航天先進(jìn)輕合金材料及成形技術(shù)研究綜述

李中權(quán)，肖 旅，李寶輝，王先飛

(1. 上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600； 2. 上海金屬材料近凈成形工程技術(shù)研究中心，上海 201600)

0 引言

隨著我國航天事業(yè)的飛速發(fā)展，輕量化已成為航天制造業(yè)的主流。作為航天制造領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)，輕合金材料及其成形的應(yīng)用將越來越廣泛。國內(nèi)外對(duì)高性能Al，Mg，Ti等輕合金材料研發(fā)的成熟度不斷提高，成形技術(shù)也正朝著大型化、整體化、復(fù)雜化和精密化的方向迅速發(fā)展。為推動(dòng)先進(jìn)輕合金材料及成形技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用，本文綜述了高性能輕合金材料、鑄造、鈑金成形、增材制造等技術(shù)領(lǐng)域在基礎(chǔ)理論、工藝開發(fā)、裝備研制、工程應(yīng)用等方面的發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了高強(qiáng)耐熱鑄造鎂合金材料、高性能鈦鋁合金材料、高性能鎂合金熔模精密鑄造、數(shù)字化鑄造、旋壓成形、超塑成形、鈦/鋁合金電弧熔絲增材制造等相關(guān)技術(shù)的研究進(jìn)展。

1 高性能輕合金材料技術(shù)

1.1 高性能鎂基材料技術(shù)

1.1.1 高強(qiáng)耐熱鎂合金

國外的鑄造鎂合金體系相對(duì)比較成熟。1950年前后，發(fā)展了Mg-Nd，Mg-Th系等含稀土鎂合金，并發(fā)現(xiàn)在Mg-RE合金中加入Zr元素可有效細(xì)化合金晶粒，加入Ag元素能改善其時(shí)效硬化特性，從而開發(fā)出EK系(Mg-RE-Zr)合金，其中EK30A是首個(gè)以稀土為主要合金元素的高溫鑄造鎂合金，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上得到應(yīng)用[1]；同時(shí)，開發(fā)了ZE41A，QE22A等合金，QE22A合金被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、導(dǎo)彈的優(yōu)質(zhì)鑄件，如美洲虎攻擊機(jī)的座艙蓋骨架等。1960—1980年，英國研究人員通過對(duì)Mg-Y-Nd基合金進(jìn)行深入研究，開發(fā)出高強(qiáng)耐熱的WE43，WE54合金，并將其大量用于各類飛機(jī)的變速箱、齒輪箱[2]。為進(jìn)一步提高鎂合金的強(qiáng)度和耐熱性，國外又發(fā)展了Mg-Nd-Y-Zr，Mg-Gd-Y-Zr，Mg-Gd-Y-Mn等稀土系高強(qiáng)耐熱鎂合金。

圖1 采用鎂基復(fù)合材料制備的部分航天結(jié)構(gòu)件Fig.1 Spaceflight structural parts made with magnesium-based composite materials

我國是鎂資源和稀土資源都很豐富的國家，在含稀土高強(qiáng)耐熱鎂合金研究方面擁有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。20世紀(jì)80年代初，我國已擁有ZM1，ZM5，ZM6等系列鑄造鎂合金[2]。20世紀(jì)90年代后期，上海交通大學(xué)研究了Mg-Gd，Mg-Gd-Y，Mg-Gd-Zn，Mg-Gd-Ag系合金，研發(fā)出4個(gè)JDM系列高性能稀土鎂合金[3]。近年來，重慶大學(xué)對(duì)變形鎂合金開展了大量研究，開發(fā)的VW92M合金抗拉強(qiáng)度大于350 MPa，屈服強(qiáng)度大于250 MPa，延伸率大于10%，較國外同類合金在相同強(qiáng)度下的延伸率提高近2倍[4]。上海航天精密機(jī)械研究所針對(duì)Mg-Gd-Y-Zr高強(qiáng)耐熱鑄造鎂合金開展了大量研究，已形成工程化應(yīng)用能力，將其應(yīng)用于飛行器彈體等主承力構(gòu)件。

