文/閆贊飛，劉衛(wèi)·西安三角防務(wù)股份有限公司

大型航空模鍛件是指在大型模鍛壓力機(jī)上生產(chǎn)的航空模鍛件，而大型模鍛壓力機(jī)是指壓力必須是4萬噸級(jí)以上的模鍛壓力機(jī)，大型模鍛壓力機(jī)的鍛造特點(diǎn)是可通過大的壓力、長的保壓時(shí)間、慢的變形速度來改善變形材料的致密度，使鋁合金、鈦合金、粉末合金等難變形材料通過均勻的塑性變形來滿足設(shè)計(jì)要求。

大型航空模鍛件的制造行業(yè)是關(guān)系到國家安全和國家經(jīng)濟(jì)命脈的不可或缺的戰(zhàn)略性行業(yè)，也是國家能力的重要組成，迄今為止，僅有中國、美國、俄羅斯、法國四個(gè)國家有類似設(shè)備，中國的8萬噸模鍛壓力機(jī)全世界最大。為提高航空產(chǎn)品的整體性能，大型航空模鍛件在航空制造領(lǐng)域的需求會(huì)越來越多。

大型航空模鍛件的特點(diǎn)

大型航空模鍛件在飛機(jī)機(jī)體、起落架、發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳等受力構(gòu)件中廣泛應(yīng)用，整體模鍛件比以大量小零件組合的構(gòu)件和自由鍛等毛坯制的整體零件都要優(yōu)越，由于減少了接頭、消除了應(yīng)力集中的來源——鉚接孔，因而具有較高的強(qiáng)度。

大型航空模鍛件整體模鍛時(shí)，采用的尺寸和重量都小于自由鍛件的預(yù)變形毛坯，這就能減少在鍛件內(nèi)部出現(xiàn)各種缺陷的可能性，保證了鍛件纖維方向與零件輪廓形狀相符合，減少了裝配工作量和機(jī)械加工余量（減少40%～50%），使零件的使用壽命得以延長。

大型航空模鍛件大多為密度較小的有色金屬材料，因?yàn)闇p輕飛行器重量一直都是航空科技工作者的重要目標(biāo)，所以鋁合金鍛件（圖1）和鈦合金鍛件（圖2）材料所占比例最多。

圖1 鋁合金鍛件

圖2 鈦合金鍛件

大型航空模鍛件的設(shè)備要求

美國、俄羅斯、法國之所以能在航空領(lǐng)域傲視全球，得益于其擁有大型的模鍛設(shè)備。1955年美國建造了兩臺(tái)4.5萬噸模鍛壓力機(jī)（圖3），該壓力機(jī)生產(chǎn)了波音747-787、F16、F35、F22等先進(jìn)飛機(jī)上重要鈦合金隔框類鍛件；1976年法國安裝了一臺(tái)6.5萬噸模鍛壓力機(jī)（圖4），該壓力機(jī)造出了堪比美國波音的空客A320-A380客機(jī)、陣風(fēng)F3等系列戰(zhàn)斗機(jī)鈦合金鍛件；1961年俄羅斯建造了兩臺(tái)7.5萬噸模鍛壓力機(jī)（圖5），該壓力機(jī)造出了全球最大的安-225大型運(yùn)輸機(jī)、蘇27-34等先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件。

圖3 美國4.5萬噸壓力機(jī)

圖4 法國6.5萬噸壓力機(jī)

圖5 俄羅斯7.5萬噸壓力機(jī)

建國后，雖然我國大力發(fā)展重工業(yè)，但大型模鍛壓力機(jī)一直沒有能力制造，因此，航空工業(yè)發(fā)展非常緩慢。2012年，西安三角防務(wù)4萬噸大型模鍛壓力機(jī)（圖6）順利投產(chǎn)，2013年德陽二重8萬噸模鍛壓力機(jī)（圖7）熱試成功并投產(chǎn)，我們終于擁有了生產(chǎn)大型航空模鍛件萬噸模鍛壓力機(jī)。

大型航空模鍛件的鍛造工藝

模鍛用毛坯

大型航空模鍛件用毛坯不能直接使用鑄錠，通常是將鑄錠進(jìn)行改鍛后形成組織均勻的荒形毛坯。主要原因是：第一，毛坯的形狀和尺寸能夠最大限度地符合模鍛件的要求，而鑄錠卻不能滿足這些要求；第二，鑄錠金屬不具有模鍛件質(zhì)量所需的性能。

