飛機(jī)制造業(yè)發(fā)展與鈦合金等溫鍛造技術(shù)

翟江波

(陜西宏遠(yuǎn)航空鍛造有限責(zé)任公司，陜西 咸陽 713801)

飛機(jī)制造業(yè)發(fā)展與鈦合金等溫鍛造技術(shù)

翟江波

(陜西宏遠(yuǎn)航空鍛造有限責(zé)任公司，陜西 咸陽 713801)

首先對鍛件在飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)零部件中的應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹，強(qiáng)調(diào)了鍛件對飛機(jī)制造業(yè)的重要性。然后結(jié)合航空飛機(jī)及其發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展需求，分析了飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料、零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念的變化對鍛造技術(shù)的影響，重點(diǎn)介紹了等溫模鍛技術(shù)，詳細(xì)剖析了等溫鍛件在提高飛機(jī)零部件性能方面的技術(shù)優(yōu)勢。最后，提出發(fā)展等溫模鍛技術(shù)對計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、工藝仿真等數(shù)字化和信息化技術(shù)、稀貴金屬回收處理及再利用技術(shù)以及低成本模具材料制備等其他輔助技術(shù)的需求。

航空飛機(jī)；制造業(yè)；結(jié)構(gòu)件；等溫鍛造

0 引 言

航空飛機(jī)不斷地朝著高安全、長壽命、高可靠、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性方向發(fā)展，促進(jìn)了飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不斷優(yōu)化、新材料開發(fā)以及新的制造工藝大量應(yīng)用，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①飛機(jī)機(jī)身零件的大型整體化設(shè)計(jì)；②飛機(jī)制造的經(jīng)濟(jì)性推動(dòng)了制造工藝的低成本化；③綠色環(huán)保要求使得生產(chǎn)商加強(qiáng)了制造過程中對資源的循環(huán)利用；④隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的不斷增加以及對降低油耗要求的不斷提高，促使發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比、渦輪前段溫度不斷提高，這些變化推動(dòng)了新型輕質(zhì)材料和高合金化高溫材料的研究與應(yīng)用，以及相應(yīng)的各項(xiàng)制造技術(shù)的不斷進(jìn)步。在各項(xiàng)制造技術(shù)中，等溫模鍛技術(shù)作為一種高可靠的精密鍛造工藝，對于提高飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件的性能具有其獨(dú)特的優(yōu)勢，對于促進(jìn)飛機(jī)制造業(yè)的發(fā)展具有重要意義。然而，飛機(jī)制造業(yè)的發(fā)展也促進(jìn)著等溫鍛造技術(shù)的不斷革新。

1 鍛件在航空飛機(jī)上的應(yīng)用

鍛造技術(shù)在航空工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，主要用于制造飛機(jī)中承受交變載荷和集中載荷的關(guān)鍵零部件。如用于制造飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)件和起落架等主要承力件。由鍛件制成的零件質(zhì)量約占飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的20%～35%，占發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的30%～45%，是決定飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)性能、可靠性、壽命以及經(jīng)濟(jì)性的重要因素之一。

1.1 鍛件在飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

鍛件在飛機(jī)機(jī)身上有著廣泛的應(yīng)用，如發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)架、門框架、機(jī)身承力框梁、機(jī)翼框梁、接頭等零件，具體分布如圖1所示。其中，機(jī)身承力框梁、機(jī)翼框梁、接頭等零件主要是以模鍛方式生產(chǎn)的模鍛件，材料以鈦合金、鋁合金、結(jié)構(gòu)鋼為主。目前，飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)鍛件的特點(diǎn)突出表現(xiàn)為：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、投影面積大、成形難度大；并且近些年來所使用的新材料在增多，對其組織、斷裂韌性以及疲勞強(qiáng)度的要求都在提高。圖2為用于飛機(jī)機(jī)身的鈦合金鍛件的照片。

圖1 采用鍛件加工的飛機(jī)機(jī)身零件分布圖Fig.1 Distribution diagram of forging parts in aircraft frame