1.1.2 輕質(zhì)高模量鎂基復(fù)合材料

國外已成功制備了輕質(zhì)高模的碳纖維/石墨纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，且在高精度航天結(jié)構(gòu)件上實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用[5]。瑞士聯(lián)邦材料測(cè)試與開發(fā)研究所采用T300碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，制造了哈勃太空望遠(yuǎn)鏡部分構(gòu)件，如圖1(a)所示。美國LLC公司開發(fā)了連續(xù)和非連續(xù)石墨纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料產(chǎn)品，采用壓力浸滲法制備出高模高強(qiáng)低膨脹鎂基復(fù)合材料，該材料彈性模量高達(dá)345 GPa，密度小于2.1 g/cm3，應(yīng)用于大氣層外殺傷飛行器反射鏡鏡架和測(cè)量用構(gòu)件，如圖1(b)所示。美國“海盜”號(hào)飛船的高增益天線采用蜂窩結(jié)構(gòu)碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，質(zhì)量小于5 kg，同時(shí)滿足了信號(hào)高增益和在高真空與強(qiáng)輻射環(huán)境中能正常工作的要求。

我國在輕質(zhì)高模量鎂基復(fù)合材料領(lǐng)域的研究還處于初級(jí)階段[6]。上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)較早開展了連續(xù)增強(qiáng)和非連續(xù)增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料方面的基礎(chǔ)研究，制備工藝主要為攪拌鑄造和低壓浸滲。內(nèi)蒙古金屬材料研究所、西安交通大學(xué)采用粉末冶金法制備顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，并開發(fā)出復(fù)合材料彈托?？傮w來說，國內(nèi)開發(fā)的碳化硅、氮化硼、硼酸鋁、碳納米管等增強(qiáng)體強(qiáng)化的鎂基復(fù)合材料，存在模量和強(qiáng)度較低等問題，大部分已開發(fā)的高體積分?jǐn)?shù)鎂基復(fù)合材料密度大于2 g/cm3，彈性模量小于80 GPa，強(qiáng)度小于400 MPa。

1.2 高性能鈦基材料技術(shù)

1.2.1 高溫鈦合金

高溫鈦合金是伴隨航空、航天工業(yè)的發(fā)展而發(fā)展起來的。高溫鈦合金高溫強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度的提高主要依賴于Al，Sn，Zr等α穩(wěn)定元素的固溶強(qiáng)化作用。使用溫度從早期Ti-6Al-4V(見圖2)的350 ℃到21世紀(jì)新型高溫鈦合金的650～700 ℃，平均10年才能將使用溫度提高60～70 ℃[7]。美國的Ti-6242S的使用溫度為520 ℃，Ti-1100的使用溫度為600 ℃。英國開發(fā)的IMI834的使用溫度為600 ℃。俄羅斯開發(fā)的BT8，BT25，BT18的使用溫度分別達(dá)到500，550，600 ℃?？傮w來說，國外使用溫度600 ℃以下的高溫鈦合金已基本成熟，正在開展更高使用溫度的鈦合金研制。在應(yīng)用方面：美國TIMET公司研制成功的高溫鈦合金已用于PW4068發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴；英國伯明翰大學(xué)、Rolls-Royce公司使用IMI834高溫鈦合金制成發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤；德國Tital精鑄公司采用IMI834合金生產(chǎn)了燃?xì)鉁u輪航空發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件；俄羅斯成功研制的高溫鈦合金鑄件已在X-31反輻射導(dǎo)彈進(jìn)氣道和油箱上得到應(yīng)用[8-9]。

圖2 Ti-6Al-4V鈦合金鑄件Fig.2 Castings of Ti-6Al-4V alloy

我國的鑄造鈦合金牌號(hào)已有10多種[7]。隨著鑄鈦工藝的發(fā)展，鈦合金鑄件的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，鑄件結(jié)構(gòu)日益大型化、復(fù)雜化，鑄件壁厚越來越薄。然而，目前國內(nèi)應(yīng)用最多的仍是Ti-6Al-4V合金，占鑄件總量的90%以上，其使用溫度較低。400～500 ℃使用的鈦合金近些年才得到應(yīng)用，北京航空材料研究院研制的500 ℃長期使用的鑄造高溫鈦合金，將用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)鑄件。