模鍛用毛坯的鍛造工藝包括下列工序：切斷鑄錠及切取宏觀組織用的試片（鋸床進(jìn)行）；鑄錠扒皮（車床進(jìn)行）；銑削端部（專用端面銑床）；加熱和鍛造（電爐加熱，且電爐需配強(qiáng)制空氣循環(huán)裝置）。

圖6 中國4萬噸壓力機(jī)

圖7 中國8萬噸壓力機(jī)

模鍛工藝

大型航空模鍛件工藝較為復(fù)雜，不僅對設(shè)備有較高要求，對材料特性、加熱控制、鍛件和模具設(shè)計(jì)等也有很高要求，下面從常用的鋁合金和鈦合金大型模鍛件生產(chǎn)工藝進(jìn)行論述。

⑴鋁合金模鍛工藝。

鋁合金模鍛工藝由下列要點(diǎn)構(gòu)成：坯料準(zhǔn)備、加熱、變形速度和變形程度、鍛件設(shè)計(jì)、潤滑、清理及修傷。

1)坯料準(zhǔn)備。裝爐前，檢查毛坯表面（毛坯表面應(yīng)清潔，以免鍛入切屑、砂粒等，從而加速模具磨損，造成鍛件表面缺陷）。

2)加熱。鋁合金極易氧化，鍛造溫度范圍很窄，因此最好采用電阻爐進(jìn)行加熱。裝爐時(shí)，鋁合金坯料應(yīng)避免和鋼在一起加熱，鋁屑和氧化鐵屑混在一起容易產(chǎn)生爆炸。

3)變形速度和變形程度。變形速度對鋁合金工藝塑性沒有顯著影響，既能在低速下，又能在高速下進(jìn)行模鍛。一般鋁合金的臨界變形程度為12%～15%，為了避免在再結(jié)晶時(shí)形成粗大晶粒，鋁合金每次變形量應(yīng)大于12%～15%。

4)鍛件設(shè)計(jì)及工藝操作特點(diǎn)。選擇分模面時(shí)，不僅要考慮金屬充填模膛的能力，還要考慮變形的均勻、流線的分布。對于形狀復(fù)雜的鍛件，要采用多套模具，多次模鍛，使其由簡單的毛坯逐步過渡到復(fù)雜的形狀。設(shè)計(jì)鍛模時(shí)，鍛件難成形部分通常位于下模。為了增加金屬流動(dòng)性，確保終鍛溫度，模具在工作前必須預(yù)熱12小時(shí)以上，預(yù)熱溫度為250～420℃。

5)潤滑。模具潤滑是鋁合金模鍛工藝過程的一個(gè)重要組成部分，良好的工藝潤滑劑能有效地改善金屬流動(dòng)，減少金屬與模具表面的粘附力，提高模具壽命?？墒褂?6.7%工業(yè)硬脂酸＋13.3%工業(yè)苛性鈉組成的潤滑劑，此潤滑劑在450℃以下不燃燒，也不分離出有害的析出物。

6)清理及修傷。鋁合金質(zhì)地較軟，與鍛模的粘附力大，因而鍛件容易產(chǎn)生折疊、裂紋、起皮等缺陷。這些缺陷如不及時(shí)清除干凈，再次模鍛時(shí)就會(huì)繼續(xù)發(fā)展，致使鍛件報(bào)廢。

⑵鈦合金模鍛工藝。

鈦合金模鍛工藝要素：坯料準(zhǔn)備、加熱、潤滑、鍛造、清理、模具設(shè)計(jì)、α＋β兩相鈦合金的β鍛造。

1)坯料準(zhǔn)備。坯料表面必須經(jīng)過粗加工或粗磨，棒材經(jīng)車削或無心磨削，坯料切斷一般采用帶鋸床進(jìn)行，切勿使用氣割下料。

2)坯料加熱。加熱前應(yīng)清除爐底的爐渣和氧化皮，爐內(nèi)氣氛應(yīng)是氧化性的（對氫的飽和過程進(jìn)行的很緩慢）。為減少鈦合金的氧化、對氫的保護(hù)、對氣體的污染及晶粒的長大，必須力求使其在加熱溫度下所停留的時(shí)間為熱透整個(gè)斷面所必需的最短時(shí)間。模具必須提前預(yù)熱，一般需在250～350℃保溫12小時(shí)以上。

3)潤滑。模具在鍛前應(yīng)進(jìn)行潤滑，潤滑能改善鈦合金流動(dòng)性低的不足，同時(shí)也能防止鍛件粘模。潤滑劑采用膠狀石墨與水的混合物或石墨與MoS2（油基或水基）的混合物。

