精密成形技術(shù)在航天領(lǐng)域的應用進展

陳永來，張 帆，單 群，張緒虎

(航天材料及工藝研究所，北京 100076)

隨著航天技術(shù)不斷發(fā)展，人們對航天飛行器的使用要求越來越高.航天飛行器在超高溫、超低溫、高真空、高應力、強腐蝕等極端使用條件和工作環(huán)境下工作，需要大量采用高溫合金、鈦合金等耐高溫、耐低溫、耐腐蝕的高強輕質(zhì)材料，但是這些材料較難以加工成形.此外，航天飛行器應用的結(jié)構(gòu)件愈來愈呈現(xiàn)出大尺寸、薄壁曲面、變厚度、整體結(jié)構(gòu)的趨勢，這就面臨復雜幾何結(jié)構(gòu)件的成形難題.由此可見，精密成形技術(shù)是航天制造領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，其發(fā)展水平為航天型號問世奠定必要的技術(shù)基礎.

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、新設備、新工藝、計算機輔助工藝設計等技術(shù)成果的基礎上，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).在航天領(lǐng)域，精密成形技術(shù)能顯著提高戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)導彈、運載火箭、衛(wèi)星、飛船、固體和液體發(fā)動機等航天產(chǎn)品的快速轉(zhuǎn)換能力和批生產(chǎn)能力，其中最具代表性的超塑成形、精密旋壓、熱等靜壓粉末冶金、等溫鍛造以及激光快速成形等精密成形技術(shù)已經(jīng)在航天領(lǐng)域凸顯出廣闊的發(fā)展前景和良好的應用價值.

1 超塑成形技術(shù)

為滿足航天型號對輕量化和可靠性的需求，航天產(chǎn)品中高性能材料如鈦合金、高溫合金等難成形材料的應用比例顯著增加，復雜形狀、大型結(jié)構(gòu)以及精密薄壁件的應用也越來越廣泛.超塑成形技術(shù)(Super-plastic forming，簡稱SPF)作為解決復雜、大型、精密薄壁件或難加工材料成型的一個重要途徑［1］，已經(jīng)成為一種推動現(xiàn)代航天結(jié)構(gòu)設計概念發(fā)展的先進制造技術(shù).

早在上世紀80年代美國愛德華空軍基地的火箭推進研究所就進行了超塑成形的推進劑貯箱的研制，制造了直徑152.4 mm的Ti6Al4V半球形殼體.與以往的鉚接和焊接比較，可降低成本60%，減輕質(zhì)量30%［2］，克服了鈦合金冷加工工藝性差、成型困難的缺點.此外，日本ISAS和MHI兩家公司從1981年開始采用超塑成形技術(shù)制造衛(wèi)星貯箱［3］，先將兩塊Ti6Al4V薄板焊接上，再通過SPF吹脹成半球形，見圖1(a).采用超塑成形的Ti6Al4V合金高度控制儀氣瓶還應用于阿里安Ⅴ火箭，見圖1(b)［4］.與傳統(tǒng)的鍛造工藝相比，其成本降低25%以上，減重約20%，同時提高了結(jié)構(gòu)的抗疲勞、抗腐蝕特性.另外，超塑成形在航天型號上的另一個典型應用為運載火箭上的波紋管，圖2所示為采用該技術(shù)成形的7475鋁合金［5］.相比液壓成形、滾壓成形等工藝，超塑成形的波紋管尺寸精確，不存在殘余應力.可見，超塑成形應用于航天結(jié)構(gòu)件的制造優(yōu)勢明顯.