1.2.2 鈦基復(fù)合材料

國外鈦基復(fù)合材料技術(shù)已相當(dāng)成熟，并已形成相關(guān)材料標(biāo)準(zhǔn)[10]。日本住友金屬工業(yè)公司開發(fā)的TiC顆粒增強(qiáng)Ti-5.7Al-3.5V-11.0Cr復(fù)合材料，被用作發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥、造紙輥等。日本本田汽車研究中心利用粉末冶金法制備出TiB/Ti-4.3Fe-7.0Mo-1.4Al-1.4V復(fù)合材料，將其制成汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣門閥等構(gòu)件。英國伯明翰大學(xué)將大尺寸(100～300 μm)的Ti-6Al-4V粉與相對(duì)細(xì)小(5～50 μm)的TiB2粉混合，通過激光熔融混合粉末制備出TiB/Ti-6Al-4V復(fù)合材料，材料延伸率為6.6%，抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 090 MPa。

國內(nèi)對(duì)鈦基復(fù)合材料已開展多年研究[10-11]。西北有色金屬研究院對(duì)TiC進(jìn)行預(yù)處理，使其在熔煉過程中均勻、彌散分布，并將其加工成飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片。上海交通大學(xué)采用熔鑄法制備原位生成鈦基復(fù)合材料，利用B4C石墨粉末作為反應(yīng)劑，熔鑄后在較高溫度經(jīng)過多道次熱鍛，加工成TiC+TiB/Ti6242復(fù)合材料棒材。但是，以工程尺度構(gòu)件為對(duì)象進(jìn)行的材料制備、性能優(yōu)化與精密成形研究，在國內(nèi)還未見系統(tǒng)報(bào)道。

1.3 高性能TiAl合金材料技術(shù)

國外對(duì)TiAl合金的研究始于20世紀(jì)50年代，早期研究側(cè)重于電子顯微結(jié)構(gòu)。1974年，SHECHTMAN等[12]開始對(duì)TiAl合金的力學(xué)性能、變形機(jī)制等基礎(chǔ)理論展開研究。20世紀(jì)80年代起，商業(yè)TiAl合金和工藝開發(fā)研究逐步展開。TiAl合金商業(yè)應(yīng)用最具里程碑意義的事件發(fā)生在2006年，GE公司宣布將在GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)上使用TiAl合金低壓渦輪葉片[13]。2011年，經(jīng)過近60年的大量基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，TiAl合金正式在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上得到應(yīng)用。在航天領(lǐng)域，為提高飛行器馬赫數(shù)，必須使用輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料，TiAl合金是重要選項(xiàng)。國外已將TiAl合金成功應(yīng)用于航天器先進(jìn)推進(jìn)系統(tǒng)、熱結(jié)構(gòu)和熱保護(hù)系統(tǒng)[14]。1995年底，在德國超音速技術(shù)計(jì)劃框架內(nèi)，Plansee公司鍛造出首塊Ti-48Al-2Cr薄板。TiAl合金還曾被美國國家航空航天局(NASA)列為各航空航天計(jì)劃的備選材料，主要包括圖3中的單級(jí)入軌載具(SSTO)、X-40太空機(jī)動(dòng)載具(SMV)、X-38航天員救援載具、F-35聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)和高速研究(HSR)計(jì)劃。

圖3 計(jì)劃應(yīng)用TiAl合金的NASA項(xiàng)目Fig.3 NASA programs planning to use TiAl alloy

國內(nèi)在TiAl合金研究方面，提出了界面各向異性調(diào)控晶體取向的新理論，發(fā)明了定向凝固與定向固態(tài)相變相結(jié)合調(diào)控片層取向的“雙控”技術(shù)[15]。平行片層取向的TiAl單晶具有強(qiáng)度與塑性的良好匹配，高溫性能亦有跨越式提升：室溫拉伸屈服強(qiáng)度高達(dá)709 MPa，延伸率高達(dá)6.9%；900 ℃拉伸屈服強(qiáng)度仍高達(dá)637 MPa，持久壽命和最小蠕變速率優(yōu)于4822合金1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。但國內(nèi)對(duì)于TiAl合金的工程應(yīng)用研究還相對(duì)較少。

2 高性能輕合金鑄造技術(shù)

2.1 高性能鎂合金熔模精密鑄造技術(shù)