圖2 用于飛機(jī)機(jī)身的鈦合金鍛件的照片F(xiàn)ig.2 Photos of titanium alloy forging parts used in aircraft frame

1.2 鍛件在起落架上的應(yīng)用

無論是軍用飛機(jī)還是民用飛機(jī)，起落架都是至關(guān)重要的部位。在飛機(jī)頻繁起降過程中，飛機(jī)起落架要承受較大的沖擊載荷。因此，對鍛件的組織和性能要求更高，需要嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)材料的冶金工藝以及鍛造工藝。圖3為飛機(jī)起落架的實(shí)物照片。

圖3 飛機(jī)起落架的照片F(xiàn)ig.3 Photo of aircraft landing gear

飛機(jī)起落架主要以模鍛方式生產(chǎn)，其模鍛件具有尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、投影面積大的特點(diǎn)。材質(zhì)以高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼和高強(qiáng)高韌鈦合金為主，加工過程中變形抗力大。對鍛件的組織均勻性、耐沖擊性、耐疲勞性有著較高的要求。圖4為2種常見的飛機(jī)起落架用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼鍛件的照片。

圖4 飛機(jī)起落架用300M鋼鍛件的照片F(xiàn)ig.4 Photos of 300M steel forging parts used in aircraft landing gear

1.3 鍛件在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部位上的應(yīng)用

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上的壓氣機(jī)盤 、渦輪盤、隔圈、密封環(huán)、整體葉盤、雙性能盤、渦輪軸、 風(fēng)扇軸等關(guān)鍵零件均采用鍛造技術(shù)制備，具體分布如圖5所示。

圖5 鍛件在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的分布圖Fig.5 Distribution diagram of forging parts in aircraft engine

用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的鍛件所選用的材料以高溫合金(含粉末高溫合金)、鈦合金以及鋼為主，且對其綜合性能(高溫、常溫力學(xué)性能)、微觀組織均勻性要求較高。這些鍛件加工過程的主要特點(diǎn)表現(xiàn)為材料變形抗力大、工藝控制困難。圖6為2種常見航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鍛件的照片。

圖6 航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鍛件的照片F(xiàn)ig.6 Photos of forging parts used in aircraft engine

2 鈦合金等溫鍛造技術(shù)

航空飛機(jī)的發(fā)展促使飛機(jī)設(shè)計(jì)理念不斷變化，由靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)向損傷容限性設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變。此外，隨著對飛機(jī)結(jié)構(gòu)減重以及綜合疲勞性能要求的不斷提高，促使零件結(jié)構(gòu)向整體化、大型化方向發(fā)展。所有這些變化都需要不斷發(fā)展的先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料及先進(jìn)鍛造技術(shù)作為支撐。

圖7為各類材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中用量的變化趨勢。由圖7可以看出，目前高溫合金和鈦合金的用量分別占到發(fā)動(dòng)機(jī)總質(zhì)量的55% ～65%和25% ～40%，依然是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要材料，不同的是合金化程度在不斷提高，性能也隨之提高。同時(shí)可以看出，金屬間化合物的用量在逐漸增加。

圖7 各類材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中用量的變化趨勢Fig.7 Dosage tendency of various materials in aircraft engine

由于材料的合金化程度比較高，在鍛造過程中，組織轉(zhuǎn)變更為復(fù)雜，控制各種強(qiáng)化相和析出相數(shù)量及形態(tài)的工藝難度較傳統(tǒng)材料高出很多，并且熱處理對很多材料組織性能的可調(diào)性有限，須通過精確控制鍛造工藝參數(shù)來滿足對鍛件組織性能的要求。而常規(guī)的鍛造工藝已不能滿足需要，需采取更先進(jìn)的鍛造工藝才能滿足飛機(jī)制造業(yè)發(fā)展的需求。通過對變形過程參數(shù)的精確控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對鍛件組織性能的精確控制，從而提高零件的綜合使用性能。