圖1 超塑成形技術(shù)制造的產(chǎn)品

圖2 超塑成形的7475鋁合金波紋管

我國的超塑成形技術(shù)研究始于20世紀70年代末，開展超塑成形技術(shù)研究和應用的單位主要有哈爾濱工業(yè)大學、西北工業(yè)大學、北京航空制造工程研究所、航天材料及工藝所等，經(jīng)過多年研究，我國的超塑成形取得了很大進展［6］.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(圖3).同時，采用超塑成形技術(shù)在成形壓力為3.3 MPa，成形溫度920～940℃內(nèi)成功制備出TC4鈦合金環(huán)形氣瓶(圖4)，解決了鈦合金熱成形過程中晶粒長大、變形控制以及高質(zhì)量焊接難題.

圖3 310 mm×320 mm的TC4鈦合金雙向正弦波紋板

圖4 TC4鈦合金環(huán)形氣瓶

應用于航天型號上的零件精度要求高，直接關(guān)系到產(chǎn)品能否滿足設計要求.超塑成形的零件精度主要包括厚度精度和尺寸精度.產(chǎn)品的厚度均勻性是推廣超塑成形技術(shù)的一大挑戰(zhàn)，特別是在超塑成形產(chǎn)品深寬比較大的情況下.另外，超塑成形產(chǎn)品的尺寸精度一般由模具來保證，但由于模具的線膨脹系數(shù)與板料的不同，會引起產(chǎn)品尺寸上甚至形狀的偏差，該問題需進一步解決.

2 精密旋壓技術(shù)

旋壓成形解決了航天領(lǐng)域用薄壁殼體構(gòu)件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，應用于航天領(lǐng)域具有諸多優(yōu)勢.例如，用于導彈、火箭彈等武器裝備的導彈制導艙、雷達艙、發(fā)動機殼體等薄壁回轉(zhuǎn)體構(gòu)件，明顯減輕彈體，提高彈體的制造精度，從而增大射程，增加飛行穩(wěn)定性，提高命中率.

國外，精密旋壓技術(shù)已發(fā)展到較高水平，美國強力旋壓生產(chǎn)的Φ3 900 mm大型導彈殼體，徑向尺寸精度達到0.05 mm，表面粗糙度(Ra)為1.6～3.2 μm，壁厚差≤0.03 mm.總體來說，旋壓成形工藝廣泛應用于火箭(如阿里安Ⅴ火箭、H2火箭、質(zhì)子號等)、洲際導彈等的貯箱、輸液管及發(fā)動機殼體的整體成形［7-8］.圍繞航天型號對輕質(zhì)、高強、大型化需求，德國MT宇航公司采用旋壓工藝制備出Φ1 905 mm的高強Ti-15V-3Cr合金推進系統(tǒng)貯箱［9-10］，并應用于歐洲阿爾法通信衛(wèi)星巨型平臺(見圖5)，實現(xiàn)了衛(wèi)星平臺的大幅度減重、增加有效載荷.最近MT宇航公司采用旋壓工藝為日本H-ⅡA火箭研制的鋁合金2219薄壁貯箱殼體，見圖6(a)，其直徑和高度分別為3 860和738 mm［11］，減輕了火箭質(zhì)量并降低了制造成本.與此同時，美國航空航天局(NASA)和MT宇航公司共同開發(fā)制造了應用于AresA火箭的大尺寸2195鋁合金(Al-Li)燃料貯箱，見圖6(b)，首先采用攪拌摩擦焊連接多塊鋁合金板材形成大尺寸平板，之后將大尺寸平板旋壓成穹形，其直徑高達 5.5 m、深度 1.6 m、壁厚3～5 mm.相比其他工藝制備的貯箱，強力旋壓技術(shù)顯著減輕了質(zhì)量、降低了成本，同時賦予材料更加優(yōu)良的力學性能.

圖5 高強Ti-15V-3Cr合金貯箱

我國航天工業(yè)的許多產(chǎn)品也采用旋壓工藝，并取得了顯著成績.以鈦合金旋壓產(chǎn)品為例，如鈦合金波紋管、耐高壓氣瓶半圓環(huán)形薄壁部件、帶底變壁厚高強韌鈦合金耐高壓油瓶、月球車用鈦合金輪圈等［12］.