20世紀(jì)50年代，發(fā)達(dá)國家已采用熔模精密鑄造技術(shù)制造出最大外廓尺寸在800～1 000 mm的大型電子設(shè)備框架、航天器鎂合金殼體等[16]。據(jù)報(bào)道，在B236轟炸機(jī)上，共使用8 600 kg的鎂，其中30%為鎂合金精密鑄件。美國Aristo Cast公司研制的阻燃鎂合金熔模精密鑄件，已應(yīng)用于各類殼體、支架構(gòu)件，顯著降低了鑄件重量，如圖4所示。目前，國外的鎂合金熔模鑄造已形成標(biāo)準(zhǔn)(ASTMB403-12)，涵蓋各牌號(hào)鎂合金。該技術(shù)已成為制造高精度、復(fù)雜薄壁鎂合金鑄件的主流技術(shù)。

圖4 Aristo Cast公司生產(chǎn)的鎂合金熔模精密鑄件Fig.4 Precision investment castings of magnesium alloy made by Aristo Cast company

國內(nèi)對(duì)鎂合金熔模鑄造技術(shù)的研究和應(yīng)用起步較晚，主要集中在型殼材料的選擇、型殼制備等工藝基礎(chǔ)研究上[17]。研究認(rèn)為，常用的氧化物陶瓷材料Al2O3和鋯英粉，可作為鎂合金熔模鑄造的面層材料。但國內(nèi)仍在探索有效的鑄型材料，以防止鎂合金的燃燒。上海交通大學(xué)試驗(yàn)了小型薄壁結(jié)構(gòu)件的模殼制備工藝，測(cè)試了型殼性能，以及型殼與鎂合金的界面反應(yīng)，開展了鎂合金鑄件精密鑄造，但未實(shí)現(xiàn)復(fù)雜薄壁鑄件的成形。

2.2 輕合金數(shù)字化鑄造技術(shù)

2.2.1 鑄造過程數(shù)值模擬仿真技術(shù)

鑄造模擬仿真技術(shù)是傳統(tǒng)鑄造與計(jì)算數(shù)字化高新技術(shù)相結(jié)合的典范，可實(shí)現(xiàn)鑄件制造過程工藝優(yōu)化，顯著縮短產(chǎn)品研發(fā)周期[18]。歐美發(fā)達(dá)國家對(duì)鑄造模擬技術(shù)進(jìn)行了大量研發(fā)，從最開始的凝固過程溫度場(chǎng)模擬、基于解析法的組織模擬，發(fā)展到流動(dòng)場(chǎng)模擬、應(yīng)力應(yīng)變模擬，以及基于相場(chǎng)法、元胞自動(dòng)機(jī)法的組織模擬。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，商品化軟件系統(tǒng)已在很多重要的工礦企業(yè)得到應(yīng)用。著名的軟件系統(tǒng)有德國的MAGMASOFT、法國的PROCAST等[19]。近20年來，鑄造過程全流程模擬仿真技術(shù)已成為該領(lǐng)域的前沿技術(shù)，英國羅羅公司、美國通用汽車等著名企業(yè)均已展開相關(guān)研究，并初現(xiàn)成效。

圖5 采用無模技術(shù)加工鑄型Fig.5 Sand moulds made by pattern-less making process

國內(nèi)的鑄造數(shù)值模擬研究始于20世紀(jì)70年代，沈陽鑄造研究所、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)等先后開展了卓有成效的研究。一些商品化軟件已在實(shí)

際生產(chǎn)中發(fā)揮作用，如清華大學(xué)的鑄造之星/FT-Star、華中科技大學(xué)的華鑄CAE/InteCAST等[20]。近幾年，清華大學(xué)針對(duì)汽車、軍工等行業(yè)對(duì)高性能輕合金構(gòu)件鑄造成形技術(shù)的需求，圍繞鑄造鋁、鎂合金“工藝-組織-性能”建模與數(shù)值模擬等進(jìn)行了深入研究，建立了鋁、鎂合金壓鑄鑄造成形實(shí)驗(yàn)基地。

2.2.2 無模砂型加工技術(shù)

數(shù)字化無模砂型加工技術(shù)，通過編制程序?qū)崿F(xiàn)不同砂型、砂芯的快速加工，產(chǎn)品尺寸精度高、表面質(zhì)量好[21-22]。德國AcTech公司研發(fā)出用于切削砂型的機(jī)床，如圖5(a)所示，機(jī)床最大加工行程達(dá)到2.4 m，可在3周時(shí)間內(nèi)為顧客提供1～5個(gè)砂型。英國Sheffield鑄造開發(fā)中心開發(fā)出用于砂型切削的五軸數(shù)控設(shè)備，成功實(shí)現(xiàn)閥門、泵殼等鑄件砂型的生產(chǎn)，如圖5(b)所示，鑄件砂型制造周期由原來的3周縮減到1周，鑄型表面質(zhì)量好，最大成形尺寸達(dá)到2.6 m。