2.1 鈦合金等溫鍛造技術(shù)

為了提高飛機(jī)的性能，對航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比要求越來越高，必須盡一切可能降低飛機(jī)每一克質(zhì)量。研究表明，由小鍛件連接的大部件改成整體大部件，可顯著提高部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減輕部件的總體質(zhì)量。制造大型復(fù)雜的整體構(gòu)件普通的模鍛技術(shù)無能為力，等溫鍛造技術(shù)為其提供了新的技術(shù)支撐。我國于70年代初開始鈦合金等溫鍛造技術(shù)的研究。

鈦合金等溫鍛造技術(shù)即鈦合金等溫模鍛，是把模具加熱到與鍛坯相同的溫度，使坯料在恒溫條件下，在專用壓力機(jī)上以較低的變形速率成形，避免了模具對材料的激冷，其模具見圖8。等溫模鍛工藝可分為超塑性等溫鍛造、等溫模鍛和近等溫模鍛三種，表1為這三種等溫鍛造工藝與普通鍛造工藝的對比。

圖8 等溫鍛造的模具Fig.8 The mold of isothermal forging

2.2 鈦合金等溫鍛造技術(shù)優(yōu)勢

鈦合金等溫鍛造技術(shù)主要有以下特點(diǎn)及優(yōu)勢：①鍛件表面及內(nèi)部溫度均勻，可消除冷模組織(即表面粗晶)；②可以提高鍛件組織均勻性，消除組織應(yīng)力，后續(xù)加工變形??；③可以顯著減小變形抗力，大大提高設(shè)備的生產(chǎn)能力；④可以提高材料塑性，甚至使其達(dá)到超塑性，實(shí)現(xiàn)難變形材料的變形；⑤應(yīng)變速率低，避免了鍛造過程中產(chǎn)生熱效應(yīng)(心部產(chǎn)生粗晶)；⑥變形過程均勻可控，再結(jié)晶充分，可消除局部粗晶、混晶；⑦可大幅度提高材料的利用率。

2.2.1 改善冷模組織

冷模組織產(chǎn)生于鍛件表面，由于受到模具溫度和摩擦的影響，導(dǎo)致變形和再結(jié)晶不充分，因而組織表現(xiàn)為“粗晶”。當(dāng)采用等溫鍛造工藝時(shí)，則可以消除冷模組織。圖9為等溫模鍛件與其他普通模鍛件的溫度場分布圖。

表1 幾種鍛造工藝的對比Table 1 Comparison of several kinds of forging processes

圖9 等溫模鍛件與普通模鍛件的溫度場分布圖Fig.9 Temperature distribution of forgings by isothermal forging and other conventional forging

由圖9可以發(fā)現(xiàn)，與普通模鍛比較，通過等溫模鍛得到的高溫合金盤鍛件上下表面無冷模組織，大大提高了鍛件表面和心部的組織均勻性。

2.2.2 提高鍛件精度

等溫鍛造工藝可以消除冷模組織，減小鍛件設(shè)計(jì)保護(hù)余量，提高鍛件的精度，可將單邊加工余量由8～10 mm減小到4～6 mm，在節(jié)約材料的同時(shí)，減少后續(xù)機(jī)械加工的工時(shí)。

圖10為鈦合金等溫模鍛件與普通模鍛件截面輪廓的對比圖。

圖10 鈦合金等溫模鍛件與普通模鍛件實(shí)物輪廓對比圖Fig.10 Outline of titanium alloy isothermal forging and conventional forging

2.2.3 提高鍛件顯微組織均勻性

圖11為經(jīng)等溫模鍛得到的TC11鈦合金盤件不同部位的顯微組織。從圖中可以看出，盤件8個(gè)不同部位的組織中等軸α相含量的比例非常接近，均勻在40%左右，表明等溫精密模鍛件具有良好的組織均勻性。

圖11 TC11鈦合金葉盤不同部位的顯微組織(500×)Fig.11 Microstructures of TC11 titanium alloy diskin different position(500×)