航天材料及工藝研究所根據(jù)航天型號發(fā)展率先開展了Al-Mg-Sc合金的研制工作，采用旋壓、滾彎、低應力高精度機械加工及氬弧焊等集成技術(shù)制造了內(nèi)徑Φ300 mm、外徑Φ570 mm、長度1 800 mm的柱形1570鋁鈧合金油箱殼體，見圖7(a)，液壓0.1 MPa保持10 min不滲漏.航天材料及工藝研究所還率先采用LY12管坯經(jīng)內(nèi)旋壓完成帶多道環(huán)向內(nèi)筋的薄壁整體筒形件的成形，見圖7(b)，其直徑為340 mm，壁厚精度0.2 mm，該內(nèi)旋技術(shù)用于同類產(chǎn)品為國內(nèi)首創(chuàng).針對衛(wèi)星用遠地點發(fā)動機噴管延伸段，又旋制出變壁厚薄壁回轉(zhuǎn)體的延伸段，見圖7(c)，該產(chǎn)品大口直徑Φ530 mm，高720 mm，噴管延伸段小口處壁厚約1.5 mm，大口處壁厚約為0.5 mm，內(nèi)型面輪廓度不大于0.15 mm，突破了難熔金屬薄壁變壁厚延伸段旋壓成型技術(shù).

圖6 鋁合金貯箱殼體

圖7 航天工業(yè)的旋壓成形典型件

總的來說，旋壓技術(shù)在國內(nèi)航天工業(yè)獲得廣泛應用，但目前國內(nèi)采用數(shù)控旋壓工藝技術(shù)還比較少，大直徑、薄壁整體熱旋壓成形工藝尚無應用實例，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雜結(jié)構(gòu)件成形等技術(shù)還處在工藝摸索階段.

3 熱等靜壓粉末冶金技術(shù)

在航天領(lǐng)域，復雜形狀結(jié)構(gòu)件整體成形取代傳統(tǒng)的“多件連接”和“鍛造-切削加工”生產(chǎn)方式已成為必然趨勢.熱等靜壓粉末冶金技術(shù)利用固態(tài)金屬代替液態(tài)金屬來“鑄造”復雜形狀制件，不僅可以降低加工成本，且制件的性能高于鑄件，與鍛件相當甚至高于鍛件.

西方發(fā)達國家對熱等靜壓粉末冶金技術(shù)給予了高度重視.俄羅斯在世界上首先采用熱等靜壓技術(shù)研制出了整體復雜形狀的鈦合金氫泵渦輪，見圖8(a)，并在RD-0120型氫氧發(fā)動機上得到了應用［12］.俄羅斯VILS研究院還采用熱等靜壓技術(shù)制造了兩種導彈武器用結(jié)構(gòu)件，一是粉末耐熱鈦合金VT22舵芯骨架，二是超音速飛行器(導彈)用薄壁網(wǎng)格狀承載結(jié)構(gòu)件，見圖8(b)［13］，可大幅度減輕導彈結(jié)構(gòu)重量.此外，針對軌姿控發(fā)動機，國外采用粉末冶金鈮合金整體近凈成形制備了燃燒室段.近期，美國航空航天局(NASA)與美國的錸合金公司聯(lián)合，采用粉末冶金熱等靜壓技術(shù)生產(chǎn)了兩種推力分別為440和490 N的錸推力室，節(jié)省制備周期及材料，降低生產(chǎn)成本.

