航空用TA18高強鈦合金管材彎曲成形技術(shù)及研究進展 The Bending Technology and Research Progress of TA18 High-strength Titanium Pipe for Aviation

李毅 LI Yi 賀韡 HE Wei

摘要：TA18高強鈦合金因其優(yōu)異的綜合性能成為航空管路系統(tǒng)的首選材料，管材的彎曲成形技術(shù)水平對飛行器的性能至關(guān)重要。我國TA18高強鈦合金管材的研制尚處于初期階段，為滿足航空產(chǎn)品精益化的需求，亟待建立一套較為全面的鈦合金管材彎曲成形工藝體系及數(shù)值模擬系統(tǒng)。

Abstract： TA18 high-strength titanium alloy has become the material of choice for aviation piping systems due to its excellent comprehensive properties. It is important for the aircraft that level of bending technology. And it is still in preliminary stage the development of TA18 high-strength titanium alloy pipes in China.? For the more and more requirements of aviation products， the comprehensive bending process system and numerical simulation system are urgently to be established.

關(guān)鍵詞：TA18鈦合金;管路系統(tǒng);數(shù)控彎曲;數(shù)值模擬

Key words： TA18 titanium alloy;piping system;CNC bending;numerical simulation

中圖分類號：TG146.2+3? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）22-0038-02

0? 引言

TA18鈦合金是從TC4鈦合金演變而來的低鋁當(dāng)量近α型的鈦合金，其名義成分為Ti-3Al-2.5V。TA18鈦合金在室溫和高溫下強度比純鈦高20～50%，它不僅具有良好的室溫、高溫機械性能和耐蝕性能，而且具有優(yōu)異的冷、熱加工工藝塑性、成形性和焊接性能。該合金對缺口不敏感，具有良好的抗蝕性，因此成為航空航天管路系統(tǒng)的首選材料。

TA18鈦合金的強化途徑主要是通過冷加工變形。冷加工后，通過不同的熱處理制度，可使管材達到不同的強度水平。最常用的有退火態(tài)中強級（Rp0.2≥620MPa）和去應(yīng)力退火態(tài)高強級（Rp0.2≥860MPa）兩種典型代表。其中，退火態(tài)中強級管材主要用于發(fā)動機管路系統(tǒng)，去應(yīng)力退火態(tài)高強級管材主要用于飛機液壓等管路系統(tǒng)[1]。

航空航天飛行器的管路系統(tǒng)是飛行器的生命線，主要包括燃油管路、液壓油管路、滑油管路、氣源管路、壓縮空氣管路、引射水管路等。其數(shù)量繁多、結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，加工質(zhì)量直接影響其連接的精確度和穩(wěn)定性。一直以來管材在彎曲成形中經(jīng)常出現(xiàn)各種缺陷，如：彎管截面變形、起皺、彎管變薄、彎曲回彈等，這不僅影響了產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)裝配進度，還給飛行器實現(xiàn)系統(tǒng)功能帶來安全隱患。

管路系統(tǒng)的可靠性和持久性是滿足適航要求、保障飛行安全和降低維修成本的重要因素，因此提高管材的彎曲成形技術(shù)水平對提高飛機性能是非常重要的[2]。

1? 國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 國外應(yīng)用現(xiàn)狀

TA18高強鈦管用于液壓管路系統(tǒng)，不僅能夠滿足較高的強度要求，還能滿足航空航天等領(lǐng)域?qū)?gòu)件輕量化的需求，因此在國外早已得到重視和廣泛應(yīng)用。20世紀中期，美國為飛機管路液壓系統(tǒng)開發(fā)了TA18鈦合金，采用該合金制備的管材已在F-14A、F-15、B-1和波音747、757、767 等飛機的液壓、燃油管路系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。世界各大航空公司，如波音、通用、麥道、普惠、羅羅、空客等，其軍用飛機和商用客機等運輸工具上也大量使用TA18鈦合金管材[1，3-5]。目前，TA18鈦合金已被廣泛應(yīng)用于西方許多國家的軍事工程中管件部分（包括直升機），成為軍機和民機管路系統(tǒng)的首選材料。

