厚板結(jié)構(gòu)外涵筒體制造技術(shù)研究

摘 要：文章對厚板鈦合金材料外涵機(jī)匣筒體的工藝方法進(jìn)行研究，結(jié)合公司現(xiàn)有設(shè)備能力，摸索出一套完善的加工工藝和工裝，實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：鈦合金；外涵筒體；工裝；加工工藝

引言

外涵機(jī)匣分主要分為三大類，一類為復(fù)合材料外涵機(jī)匣，另一類為薄板鈦合金成形后焊接安裝座結(jié)構(gòu)，另一類為鍛鑄件機(jī)械加工的外涵機(jī)匣。前兩種常規(guī)外涵機(jī)匣的共同缺點(diǎn)為強(qiáng)度低，無法適用新形發(fā)動機(jī)的要求。而機(jī)械加工的外涵機(jī)匣因加工效率較低，制造成本較大，不適合批量生產(chǎn)。為適應(yīng)新形的發(fā)動機(jī)要求，國內(nèi)開展了厚板鈦合金成形后，經(jīng)機(jī)械加工加強(qiáng)肋后再焊接安裝座或化學(xué)銑加工加強(qiáng)肋和安裝座，新形結(jié)構(gòu)外涵機(jī)匣大大提高零件的強(qiáng)度，符合新形發(fā)動機(jī)的要求。但厚板鈦合金的成形困難，加工精度低、單組件焊接變形、工藝流程安排等問題需要研究和解決。

1 材料及結(jié)構(gòu)分析

1.1 材料分析

化銑結(jié)構(gòu)的外涵機(jī)匣一般為鈦合金TA15材料，TA15鈦合金的名義成分為Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V。屬于高Al當(dāng)量的近а形鈦合金，它既具有а形鈦合金良好的熱強(qiáng)性和可焊性，又具有接近а-в形鈦合金的工藝塑形。TA15鈦合金具有中等的室溫和高溫強(qiáng)度、良好的熱穩(wěn)定性和焊接性。TA15長時間工作問度可達(dá)500℃，瞬時可達(dá)800℃。450℃下工作時壽命達(dá)6000h[1]。TA15材料化學(xué)成分見表1。熱處理制度見表2。

TA15鈦合金常溫屈服極限較高，其常溫屈服極限930～1130Mpa，是一種常溫下難成形的材料，而厚度采用的大于4mm厚度，這更加大了零件的成形難度。本材料的焊接性能良好，其焊接焊接主要問題是焊接接頭脆化、焊接接頭裂紋、焊接氣孔。

加強(qiáng)保護(hù)，嚴(yán)格焊前清理，控制焊接速度。選擇合適的焊接參數(shù)，優(yōu)良的焊接方法的選擇，焊后進(jìn)行真空熱處理。以達(dá)到減少焊接缺陷。

1.2 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析

外涵筒體分為、直段筒體、對開錐段筒體、帶形面的筒體結(jié)構(gòu)。如圖1所示。零件厚度為4到10mm，零件成形后分為機(jī)械加工加強(qiáng)筋和組合后化學(xué)銑加工兩種方式。筒體厚度增大，給零件的成形及焊接帶來一定的困難，零件加工精度的提高。

2 工藝

2.1 焊接方法的選擇

焊接中，焊件受到電弧不均勻的加熱，受熱區(qū)的金屬熱膨脹程度就不同，此時由金屬熱引起的內(nèi)應(yīng)力及變形是暫時的；當(dāng)焊接完成，焊件冷卻后，剩余的內(nèi)應(yīng)力造成焊件最終的焊接變形。從筒體機(jī)匣的結(jié)構(gòu)情況看，選擇先進(jìn)的焊接方法電子束焊接。電子束焊接以其高功率密度、焊接熱輸入量小、焊接變形小、焊縫深寬比大、焊接接頭無氧化、焊接后殘余應(yīng)力小和焊縫質(zhì)量好等特點(diǎn)。針對此零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，焊接部位大于4mm的鈦合金焊接，符合電子束焊接的要求，能最大程度地發(fā)揮電子束焊接的優(yōu)勢，電子束焊的熔深比一般為5：1到10：1，是普通熔焊方法幾十倍[2]。

2.2 焊接參數(shù)確定

通過對材料的分析，選取與零件技術(shù)條件、狀態(tài)、厚度與正式零件相同的TA15零件進(jìn)行焊接參數(shù)試驗(yàn)，參數(shù)試驗(yàn)在焊接前進(jìn)行，焊接試片的表面狀態(tài)與實(shí)際零件相同，經(jīng)多次調(diào)整焊接參數(shù)，確定如表3的焊接參數(shù)。