圖8 俄羅斯采用熱等靜壓技術(shù)研制的產(chǎn)品

國內(nèi)，熱等靜壓粉末冶金技術(shù)研制構(gòu)件的優(yōu)勢已凸顯出來，并為設計部門所認可.目前，熱等靜壓技術(shù)已開始進入多種型號產(chǎn)品的研制中，如用于鈦合金舵芯骨架、大尺寸水平翼骨架、導彈艙體及葉輪等.航天材料及工藝研究所研制了粉末TA15鈦合金大尺寸舵、翼骨架(見圖9)，且其性能已達到鍛件水平(見表1)，滿足了超音速飛行器對高強、輕質(zhì)、耐高溫部件的需求.在此基礎上，繼續(xù)深入粉末鈦合金的熱等靜壓粉末冶金技術(shù)研究，開展了液體火箭用發(fā)動機低溫用TA7ELI粉末鈦合金氫泵葉輪研制，見圖10(a)，在-253℃抗拉強度達到1 500 MPa、延伸率11%，并通過1 800 s的真空超轉(zhuǎn)模擬試驗，實現(xiàn)了鈦合金葉輪在超低溫環(huán)境下的高速穩(wěn)定運轉(zhuǎn).此外，采用粉末TC4鈦合金制備了耐高溫的整體網(wǎng)格筒體，見圖10(b)，筒體內(nèi)部質(zhì)量良好，其力學性能不低于鍛件水平，突破了帶內(nèi)部網(wǎng)格加強筋薄壁鈦合金復雜結(jié)構(gòu)件的研制.還制備出Ф251 mm×236 mm的Ti3Al基合金薄壁(0.6～1.0 mm)噴管延伸段，見圖10(c)，突破了Ti3Al基合金薄壁大型構(gòu)件熱壓燒結(jié)過程中的尺寸控制技術(shù)、組織性能控制技術(shù)，并應用于液體火箭發(fā)動機，為發(fā)展無毒、無污染、高可靠、長壽命的液體動力技術(shù)奠定了重要基礎.

圖9 粉末TA15鈦合金零件

表1 粉末TA15室溫及高溫力學性能

但與國外相比，目前國內(nèi)仍缺乏型號急需的粉末冶金耐600℃的高溫鈦合金材料及其制備技術(shù)、大尺寸復雜構(gòu)件近凈成形技術(shù)等方面的能力還有欠缺，粉末冶金成形低溫、高溫鈦合金構(gòu)件的性能還不能完全達到國外先進水平，型號應用也剛起步，與世界先進水平還有較大差距;大型粉末鈦合金構(gòu)件的制備經(jīng)驗還需進一步積累，導彈艙體等薄壁件近凈形成形技術(shù)還需開展研究;航天用粉末高溫合金只是開展了初步探索研究，新材料如粉末鈮合金、粉末錸材料的研究也只是剛剛起步.

圖10 粉末TA15鈦合金

4 等溫鍛造技術(shù)

高溫合金和高強度鈦合金等難變形材料在航天領(lǐng)域的應用越來越多，同時，很多鍛件被設計成復雜形狀的整體構(gòu)件，而等溫鍛造能顯著提高鍛件的精度，實現(xiàn)復雜形狀鍛件的精密成形，且能獲得力學性能良好的鍛件.因而，近年來等溫鍛造在航天領(lǐng)域的應用越來越受到青睞.

航空工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)品往往以薄腹板、窄筋、截面突變等復雜形狀為特征，等溫鍛造在制造復雜結(jié)構(gòu)件方面的優(yōu)勢使其在航空領(lǐng)域得到大量應用［14］.例如，美國鋁業(yè)公司采用等溫鍛造制造F-14戰(zhàn)斗機框架鈦合金加強板和支承座機件，前者投影面積10 320 mm2，鍛件質(zhì)量0.32 kg，加強筋最小壁厚3.17 mm.后者投影面積13 545 mm2，鍛件質(zhì)量0.82 kg，最小厚度2.67 mm;美國F-15戰(zhàn)斗機Ti-6Al-4V某隔框零件質(zhì)量為10 kg，普通模鍛件質(zhì)量高達154 kg，而等溫近凈性模鍛件質(zhì)量僅為29 kg，每件減少了125 kg的機加工量［15］.美國普拉特·惠特尼公司采用等溫鍛造工藝生產(chǎn)F100發(fā)動機的渦輪盤，質(zhì)量由原來普通模鍛件的112.5 kg降到56.7 kg.隨著等溫鍛造技術(shù)的成熟，其應用已拓展到航天領(lǐng)域.國外的運載火箭用純鈦合金氣瓶的成形方法也已由模鍛成形發(fā)展到了等溫鍛造，并且等溫鍛造技術(shù)成功應用于制造IMI834鈦合金壓縮機盤、Ti-6Al-4V鈦合金葉片等零件［16］.