1.2 國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

20世紀70年代中期，以西北有色金屬研究院為首的相關(guān)單位開始對中強級TA18鈦合金進行深入地研究，并在航空航天飛機管路系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，但高強級TA18鈦合金管材的研制尚處于初級階段。目前由于鈦合金管材彎曲及管接頭技術(shù)尚未完全成熟，故鈦合金管材在民用飛機和軍用飛機上均未獲得廣泛應(yīng)用。在管材彎曲成形方面，由于缺乏相應(yīng)的設(shè)備，目前尚只能較為穩(wěn)定地實現(xiàn)純鈦（如TA1、TA2）和一些強度不高的鈦合金管材（如TA16M）以及中強鈦合金管（如TA18M）的數(shù)控冷彎曲成形[6]。

2? 管材彎曲成形技術(shù)研究進展

2.1 管材彎曲成形方法

最常見的管材彎曲成形方法主要有壓彎成形、推彎成形、滾彎成形及繞彎成形[2，7-8]。

壓彎成形是最早用于管材的彎曲方法，通過彎曲模具對管材施加載荷而完成彎曲加工。這種方法生產(chǎn)效率高，模具調(diào)整簡單，在彎頭加工方面應(yīng)用較廣泛。但是壓彎時所加載荷集中在兩支承輥之間，管坯與彎模初始接觸處容易形成截面畸變，影響彎曲質(zhì)量。

推彎成形一般用于彎頭的成形，在管材軸向施加載荷，管坯被推進型腔實現(xiàn)彎曲。推彎成形過程中管材外側(cè)壁厚不會出現(xiàn)過度減薄，但需合理設(shè)計芯模并進行管坯和模具型腔潤滑，否則易發(fā)生失穩(wěn)起皺。

滾彎成形通常用于厚壁管彎曲。滾彎是在三個或以上驅(qū)動輥輪的作用下，將管坯置于輥輪之間，通過控制輥輪的間距和驅(qū)動方式來實現(xiàn)管材的彎曲成形。滾彎成形由于沒有芯棒的支撐，管材的截面質(zhì)量不易控制，但采用多輥滾彎可以提高管材彎曲精度，降低截面畸變，提高管材彎曲變形均勻程度。

繞彎成形是目前最常使用的一種彎管方法，該工藝與現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)相結(jié)合形成了管材數(shù)控繞彎成形技術(shù)。彎曲時將管坯的一端置于夾模，彎曲模在數(shù)控程序的驅(qū)動下實現(xiàn)管材彎曲成形。數(shù)控繞彎不僅能提高管材彎曲的成形質(zhì)量，還可以通過程序控制實現(xiàn)連續(xù)彎曲，完成復(fù)雜的空間彎管。

2.2 研究進展

管材數(shù)控彎曲成形技術(shù)是一項十分復(fù)雜的工藝過程，受到材料性能、管壁厚因子、彎曲工藝、模具設(shè)計制造水平等諸多因素的影響。管材彎曲成形易出現(xiàn)各種缺陷，如外側(cè)壁厚減薄、內(nèi)側(cè)壁厚增厚、界面畸變、起皺和破裂等，這嚴重制約著我國航空航天管路系統(tǒng)的發(fā)展[7]。針對目前的管材彎曲成形技術(shù)，研究學(xué)者主要從以下幾個方面做了大量的工作，并取得了一定的成績。

在理論分析研究方面，研究學(xué)者主要從管材橫截面收縮率、壁厚減薄率、中性層偏移量、管材送給長度、彎矩和截面畸變率等各方面進行了大量的理論公式推導(dǎo)及表征公式的模型建立，并且理論解析結(jié)果與實驗驗證結(jié)果吻合良好。但是在理論分析過程中，采用了大量的假設(shè)和公式簡化，并且忽略了一些因素的影響，因此公式的精度和應(yīng)用范圍受到一定的限制[9-10]。

在數(shù)值模擬分析方面，研究學(xué)者運用有限元分析軟件對管材彎曲成形過程進行了模型建立，并在不同程度上進行了算法的二次開發(fā)。通過有限元仿真分析，研究了管材彎曲成形過程中材料流動規(guī)律、應(yīng)力應(yīng)變分布狀態(tài)、管材壁厚變化、彎管回彈規(guī)律、彎曲成形缺陷的產(chǎn)生機理及變化規(guī)律等，揭示了彎曲成形工藝參數(shù)，如芯棒參數(shù)、摩擦參數(shù)、彎曲速度和管模間隙等，對管材成形過程的影響規(guī)律[11-12]。

在試驗研究方面，目前的試驗主要集中在高校及科研院所對理論分析及數(shù)值模擬結(jié)果的試驗驗證，研究學(xué)者對彎曲加工的工藝參數(shù)及熱處理制度對管材的組織形態(tài)及機械性能的影響進行了一定的研究，但關(guān)于批量化生產(chǎn)的工藝及均勻性控制的研究鮮見報道[13-14]。