國內(nèi)，機(jī)械科學(xué)研究總院自主開發(fā)研制出的系列化三軸、五軸數(shù)字化無模鑄造精密成形機(jī)，適用于樹脂砂、水玻璃砂、覆膜砂、陶瓷等多種材質(zhì)砂型/芯制造，最大成形范圍為10 000 mm×3 000 mm×2 000 mm，實(shí)現(xiàn)了鋁合金、鎂合金等材質(zhì)大型復(fù)雜薄壁鑄件的快速制造[23]。大型殼體砂型及鑄件如圖6所示。

3 高性能輕合金鈑金成形技術(shù)

3.1 充液拉深成形技術(shù)

1958年，春日保男等[24]最先提出充液拉深成形技術(shù)，將液體直接作用在板材上進(jìn)行拉深成形，該技術(shù)在日本得到了較為廣泛的應(yīng)用。目前，世界發(fā)達(dá)國家對(duì)充液拉深技術(shù)的研究和應(yīng)用已相當(dāng)成熟。該技術(shù)主要應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域，涉及的輕合金構(gòu)件厚度在0.2～3.2 mm[25]。德國Schuler公司為滿足大尺寸板材零件成形的需要，研制出10 000 t立式四柱液壓成形設(shè)備，如圖7(a)所示，將其用于大型高精度零件流體高壓成形。美國國防部將充液拉深成形技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)唇口[26]，傳統(tǒng)工藝需要經(jīng)過20多道拉深成形工序，采用充液拉深成形技術(shù)僅需1道工序完成，大幅提升成形效率，如圖7(b)所示。

20世紀(jì)80年代，我國部分高校開始對(duì)液壓成形技術(shù)進(jìn)行研究[25]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)基于通用單動(dòng)和雙動(dòng)液壓機(jī)，研制了充液拉深設(shè)備，通過充液拉深技術(shù)成形了復(fù)雜型面的鋁合金件，如圖8(a)所示，并通過徑向加壓充液拉深技術(shù)，獲得了極限拉深比為2.8的5A06鋁合金球底筒形件。近年來，哈爾濱工業(yè)大學(xué)針對(duì)運(yùn)載火箭輕量化研制需求，開發(fā)出世界上最大的總噸位為15 000 t的流體高壓成形機(jī)，如圖8(b)所示。該裝備高壓液體容積為5 m3，工作臺(tái)面尺寸為4.5 m×4.5 m，專門用于制造航天大型薄壁整體構(gòu)件，已成功用于貯箱箱底成形。

圖6 大型殼體砂型及鑄件Fig.6 Sand moulds made by pattern-less making process and castings

圖7 國外液壓成形設(shè)備和成形構(gòu)件Fig.7 Hydroforming equipment and parts made by hydroforming technology

圖8 充液拉深成形構(gòu)件與液壓拉深機(jī)Fig.8 Parts made by hydromechanical deep drawing technology and hydroforming equipment

3.2 內(nèi)高壓成形技術(shù)

內(nèi)高壓成形技術(shù)的發(fā)展最早可追溯到20世紀(jì)40年代。國外，GREY等[27]首次利用內(nèi)壓力和軸向推力成形了T形銅管。MORI等[28]通過試驗(yàn)對(duì)內(nèi)高壓成形過程中的摩擦進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在發(fā)生脹形的地方摩擦系數(shù)要高，且其大小隨潤滑油黏度的提高而減小。隨著超高壓液壓系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，德國在20世紀(jì)90年代率先實(shí)現(xiàn)內(nèi)高壓成形技術(shù)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用[29]。

圖9 國產(chǎn)5 500 t流體高壓成形設(shè)備和內(nèi)高壓成形航天結(jié)構(gòu)件Fig.9 Domestic internal high pressure forming equipment of 5 500 t and spaceflight structural parts