在國內(nèi)，寶鋼集團運用等溫鍛造技術(shù)生產(chǎn)出表面光潔、外形精確的TC11鈦合金收斂段、擴張段，TC4鈦合金翼芯、氣瓶等航天精密優(yōu)質(zhì)鍛件［17］.針對航天型號輕量化的需求，航天材料及工藝研究所開展了Al-Li合金特殊深模鍛件研制，制備了長1.5 m的1420Al-Li合金錐形模鍛件，見圖11(a).圍繞航天型號輕量化需求，703所開展了鎂合金精密模鍛件研制，制備出尺寸1 600 mm×700 mm×150 mm的鎂合金彈翼，見圖11(b)，攻克了大尺寸鎂合金鍛件性能均勻性控制技術(shù).針對運載火箭增壓輸送系統(tǒng)用高壓氣瓶，還采用等溫鍛造工藝成功地試制出 TC4、TA7ELI鈦合金精密模鍛件——容積為20 L的低溫氣瓶，見圖11(c)，鍛件的組織、性能良好且金屬流線分布合理，并將此研究成果應用于長征系列運載火箭.

圖11 精密模鍛件

目前在國內(nèi)航天領(lǐng)域中，非對稱形狀的航天產(chǎn)品如薄壁不規(guī)則復雜盒形件、高筋類復雜薄壁件所占比例大，而這些產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件或毛坯件的供應仍然是以自由鍛為主的毛坯件，后期通過機加工切削掉大量的金屬，達到設計所需要的尺寸.等溫鍛造能提高復雜形狀難變形合金鍛件的精度和材料的利用率，其將在航天領(lǐng)域結(jié)構(gòu)件的制造中大有用武之地.

5 激光快速成形

現(xiàn)代航天武器裝備的發(fā)展要求其制造技術(shù)能滿足快速研制批產(chǎn)、變批量、高柔性、快速轉(zhuǎn)換的需求，傳統(tǒng)制造技術(shù)在構(gòu)件制造中由于存在材料利用率低、加工困難、周期長等缺點，已很難滿足要求.激光快速成形技術(shù)無需模具和工裝，只需同一套通用的激光快速成形裝備，即可完成各種高性能金屬材料的制備與各種復雜金屬零部件的快速成形，具有高柔性、適應性及快速響應性、應用面寬廣特點［18］.因而，激光快速成形技術(shù)以其獨特的技術(shù)優(yōu)勢和巨大的發(fā)展?jié)摿υ诤教祛I(lǐng)域備受青睞.

激光快速成形技術(shù)主要應用在航空領(lǐng)域，尤其適合飛機機身鈦合金復雜結(jié)構(gòu)件及航空發(fā)動機渦輪盤、葉片等關(guān)鍵高性能高溫合金復雜結(jié)構(gòu)件的快速制造［19-21］.AeroMet公司針對飛機、導彈上的復雜零部件進行研究，研制出飛機接頭、錸合金姿控發(fā)動機噴管和導彈環(huán)等.該公司還為波音、洛克希德馬丁及Northrop Grumman等公司，其中包括為F/A18-E/F艦載機提供了尺寸達2.5 m、質(zhì)量達130 kg的大型整體筋板加強鈦合金發(fā)動機框、機翼拼接接頭等，已在F-22及F-18E/F上得到批量應用［22］，還在大型整體帶筋加強結(jié)構(gòu)鈦合金零件的快速成形上，取得了良好效果，解決了飛機復雜結(jié)構(gòu)件的制造難題［23］.并于2002年制定出了“Ti6Al4V鈦合金激光快速成形產(chǎn)品”宇航材料標準(ASM 4999)，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用.德國EOS GmbH公司也是國際上研究應用激光直接制造技術(shù)較好的公司之一，圖12所示為采用激光快速成形技術(shù)在其研制的設備上制造出的典型結(jié)構(gòu)件［24］，降低了生產(chǎn)成本，生產(chǎn)效率得到了大幅度提高，突破了復雜形狀結(jié)構(gòu)件的成形.