3? 存在的問題

我國關(guān)于高強TA18鈦合金管材的彎曲成形研究雖然取得了很大的進步，但尚處于初期階段，未形成批量化的生產(chǎn)工藝及控制方法，仍然面臨新的挑戰(zhàn)。

首先，理論研究和數(shù)值模擬分析與生產(chǎn)試驗研究脫節(jié)，高校等研究機構(gòu)由于設(shè)備及生產(chǎn)試驗條件的限制，大量的研究主要集中在理論分析及數(shù)值模擬方向，生產(chǎn)單位具備一定的試驗試制條件，但由于現(xiàn)有的運行機制，尚未投入大量的研究工作。

其次，在工藝技術(shù)方面，TA18高強鈦合金管材冷折彎過程中，需要設(shè)備噸位較大，角度控制精度較低，易出現(xiàn)回彈及起皺等缺陷;熱校形時，合模時易出現(xiàn)“咬邊”缺陷，且長時加熱易產(chǎn)生高溫蠕變，導(dǎo)致產(chǎn)品截面的圓整度難以控制。

最后，目前采用的冷折彎+熱校形兩步成形周期較長，成本較高。

4? 結(jié)束語

TA18鈦合金管材已經(jīng)成為航空航天管路系統(tǒng)的首選材料，在國外被廣泛應(yīng)用，但在國內(nèi)尚處在起步階段。由于目前航空產(chǎn)品精益化的需求，未來鈦合金管材高效率、高精度、高成品率、低成本成形技術(shù)研究已經(jīng)迫在眉睫。為實現(xiàn)鈦合金管材數(shù)控彎曲精確成形，亟待研究建立一套較為全面的鈦合金管材彎曲成形工藝體系及數(shù)值模擬系統(tǒng)。

參考文獻：

[1]楊建朝，席錦會，楊亞社，等.航空航天用TA18鈦合金管材的研發(fā)及應(yīng)用[J].鈦工業(yè)進展，2014，31（04）：6-10.

[2]王萌.飛機導(dǎo)管數(shù)控彎曲成形技術(shù)的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016.

[3]劉燕平，張暉，張旺峰，等.孿生行為對TA18鈦合金管材塑性的影響[J].稀有金屬材料與工程，2013，42（06）：1169-1172.

[4]楊亞社，楊永福，羅登超，等.航空用TA18管材加工工藝研究[J].稀有金屬材料與工程，2013，42（03）：625-628.

[5]張旺峰，李艷，王玉會，等.Ti-3Al-2.5V鈦合金管材研究進展[J].材料導(dǎo)報，2011，25（23）：133-137.

[6]江志強，楊合，詹梅，等.鈦合金管材研制及其在航空領(lǐng)域應(yīng)用的現(xiàn)狀與前景[J].塑性工程學(xué)報，2009，16（04）：44-50，84.

[7]梁闖.TA18高強鈦管數(shù)控繞彎不均勻變形行為及成形性能研究[J].南昌航空大學(xué)，2017.

[8]汪鵬飛.金屬管材數(shù)控彎曲成形及仿真分析[D].沈陽工業(yè)大學(xué)，2018.

[9]Mei Zhan， Yan Wang， He Yang， et al. An analytic model for tube bending springback considering different parameter variations of Ti-alloy tubes. Journal of Materials Processing Tech.， 2016， 236：123-137.

[10]H. Li， H. Yang， F.F.Song， et al. Spring back characterization and behaviors of high-strength Ti-3Al-2.5V tube in cold rotary draw bending. Journal of Materials Processing Tech.，2012，212（9）.

[11]皇濤，詹梅，曹剛，等.TA18高強鈦管數(shù)控彎曲變形歷史特征[J].塑性工程學(xué)報，2014，21（02）：81-87.

[12]皇濤，楊方方，詹梅，等.TA18高強鈦管數(shù)控彎曲成形截面扁化研究（英文）[J].稀有金屬材料與工程，2018，47（08）：2347-2352.

[13]李鵬亮，孫賓，張志，等.薄壁小彎曲半徑鈦合金管材彎曲技術(shù)研究[J].航空制造技術(shù)，2013（16）：113-115.

[14]張旺峰，王玉會，李艷，等.高強度TA18合金管材性能評價與控制方法研究[J].稀有金屬材料與工程，2012，41（07）：1239-1242.