2.2.4 降低鍛件內(nèi)部的殘余應(yīng)力

鍛件殘余應(yīng)力包括組織應(yīng)力和溫度應(yīng)力，是導(dǎo)致零件變形進(jìn)而可能引起飛機(jī)故障的主要因素之一。由于鍛造過程中殘余應(yīng)力過大而造成Ti2AlNb合金零件出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象(圖12)。然而，由于等溫鍛造變形緩慢，變形速率低，再結(jié)晶充分，可消除加工硬化，減小殘余應(yīng)力，提高零件的使用壽命。

圖12 Ti2AlNb合金零件因殘余應(yīng)力過大而斷裂的照片F(xiàn)ig.12 Machining cracks of Ti2AlNb alloy part caused by larger residual stress

2.2.5 促進(jìn)飛機(jī)零件的整體化設(shè)計(jì)

等溫鍛造工藝可以降低變形抗力、提高鍛件精度，從而實(shí)現(xiàn)“小設(shè)備干大活”，促進(jìn)零件的整體化設(shè)計(jì)，進(jìn)而提高飛機(jī)的疲勞壽命和可靠性。大型整體結(jié)構(gòu)鍛件是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)整體化的必要條件，將傳統(tǒng)的多件組合件(如梁、框、軸等)改為整體構(gòu)件，可以有效減少零件和連接件的數(shù)量，進(jìn)而設(shè)計(jì)更薄的構(gòu)件剖面，減輕飛機(jī)的重量(約20%)，并且可以減少應(yīng)力集中以及金屬流線的中斷，提高飛機(jī)構(gòu)件的抗疲勞性能、抗腐蝕性能和安全可靠性。以高推比發(fā)動(dòng)機(jī)葉盤為例，圖13為傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)葉盤連接方式示意圖，圖14則為發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤的幾種典型結(jié)構(gòu)。

圖13 傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)葉盤連接方式示意圖Fig.13 Diagram of traditional connection type of aero-engine disk

圖14 幾種典型的鈦合金發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤的照片F(xiàn)ig.14 Photos of several typical titanium alloy aero-engine disk

實(shí)踐表明，發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤具有以下優(yōu)點(diǎn)：①減重，美國GE公司生產(chǎn)的F414發(fā)動(dòng)機(jī)第2、3級(jí)風(fēng)扇采用整體葉盤結(jié)構(gòu)，共減重20.34 kg；②簡化結(jié)構(gòu)，F(xiàn)414發(fā)動(dòng)機(jī)第2、3級(jí)風(fēng)扇和前3級(jí)高壓壓氣機(jī)采用整體葉盤結(jié)構(gòu)，零件數(shù)量減少了484個(gè)；③增效，整體葉盤結(jié)構(gòu)消除了葉片和輪盤連接處氣流在榫縫中的逸流損失，從而提高了增壓效率；④ 提高安全可靠性，整體結(jié)構(gòu)避免了葉片和輪盤因加工或裝配不當(dāng)而造成的故障，甚至是機(jī)毀人亡事故。

3 等溫模鍛技術(shù)的發(fā)展

航空零件的制造朝著高安全、高可靠、低成本的方向發(fā)展，與之相對應(yīng)，航空鍛造業(yè)也正在朝著高質(zhì)量、高效率、低成本的方向發(fā)展。為了克服等溫鍛造工藝存在的模具成本高、生產(chǎn)效率低的弊端，需引進(jìn)數(shù)字化和信息化技術(shù)以提高工藝設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，降低成本，提高效率等。此外，還應(yīng)提高鍛造主設(shè)備以及配套工裝設(shè)備的柔性化、自動(dòng)化和可控化，對原材料實(shí)施嚴(yán)格的管控和回收處理，不斷開發(fā)成本低的模具材料，降低等溫鍛造工藝原材料和模具的成本等。