國內(nèi)，北京航空航天大學(xué)、上海寶鋼集團(tuán)等在流體高壓成形理論、工藝、模具和裝備方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究。王仲仁等[30]首創(chuàng)了成本低、周期短的球形容器無模液壓脹形工藝。溫華典等[31]以多支管件為研究對(duì)象，提出在其內(nèi)高壓成形過程中添加芯軸，通過調(diào)整芯軸參數(shù)，提高零件的成形質(zhì)量。哈爾濱工業(yè)大學(xué)經(jīng)過多年的技術(shù)積累，開發(fā)出總噸位為5 500 t、成形壓力為400 MPa的流體高壓成形裝備，并實(shí)現(xiàn)了三通管、三通球形接頭、五通球形接頭等結(jié)構(gòu)件的整體制造和型號(hào)應(yīng)用，如圖9所示[32]。

3.3 旋壓成形技術(shù)

旋壓成形技術(shù)是利用旋輪對(duì)坯料施加壓力，使之產(chǎn)生連續(xù)、逐點(diǎn)的塑性變形，從而獲得各種母線形狀的空心旋轉(zhuǎn)體零件的塑性加工方法。JOSEPH等[33]研究發(fā)現(xiàn)，毛坯厚度、進(jìn)給比、減薄率、主軸轉(zhuǎn)速和熱處理工藝對(duì)工件成形質(zhì)量均有重要影響。PARK等[34]采用上限法進(jìn)行旋壓力計(jì)算，通過計(jì)算變形過程中消耗的總功率、切向力獲得球形和梯形速度場(chǎng)。在工程應(yīng)用方面[35]，美國的“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈的戰(zhàn)斗部艙、“民兵”洲際導(dǎo)彈艙段及喉型火箭內(nèi)襯、“毒刺”導(dǎo)彈殼體，俄羅斯的“白楊”洲際導(dǎo)彈艙段等都大量采用旋壓成形技術(shù)。

國內(nèi)研究旋壓成形技術(shù)的單位主要有西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和航空航天科研院所等。航天材料及工藝研究所、北京航空制造工程研究所、長春設(shè)備工藝研究所等單位根據(jù)自己的產(chǎn)品需求開展了旋壓成形技術(shù)研發(fā)[36]，如采用反旋工藝加工導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，采用內(nèi)旋壓工藝加工導(dǎo)彈帶橫內(nèi)加強(qiáng)筋的艙段。西安航天動(dòng)力機(jī)械廠采用旋壓工藝開展了曲母線形薄壁零件的研制和生產(chǎn)。

3.4 超塑成形技術(shù)

1945年，季霍諾夫等[37]在研究Zn-Al共晶合金高溫拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)，得到異常高的延伸率，并首次提出了“超塑性”這一概念。20世紀(jì)70年代早期，美國洛克威爾公司首先將該技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件制造中[38]。隨后，美國在F-15戰(zhàn)斗機(jī)后機(jī)身、B-1B大型轟炸機(jī)壁板艙門等重要構(gòu)件中大量采用了超塑成形(SPF)和超塑成形/擴(kuò)散連接組合工藝。在航天領(lǐng)域，美國愛德華空軍基地的火箭推進(jìn)研究所進(jìn)行了超塑成形推進(jìn)劑貯箱的研制，制造了Ti6Al4V半球形殼體，如圖10所示；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，先將2塊Ti6Al4V薄板焊接上，再通過SPF吹脹成半球形。

在國內(nèi)，航天材料及工藝研究所、首都航天機(jī)械公司、北京航星機(jī)器制造公司、北京航空制造工程研究所、北京航空材料研究院等單位均開展了超塑成形技術(shù)的應(yīng)用研究[38]。以航天材料及工藝研究所為代表的航天制造企業(yè)引進(jìn)了多臺(tái)超塑成形設(shè)備，最大尺寸為3 000 mm×2 000 mm×1 000 mm，成功研制出鈦合金球形氣瓶和環(huán)形氣瓶等產(chǎn)品。以北京航空制造工程研究所為代表的航空制造企業(yè)通過設(shè)備改造或自主研發(fā)，開發(fā)的鈦合金口蓋(2層)、腹鰭(4層)等輕量化整體結(jié)構(gòu)已得到應(yīng)用，如圖11所示，并積極開展了鈦合金寬弦空心風(fēng)扇葉片、可調(diào)葉片、衛(wèi)星貯箱等超塑整體構(gòu)件的成形工藝試驗(yàn)和應(yīng)用研究。

4 高性能輕合金增材制造技術(shù)

