航空鈦合金鍛造技術(shù)的研究進展

何忝锜，米 磊，郭 凱，和 蓉

（西安西工大超晶科技發(fā)展有限責(zé)任公司，陜西 西安 710200）

對于鈦合金來講，由于其密度較低、強度很高、耐熱性能良好，目前已經(jīng)開始應(yīng)用在飛機結(jié)構(gòu)制造、發(fā)動機制造中，在航空工業(yè)領(lǐng)域取得了良好的應(yīng)用成績，不僅可以保證零部件的性能，還能維護航空飛機的安全性與可靠性。但是，鈦合金在加工的過程中，具有變形難度高、熔點大的特點，變形抗力很難控制，流動性也較低，難以成型，加工的難度也非常高。而當(dāng)前我國的鈦合金鍛造技術(shù)能夠彌補傳統(tǒng)工藝的不足，降低加工生產(chǎn)的難度，有著一定的應(yīng)用意義與價值，因此，在實際加工的過程中，應(yīng)結(jié)合鈦合金的特點，合理使用鍛造技術(shù)，保證加工和生產(chǎn)的質(zhì)量。

1 等溫鍛造技術(shù)的研究進展

此類技術(shù)屬于模鍛技術(shù)中的重要部分，和傳統(tǒng)的鍛造技術(shù)相比，在應(yīng)用的過程中可以對磨具、鍛坯進行合理的加熱，使其溫度在相同狀態(tài)，確保鍛坯在可控應(yīng)變速率的狀態(tài)之下，通過蠕變的形式成型，是當(dāng)前和凈成型工藝較為接近的一種技術(shù)，將其應(yīng)用在大型、性能較高、復(fù)雜度較大的鈦合金工件鍛造方面有著一定的技術(shù)優(yōu)勢。此類技術(shù)在應(yīng)用期間能夠更好的改善工件的組織性能，確保鍛造工件的流線完整性、組織的均勻度，已經(jīng)成為了國內(nèi)外研究的焦點，國外一些專家在研究的過程中利用等溫鍛造的方式進行鈦合金的加工，明確研究了β相區(qū)的鍛造力、微觀組織演變情況、應(yīng)變速率敏感性情況等等，分析其變化規(guī)律。一些專家在研究期間開展了壓氣機盤等溫鍛造加工工作，能夠為提升鈦合金的等溫鍛造技術(shù)應(yīng)用效果提供幫助。在此期間，部分專家還創(chuàng)建了將TC6鈦合金葉片作為材料進行等溫鍛造生產(chǎn)的位錯密度、品粒尺寸耦合模型，能夠更為準(zhǔn)確的評估位錯密度演變情況、品粒尺寸的變化情況，為相關(guān)的等溫鍛造生產(chǎn)提供良好的技術(shù)支持。部分專家在研究期間通過置氫處理的方式，增強了等溫鍛造之后的TC4鈦合金飛機葉片的輕度，確保了鍛造生產(chǎn)和加工的效果。一些專家還提出了對稱變截面鈦合金的復(fù)雜工件的等溫鍛造技術(shù)，可以確保成型生產(chǎn)效果，保證復(fù)雜構(gòu)件的性能可以滿足生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，同時還能降低加工的成本，減少時間周期，提升鈦合金材料的利用效率。一些專家在研究期間使用非線性回歸的形式，創(chuàng)建了TC11鈦合金的本構(gòu)關(guān)系模型，使用有限元商業(yè)軟件針對渦輪盤的等溫鍛造技術(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計，可以保證相關(guān)的加工工作水平[1]。

