兵洲際導(dǎo)彈第二級固體發(fā)動機殼體采用了Ti-6Al-4V 鈦合金，并用強力旋壓成形，成形后的鈦合金殼體重量減輕30%。圍繞航天型號對輕質(zhì)、高強、大型化航天需求，德國MT 宇航公司采用旋壓工藝制備出φ 1905 mm 的高強Ti-15V-3Cr合金推進系統(tǒng)貯箱，并應(yīng)用于歐洲阿爾法通信衛(wèi)星巨型平臺，實現(xiàn)了衛(wèi)星平臺的大幅度減重、增加有效載荷。

我國的旋壓工藝與設(shè)備的研究源于60 年代初期，鈦合金的旋壓研究始于上世紀70 年代，經(jīng)過40 多年來的發(fā)展，基本形成了從設(shè)備的研制到工藝開發(fā)一套成熟的體系。國內(nèi)航天所用鈦合金及旋壓制品，如火箭發(fā)動機外殼、葉片罩、陀螺儀導(dǎo)向罩、內(nèi)蒙皮等，Ti8Al1Mo1V 高鈦合金用于發(fā)動機葉片熱處理強化鈦合金旋壓成形；TB2 鈦合金用于小型噴管旋壓等。

西安航天動力機械廠研制出國內(nèi)最大直徑的鈦合金筒形件；通過正反2 道次普旋翻邊成功旋壓出φ 500mm 的薄壁半圓鈦圈，零件用于空間飛行器微動力姿態(tài)調(diào)整。

中國航天科技集團公司第703 研究所采用普旋與強旋相結(jié)合的技術(shù)，以TC3、TC4 2 種鈦合金板材為坯料，熱旋壓制備出了2 種鈦合金半球形(φ 內(nèi)522mm×2.0mm)、圓柱形儲箱殼體(φ 163mm×2.0mm×200mm 的杯形件，φ 163mm×2.0mm×360mm 及φ 112mm×6.0mm×1000mm 的筒形件)。

近幾年來，隨著計算機模擬技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬已廣泛應(yīng)用于金屬部件旋壓成形過程的分析。航天材料及工藝研究所對TC4筒形件進行了計算機模擬，分析了旋輪攻角、旋輪運動軌跡、普旋道次等工藝參數(shù)對旋壓成形的影響規(guī)律，成功旋制了高深徑比的TC4 鈦合金筒形件。盡管鈦合金精密旋壓技術(shù)為航天領(lǐng)域提供了各類合金普旋成形高深徑比旋壓件，但從零件的工程化應(yīng)用和旋壓成形的復(fù)雜性分析，還需進一步加強�？偟膩碚f，旋壓技術(shù)在國內(nèi)航天工業(yè)獲得廣泛應(yīng)用，但大直徑、薄壁整體鈦合金熱旋壓成形工藝尚無應(yīng)用實例，直徑2.25 m 貯箱箱底整體旋壓技術(shù)、直徑5 m 低溫貯箱箱底瓜瓣成形、鈦合金及高溫合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件成形等技術(shù)還處在工藝摸索階段。

鈦合金激光直接快速成形技術(shù)

自20世紀90年代開始，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，激光直接制造技術(shù)逐漸成為制造領(lǐng)域研究的熱點。激光直接快速成形技術(shù)中有2 種方法可以用于直接制造金屬零件，即區(qū)域選擇激光熔化(SelectiveLaserMelting, SLM)技術(shù)和近凈成形(Laser Engineered Net Shaping,LENS)技術(shù)。國外有關(guān)大型鈦合金結(jié)構(gòu)件激光直接快速成形技術(shù)的研究主要集中在美國。美國AeroMet公司在2002~2005 年間實現(xiàn)了激光直接快速成形鈦合金結(jié)構(gòu)件在飛機上的應(yīng)用。2001 年Aero- Met 公司開始為波音公司F/A-18E/F 艦載聯(lián)合殲擊/ 攻擊機小批量試制發(fā)動機艙推力拉梁、機翼轉(zhuǎn)動折疊接頭、翼梁、帶筋壁板等機翼鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件。2002 年制定出了“Ti6Al4V鈦合金激光快速成形產(chǎn)品”宇航材料標(biāo)準(zhǔn)(ASM 4999)并于同年在世界上率先實現(xiàn)激光快速成形鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件在F/A-18 等戰(zhàn)機上的驗證考核和裝機應(yīng)用。在航天領(lǐng)域，NASA 馬歇爾航天飛行中心(NASA’s Marshall Space FlightCenter in Huntsville,Ala。)于2012 年將選區(qū)激光熔化成形技術(shù)應(yīng)用于多個型號航天發(fā)動機復(fù)雜金屬零件樣件的制造。激光直接快速成形技術(shù)還常常被用于鈦合金零件或者模具的修復(fù)。