2.3 主要工藝流程

零件成形的精度，主要取決于零件的下料尺寸，預(yù)留滾床成形壓邊余量計(jì)算展料尺寸；激光或水切割下料，預(yù)留滾床成形時壓邊100mm以上；四軸滾床成形；銑加工去除彎曲時預(yù)留的工藝壓邊，保證零件對接口位置母線向心，截面厚度等于料厚；鈦合金焊接前酸洗；氬弧焊定位，定位焊后采用氬弧焊接或電子束焊接，焊接中定位時用專用高強(qiáng)度剛性夾具夾緊；焊后無損檢測；不帶型面面的零件直接采用真空熱定形的工藝完成零件的成形，帶型面面的零件采用氣脹加熱定形的綜合工藝方法。

2.3.1 筒體氣脹成形

如何確定氣脹成形的溫度，是筒體氣脹成形工藝能否成功的關(guān)鍵問題。溫度不夠，材料沒有明顯的超塑性，筒體直段無法有效成形；溫度過高，有可能造成TA15材料的晶粒粗大，降低材料強(qiáng)度，影響零件使用。TA15板材熱處理溫度為850℃，于是我們將筒體氣脹成形溫度確定為850℃；在這個溫度時TA15材料既有很好的塑性，組織性能又保持不變。

氣囊材料和氣脹壓力的選擇，對筒體氣脹成形也是至關(guān)重要的。以往薄壁鈦合金筒形件氣脹成形時，氣囊材料大都采用08F，厚度0.5mm，氣脹壓力為0.3-0.5MPa。對于TA15厚板材的氣脹成形，我們選擇1Cr18Ni9Ti材料，厚度1.0mm板材作為氣囊材料，氣脹壓力選為0.8MPa。

氣脹成形夾具結(jié)構(gòu)見圖2，此夾具由內(nèi)壁、外壁和氣囊等組成，在氣脹爐中采用高溫利用氣囊的壓力對筒體直段進(jìn)行成形。

2.3.2 筒體氣脹成形后熱定形

筒體氣脹成形只是將直段進(jìn)行初成形，要想達(dá)到筒體設(shè)計(jì)尺寸，還需要對筒體進(jìn)行真空熱定形。熱校形的原理是根據(jù)鈦合金材料高溫塑性好，線膨脹系數(shù)較小的特點(diǎn)，采用某種高溫剛性較好，線膨脹系數(shù)較大的材料制成一個內(nèi)胎，該內(nèi)胎在常溫下能夠自由地裝進(jìn)已變形的鈦合金零件內(nèi)，而在高溫時，恰好與零件在高溫狀態(tài)下的理想內(nèi)形面吻合。將該胎具在常溫下裝進(jìn)零件，一同放進(jìn)正空爐內(nèi)，隨著溫度的升高，因胎具的線膨脹系數(shù)較鈦合金的線膨脹系數(shù)大，使零件零件受到胎具膨脹而產(chǎn)生的壓力，發(fā)生塑性變形至理想狀態(tài)。當(dāng)零件和胎具一同降至室溫時，此熱塑性變形保持下來，從而達(dá)到零件成形或校正零件變形的目的。筒體熱定形胎具結(jié)構(gòu)見圖3。

該熱定形胎具全部采用1Cr18Ni9Ti材料，利用材料熱膨脹原理可以在750℃下對筒體進(jìn)行熱定形，使筒體內(nèi)徑達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)果討論與分析

鈦合金中厚板材加工筒形件，往往采用熱成形1/2或1/3進(jìn)行加工，如果零件較大，分瓣會相應(yīng)增加，并且熱成形加工時氧化問題不可避免，同時分瓣成形后給焊接帶來很大難度，焊接后需要對零件進(jìn)行多次熱定形，能源浪費(fèi)、成本較高。我們采用預(yù)留滾壓壓邊、數(shù)控四軸冷彎成形、電子束焊接、氣脹成形、真空熱定形工藝、機(jī)械加工大小端直徑的工藝路線，完成零件的成形及加工，零件加工后滿足設(shè)計(jì)圖紙及組件的焊接要求，本加工路線對帶型面的厚筒形件進(jìn)行成形嘗試，取得了很好的效果，同時節(jié)省了龐大的熱成形、熱校形工裝。鈦合金中厚板筒形件成形的成功研制和新工藝的應(yīng)用，為鈦合金鈑焊加工拓展了新的空間。

參考文獻(xiàn)

[1]呂春光，邱明星，田靜，等.航空發(fā)動機(jī)外涵機(jī)匣結(jié)構(gòu)建模方法研究[J].航空發(fā)動機(jī)，2012，38（1）：29-32.

[2]賈鐸，高雷，高東武.穿過外涵機(jī)匣的管路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].航空發(fā)動機(jī)，2015，41（3）：36-38.

作者簡介：劉曉娟（1976-），女，遼寧，高級工程師，從事焊接結(jié)構(gòu)件加工技術(shù)研究十五年。