4)鍛造。模鍛變形量一般為40%～80%，模鍛件在最后一次加熱后，整個(gè)金屬應(yīng)有均勻的變形，在變形的過程中各部分的變形溫度要均勻，防止在過低的溫度下變形而開裂。對于α相鈦合金給予足夠的變形量更為重要，因?yàn)棣料噔伜辖鹁Я＜?xì)化不能通過熱處理方法只能通過變形。

5)清理。鈦合金鍛造時(shí)表面形成的脆性氧化層能促使表層下的金屬在下一火次鍛造時(shí)發(fā)生開裂，因此在每一火模鍛之后應(yīng)清除氧化層，一般采用吹砂法進(jìn)行。

6)模具設(shè)計(jì)。鈦合金鍛件用模具設(shè)計(jì)時(shí)收縮率較鋼類鍛件模具的小，兩者之比為1∶1.87。

在采用同樣深厚和同樣復(fù)雜的模膛時(shí)，鍛造鈦合金的模具較鍛造鋼的模具厚50%，且要采用較大的圓角半徑，模膛表面光潔度要求也較高。

7)α＋β兩相合金的β鍛造。在全β相區(qū)時(shí)鍛造，能使鈦合金在高溫下的鍛造性能提高或使鍛件的缺口韌性提高，為了得到綜合性能高的鍛件，經(jīng)β鍛后的合金顯微組織應(yīng)是在轉(zhuǎn)變的β相中等軸α相控制在15%～30%范圍內(nèi)的組織。等軸α相過多使缺口韌性降低，而等軸α相的不足使延伸率降低。α相過多的鍛件，其缺口韌性根據(jù)正常的熱處理實(shí)踐可以采用β相轉(zhuǎn)變以下（15～30℃）的溫度進(jìn)行熱處理加以恢復(fù)。

大型航空模鍛件數(shù)值模擬

大型航空模鍛件單件成本在幾十萬元至幾百萬元不等，如果模具設(shè)計(jì)不合理、鍛件坯料尺寸不合適等因素導(dǎo)致鍛件報(bào)廢，將會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，使用數(shù)值模擬軟件不僅可以研究金屬成形過程中的流動(dòng)規(guī)律及組織與性能的演變過程，而且可以獲得任意時(shí)刻成形件的位移場、速度場、應(yīng)變場、溫度場及應(yīng)力場等熱力學(xué)參量，從而可以模擬材料的整個(gè)模鍛過程。根據(jù)模擬結(jié)果可以設(shè)計(jì)出合理的鍛件圖和模具三維數(shù)模，不僅可以大大縮短新產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，也可以極大地降低鍛件生產(chǎn)過程工藝風(fēng)險(xiǎn)。

美國的Deform、法國的Forge、俄羅斯的QForm等軟件在大型航空模鍛件設(shè)計(jì)中發(fā)揮了巨大的作用。到目前為止，我國在鍛造領(lǐng)域還沒有開發(fā)出實(shí)際應(yīng)用的數(shù)值模擬軟件，只能花費(fèi)數(shù)十萬元，甚至數(shù)百萬元購買國外的軟件，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國很快也會(huì)研發(fā)出類似的數(shù)值模擬軟件，在大型航空模鍛件生產(chǎn)方面形成自己的核心競爭力。

模鍛技術(shù)人才

美國、法國、俄羅斯在20世紀(jì)70年代以前就擁有了大型模鍛設(shè)備，并擁有較為成熟的鍛造工藝技術(shù)、職業(yè)教育體制和企業(yè)工資體制，保證了鍛造技術(shù)人員和技術(shù)工人的質(zhì)量和數(shù)量。我國2012年才開始大型航空模鍛件的生產(chǎn)，人才嚴(yán)重缺乏，需要更多的專業(yè)技術(shù)人才加入進(jìn)來，高校若能設(shè)立航空鍛造類專業(yè)獎(jiǎng)學(xué)金鼓勵(lì)培養(yǎng)專業(yè)人才，企業(yè)能采用合理的工資制度、獎(jiǎng)勵(lì)制度來保證留住人才，才能從根本上解決鍛造人才缺乏的問題。

結(jié)束語

大型航空模鍛件發(fā)展水平是衡量一個(gè)國家工業(yè)實(shí)力的重要標(biāo)志，經(jīng)過每一個(gè)航空人的不懈努力，我國在民用C919大型客機(jī)、某大型軍用運(yùn)輸機(jī)、某大型水陸兩用飛機(jī)、某新型隱身戰(zhàn)機(jī)方面取得了巨大的成就，隨著國產(chǎn)4萬噸和8萬噸大型模鍛壓力機(jī)的成熟應(yīng)用，我國一定會(huì)躋身于世界航空強(qiáng)國之列。