20世紀(jì)70年代到80年代，美國、俄羅斯已經(jīng)開始在航空關(guān)鍵鈦合金部件方面使用等溫鍛造技術(shù)，直到今天，美國的一些公司還在應(yīng)用等溫鍛造技術(shù)生產(chǎn)高溫合金部件、鈦合金部件，不僅提升了航空飛機發(fā)動機鈦合金工件的生產(chǎn)水平，還促使了工件生產(chǎn)效果的增強，甚至在鈦合金葉片生產(chǎn)期間，可以將尺寸的精確度控制在0.01mm，非加工面超出80%，同時還能減輕航空鈦合金部件的重量，降低非機動的重量。我國在航空鈦合金加工的過程中，也開始使用可控應(yīng)變等溫鍛造技術(shù)，生產(chǎn)出組織性能、力學(xué)性能可以符合標(biāo)準(zhǔn)的TC17鈦合金雙性能整體葉盤，同時還研究生產(chǎn)了TI1023鈦合金飛機結(jié)構(gòu)等溫鍛造工件，重量降低了1.9kg，材料的利用率提高到74%以上，從顯微組織方面來講，比自由鍛件和模鍛件性能高很多。與此同時，我國大型復(fù)雜鈦框的生產(chǎn)加工過程中，采用等溫鍛造技術(shù)，不僅減少了飛機腹板結(jié)構(gòu)的厚度，還能減輕重量，機械加工數(shù)量有所降低，應(yīng)用性能大幅度提升，在一定程度上彌補了我國在大型復(fù)雜鈦框方面的成型技術(shù)缺陷，增強了鈦合金鍛造技術(shù)應(yīng)用水平[2]。

2 精密碾軋技術(shù)的研究現(xiàn)狀

航空發(fā)動機中最為重要的鍛件就是環(huán)形件，采用碾軋技術(shù)進行生產(chǎn)，不僅可以提升環(huán)形件的性能，還能確保鈦合金加工效果。目前在航空領(lǐng)域中的發(fā)動機渦輪機匣部分、壓氣機機匣部分、結(jié)合環(huán)部分、封嚴(yán)環(huán)部分等等，都是利用碾軋環(huán)工件加工技術(shù)，在此情況下，合理進行精密碾軋技術(shù)的研究，在提升航空設(shè)備鈦合金加工性能、延長使用壽命方面具有一定的重要意義，當(dāng)前國內(nèi)外在鈦合金精密碾軋技術(shù)方面有著很多的研究，多數(shù)專家在研究期間都是從組織結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，分析鈦合金的熱碾軋流程，研究碾軋以后的結(jié)構(gòu)特點與晶粒取向，控制組織、性能的實現(xiàn)。韓國的專家在研究中，就利用計算機模擬并且進行PEM分析進行精密碾軋加工，生產(chǎn)出性能符合標(biāo)準(zhǔn)的大型TI6AI4V的鈦合金航空環(huán)件[3]。部分專家在研究期間分析軋制過程中材料流動規(guī)律、充填質(zhì)量數(shù)據(jù)值等等，對加工期間組織的性能進行了全面的控制。一些專家在研究期間，分析精密碾軋生產(chǎn)過程中的變形程度、環(huán)件在初期碾軋期間的溫度對鈦合金熱軋組織演變所產(chǎn)生的影響，在研究期間獲得到了相應(yīng)的加工數(shù)據(jù)值。部分專家在研究期間創(chuàng)建了熱碾軋有限元模型，將鈦合金在成型期間的微觀組織演變情況、特點等真實展現(xiàn)出來。我國的專家在研究期間，對TC4鈦合金環(huán)件進行了雙向性的碾軋，通過有限元建模仿真的形式，將上部分凸出形狀、直線形狀、下部分凹陷形狀等揭示出來，并且通過曲線圖的形式明確精密碾軋對環(huán)件的圓度、組織均勻性所產(chǎn)生的影響表達出來，同時還設(shè)計了S形狀的精密碾軋生產(chǎn)曲線圖，應(yīng)用這個曲線圖增強了加工生產(chǎn)期間環(huán)件形狀尺寸精度的控制效果、提升了組織結(jié)構(gòu)的均勻性。從實際生產(chǎn)情況而言，精密碾軋技術(shù)在鈦合金加工中的應(yīng)用，不僅可以更好的控制組織性能，還能合理進行軋輥和導(dǎo)向輥的優(yōu)化處理，在一定程度上可以正確選擇毛坯的截面形狀，有效預(yù)防出現(xiàn)魚尾缺陷或是毛刺缺陷，具有一定的航空鈦合金環(huán)件的加工優(yōu)勢，值得大范圍的推廣應(yīng)用[4]。