目前國內(nèi)的北京航空航天大學、西北工業(yè)大學、北京有色研究總院、清華大學、航天材料及工藝研究所等多家研究機構(gòu)和大學相繼開展了激光快速成形制造理論、工藝方法、設備、軟件等方面的研究，各家研究單位的激光快速成形技術(shù)緊跟國外的最新發(fā)展方向，主要集中發(fā)展鈦合金、高溫合金等難加工材料的帶筋、肋等薄壁復雜零件的一體化成形［25-26］.最近，北京航空航天大學王華明團隊成功實現(xiàn)激光快速成形TA15鈦合金飛機角盒，TC4鈦合金飛機座椅支座及腹鰭接頭等4種飛機鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件在3種飛機上的裝機應用，成為繼美國原AeroMet公司之后世界上第2個實現(xiàn)激光快速成形鈦合金結(jié)構(gòu)件在飛機上實際裝機應用的研究團隊［26］.

圖12 激光快速成形的典型結(jié)構(gòu)件

相對于國內(nèi)的航空領(lǐng)域的研究應用，目前激光快速成形技術(shù)在我國航天領(lǐng)域的應用研究基本上還是處于空白狀態(tài).實際上，未來第三代、第四代航天液體火箭發(fā)動機的比沖要求更高，其難加工材料、復雜型面的結(jié)構(gòu)件及武器型號難加工材料輕質(zhì)防熱結(jié)構(gòu)件可以很好地采用激光快速成形技術(shù)實現(xiàn)高精度加工，能縮短航天型號大型關(guān)鍵件的研制周期，提高快速響應能力.因此，具有低成本、短周期、高性能特點的激光快速成型技術(shù)正在航天等高技術(shù)領(lǐng)域展示出廣闊的應用前景.

6 發(fā)展趨勢及展望

伴隨著航天科學技術(shù)快速發(fā)展，我國精密成形技術(shù)也進入了一個新的階段.精密成形技術(shù)在未來型號發(fā)展中的貢獻率將更加突出，地位更加重要，主要發(fā)展趨勢是:1)超大復雜結(jié)構(gòu)件的整體精密成形、低成本化和擴大應用;2)從近凈成形向凈成形方向發(fā)展，最大幅度地減少流程以及提高材料利用率;3)智能技術(shù)、納米技術(shù)與航天用精密成形技術(shù)的結(jié)合，為材料的成形提供全新的技術(shù)途徑.

經(jīng)過多年的發(fā)展，我國精密成形技術(shù)取得了令人矚目的成績，為實現(xiàn)航天型號高可靠性、長壽命和高效能提供了有力保障，然而，未來的發(fā)展也面臨著嚴峻的挑戰(zhàn).為此，我國精密成形技術(shù)不僅要在“需求牽引”下開展研究工作，而且還要積極發(fā)揮“技術(shù)推動”能動性，有針對性地加強精密成形基礎研究，使其得到穩(wěn)步發(fā)展.有理由相信，精密成形技術(shù)的發(fā)展必將推動和促進未來探月工程與深空探測需要的新型航天器、大型運載火箭等航天產(chǎn)品及型號的研制生產(chǎn).

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