我國鈦合金結(jié)構(gòu)件激光直接快速成形技術(shù)的研究，從2001 年開始一直受到政府主要科技管理部門的高度重視，在飛機、發(fā)動機等鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形制造工藝研究、成套裝備研發(fā)及工程應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)等方面取得了較大進展。

北京航空航天大學(xué)激光材料加工制造技術(shù)實驗室以飛機次承力鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件為對象，開展激光快速成形工程化應(yīng)用技術(shù)研究，先后制造出TA15 鈦合金角盒近200 件，完成了“激光快速成形TA15 鈦合金結(jié)構(gòu)件在某型飛機上的裝機評審”，首件激光快速成形TA15 鈦合金結(jié)構(gòu)件順利通過在某型飛機上的全部應(yīng)用試驗考核，使我國成為繼美國之后世界上第二個掌握飛機鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件激光快速成形工程化技術(shù)并實現(xiàn)激光快速成形鈦合金結(jié)構(gòu)件在飛機上應(yīng)用的國家。

北京航空航天大學(xué)王華明主持的“飛機鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)”項目研制生產(chǎn)出我國飛機裝備中迄今尺寸最大、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的鈦合金等高性能難加工金屬關(guān)鍵整體構(gòu)件，并在我國大型飛機等多型飛機研制和生產(chǎn)中得到實際應(yīng)用，從而使我國成為目前世界上唯一突破飛機鈦合金大型主承力結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)并實現(xiàn)裝機應(yīng)用的國家，如圖1。

相對于國內(nèi)的航空領(lǐng)域的研究應(yīng)用，目前激光直接快速成形技術(shù)在我國航天領(lǐng)域的應(yīng)用研究基本上還是處于起步階段。實際上，航天液體和固體火箭發(fā)動機難加工材料、復(fù)雜型面的結(jié)構(gòu)件及武器型號難加工材料輕質(zhì)防熱結(jié)構(gòu)件可以很好地采用選區(qū)激光熔化技術(shù)實現(xiàn)高精度加工[35]。

采用激光直接快速成形技術(shù)制造航空航天用的整體鈦合金結(jié)構(gòu)件具有材料利用率高、加工余量小、周期短和柔性高等優(yōu)點。但激光快速成形過程中零件變形開裂預(yù)防，內(nèi)部質(zhì)量(內(nèi)部缺陷、晶粒及顯微組織等)及力學(xué)性能控制依舊是制約大型整體鈦合金關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件激光直接快速成形技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。

結(jié)束語綜合所述，鈦合金精密熱成形技術(shù)在獲得不斷進步的同時，也遇到了一些技術(shù)難題，大型整體鈦合金構(gòu)件的工程化應(yīng)用范圍還比較小，但隨著航空航天產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，鈦合金精密熱成形技術(shù)必定步入一個新的發(fā)展期，鑒于鈦合金和精密熱成形技術(shù)的突出優(yōu)點，二者的結(jié)合在未來航空航天工業(yè)中的貢獻作用將更為顯著，今后其主要發(fā)展方向是：(1)大型或者超大型復(fù)雜(薄壁)結(jié)構(gòu)件的整體精密成形、低成本、工程化應(yīng)用；(2)計算機模擬(仿真)技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)、數(shù)控技術(shù)等與精密成形技術(shù)的結(jié)合，為航空航天新構(gòu)件的成形提供技術(shù)途徑。