3.1 數(shù)字化和信息化技術(shù)的應(yīng)用

鍛造工藝中需要用到的數(shù)字化技術(shù)主要包括鍛造工藝開發(fā)階段使用的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)與工藝仿真(CAE)技術(shù)，鍛造模具及工裝設(shè)計(jì)階段使用的CAD技術(shù)以及模具制造階段使用的模具數(shù)字化制造(CAM)技術(shù)。其中，CAD技術(shù)與CAE技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用可以極大提高產(chǎn)品及工藝設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和效率。例如，通過仿真不僅可以驗(yàn)證成形的合理性，從而調(diào)整鍛件設(shè)計(jì)和預(yù)制坯設(shè)計(jì)，還可以優(yōu)化工藝流程，提高效率。CAM技術(shù)與CAD技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用則可以提高加工的準(zhǔn)確性和效率。對鍛造用壓力機(jī)實(shí)現(xiàn)滑塊位移、速率的高精度控制可以提高工藝控制精度，保證產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。

信息化技術(shù)的應(yīng)用可以有效推動(dòng)鍛造工業(yè)的發(fā)展，尤其是生產(chǎn)過程的信息化具有重要意義。計(jì)算機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工工藝仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助制造、數(shù)字化制造設(shè)備的應(yīng)用、產(chǎn)品質(zhì)量的在線監(jiān)測等各項(xiàng)現(xiàn)代化技術(shù)的應(yīng)用，能夠保證從原材料到成品加工過程中各種信息的暢通交流和統(tǒng)一協(xié)調(diào)，形成一個(gè)集成的智能化制造系統(tǒng)。

3.2 稀貴金屬回收處理及再利用技術(shù)的應(yīng)用

航空飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)用材料大多為稀有的貴重金屬，如鈦合金等都是經(jīng)礦山開采、篩選及很復(fù)雜的冶煉工藝才能獲取的，若把這些耗費(fèi)了很大人力、財(cái)力和物力的稀貴金屬回收并再利用，不僅可以大大降低材料研制成本，更重要的是回收的材料已經(jīng)過多次精煉和凈化處理，直接使用可以提高和穩(wěn)定材料的質(zhì)量。

目前國內(nèi)尚未建立各種高溫合金的回收利用體系，導(dǎo)致航空原材料的價(jià)格居高不下，與國外相比，無論是原材料還是鍛件，其成本均較高，缺乏競爭力。因此，應(yīng)加大稀貴金屬回收利用技術(shù)的研發(fā)，推動(dòng)該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用的深度。

3.3 低成本模具材料的研發(fā)及應(yīng)用

航空鍛件材料多數(shù)為特種難變形合金，采用熱模鍛工藝或者等溫模鍛工藝成形。目前所使用的模具材料為鑄造高溫合金，成本較高，一定意義上制約了等溫模鍛技術(shù)的應(yīng)用。因此，應(yīng)加大對高溫模具材料的研發(fā)力度，尤其是對可在600～1 000 ℃使用的低成本模具材料的研發(fā)。

[1]姚澤坤.鍛造工藝學(xué)與模具設(shè)計(jì)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2007：84-163.

[2]郭鴻鎮(zhèn).合金鋼與有色合金鍛造[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2009：186-208.

Aircraft Manufacturing Development and Isothermal Forging Technique for Titanium Alloy

Zhai Jiangbo

(AVIC Shaanxi Hongyuan Aviation Forging Co.,Ltd.,Xianyang 713801,China)

The forging application in the aircraft frame was introduced firstly,and the importance of the forging to the aircraft manufacturing was emphasized.Also,the variation of the structural materials used in the aircraft and the structure designing concept to the forging technique were analyzed,combined with the aircraft’s development and requirement.Subsequently,isothermal die-forging technique and its advantages to the pieces property were emphasized.Finally,to promote the applying and development of isothermal die-forging technique,some other techniques used to decrease the cost were introduced,which included the digital and information technology,rare metals recycling and reuse technology,low cost mold material preparation technology and so on.

aircraft; manufacturing; structural parts; isothermal forging

2015-02-27

翟江波(1981—)，男，工程師。