3 大型復(fù)雜構(gòu)件整體成型技術(shù)的研究進展

此類技術(shù)主要就是利用整體鍛造成型的加工方式將原本多件工件組合成為一體，不僅可以降低零部件、連接件的數(shù)量，還能控制生產(chǎn)重量，確保零部件的可靠性應(yīng)用，減少生產(chǎn)制造的流程與環(huán)節(jié)，降低成本，尤其是在大型整體隔框方面的鍛件加工期間，應(yīng)用的效果較好，能夠保證鈦合金的整體結(jié)構(gòu)鍛造效果。

目前國外已經(jīng)開始廣泛在航空裝備的生產(chǎn)中應(yīng)用鈦合金整體成型技術(shù)，在較為先進的軍用飛機中，將近40%的結(jié)構(gòu)都是鈦合金整體性的構(gòu)件，例如：美國在有關(guān)的F-22戰(zhàn)斗機中，就使用了整體鍛造技術(shù)，加工出TI6AI4L鈦合金整體性的隔框鍛件，屬于當(dāng)前國際上較大的整體鈦合金鍛件，投影面積能在5.4m2。在相關(guān)的F/A-18殲擊機方面也使用了此類技術(shù)，淘汰了之前的多種零件設(shè)計方式，減輕了大約350kg的重量，加工時間周期減少一半。在魚貫的TI6AI6 V2SN的飛機中，可以將前輪精密鍛件的投影面積控制在700m2，將腹板的厚度維持在1.66mm左右，在確保強度符合標(biāo)準(zhǔn)的情況下減輕了整體結(jié)構(gòu)的重量。此類技術(shù)應(yīng)用在俄羅斯安-22運輸機設(shè)備中，大約減少了800多個零件的使用，減輕的重量達到1000kg，加工時間周期減少了五分之一，在一定程度上能夠確保鈦合金整體構(gòu)件的加工效果。

我國在相關(guān)的研究中通過有限元模擬軟件系統(tǒng)，對TA15鈦合金大型復(fù)雜件的具體組織演化規(guī)律進行了分析，按照分析結(jié)果制定了完善的鍛造技術(shù)應(yīng)用計劃，通過整體性的鍛造技術(shù)，不僅提升了飛機腹板的生產(chǎn)效率、降低了結(jié)構(gòu)的重量，還減少了加工時間周期，增強了加工的性能[5]。

4 結(jié)語

綜上所述，目前在航空鈦合金鍛造技術(shù)研究的過程中，已經(jīng)開始重點研究相關(guān)的等溫鍛造技術(shù)、精密碾軋技術(shù)、整體成型技術(shù)，不同技術(shù)的應(yīng)用效果不同，其中等溫鍛造技術(shù)在研究的過程中，主要分析相關(guān)的等溫、近等溫的實際情況，提出具體加工與制造技術(shù)應(yīng)用方式，可以保證鍛造效果。精密碾軋技術(shù)有助于進行鈦合金環(huán)件的高質(zhì)量、高效化加工處理，整體成型技術(shù)則是用來進行大型復(fù)雜構(gòu)件的加工處理，增強性能的同時可以減輕重量，具有較高的應(yīng)用價值，所以在航空鈦合金鍛造期間應(yīng)該結(jié)合各種構(gòu)件的特點與情況，針對性的選擇使用鍛造技術(shù)，保證生產(chǎn)效果。