4.1 高強(qiáng)鋁合金激光選區(qū)熔化成形技術(shù)

近幾年，高強(qiáng)鋁合金的激光選區(qū)熔化(SLM)技術(shù)在國內(nèi)外得到了廣泛重視。德國埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)分別在2015年和2017年報(bào)道了SLM成形的EN-AW-2618和AW-2219鋁合金的力學(xué)性能，兩者極限抗拉強(qiáng)度和延伸率分別達(dá)到400 MPa，25%[39]和384 MPa，23%[40]。MARTIN等[41]通過靜電組裝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了納米ZrH2顆粒在Al7075粉末表面的均勻分布，實(shí)現(xiàn)了高性能Al7075合金成形，T6態(tài)力學(xué)性能達(dá)到抗拉強(qiáng)度383～417 MPa、屈服強(qiáng)度325～373 MPa、延伸率3.8%～5.4%。

圖10 國外超塑成形結(jié)構(gòu)件Fig.10 Structural parts made by superplastic forming technology abroad

圖11 鈦合金超塑成形結(jié)構(gòu)件Fig.11 Structural parts of titanium alloy made by superplastic forming technology

華中科技大學(xué)從2014年起開展了SLM成形AW-2024鋁合金研究，通過采用低的掃描速率獲得了無裂紋的致密鋁合金，致密度高達(dá)99.9%，熱處理后的極限抗拉強(qiáng)度和延伸率分別高達(dá)532 MPa和13.8%[42]。為了拓寬工藝區(qū)間，還進(jìn)行了Zr元素添加對(duì)SLM成形2系鋁合金影響的研究，發(fā)現(xiàn)添加Zr元素能抑制成形過程中的熱裂紋。由于鋁合金具有對(duì)激光反射率高、易被氧化等特點(diǎn)，因此其SLM成形難度較大[43]。目前只有AlSi10Mg，AlSi7Mg，Al-12Si等Al-Si系鋁合金SLM成形工藝較成熟，實(shí)現(xiàn)了一定程度的應(yīng)用，如圖12所示。

4.2 鈦合金激光選區(qū)熔化成形技術(shù)

鈦合金激光選區(qū)熔化成形工藝比較成熟，主要以TC4鈦合金為主。近年來，國外對(duì)該技術(shù)的研究主要集中在表面粗糙度改善、后處理工藝對(duì)性能影響、成形效率提高等方面。ALRBAEY等[44]采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究發(fā)現(xiàn)，激光重熔(LR)技術(shù)作為SLM后處理技術(shù)能極大改善SLM件的表面質(zhì)量。CAIN等[45]研究了SLM成形TC4件的拉伸裂紋擴(kuò)展速率和斷裂韌性，發(fā)現(xiàn)熱處理后SLM件的裂紋擴(kuò)展速率降低，斷裂韌性提高。目前，該技術(shù)在國外已得到工程化應(yīng)用。GE公司研制的航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴，將18個(gè)零件整體設(shè)計(jì)為1個(gè)零件，如圖13(a)所示，實(shí)現(xiàn)減重25%，發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱性能提升5倍，該噴嘴已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。鈦合金液體發(fā)動(dòng)機(jī)推力室頭部內(nèi)部為復(fù)雜變直徑雙流道，最小處直徑為0.9 mm，某公司采用激光選區(qū)熔化技術(shù)成形該構(gòu)件，已通過點(diǎn)火試驗(yàn)考核，零部件數(shù)量減少40%，如圖13(b)所示。

在國內(nèi)，SHI等[46]采用200 μm的鋪粉厚度和低成本的TC4粗粉(53～106 μm)，研究發(fā)現(xiàn)鋪粉厚度對(duì)表面粗糙度影響最大，對(duì)拉伸性能影響較小。YANG等[47]研究發(fā)現(xiàn)隨著掃描速度、激光功率和掃描層厚度的變化，熔池從V形的深熔模式逐漸過渡到U形的導(dǎo)熔模式。2種模式下SLM件的顯微硬度約為400 HV，拉伸和屈服強(qiáng)度分別為1 300 MPa和1 100 MPa。航天應(yīng)用方面，上海航天精密機(jī)械研究所研制的鈦合金天線支架(見圖14(a))在“浦江一號(hào)”衛(wèi)星上正常工作至今，并實(shí)現(xiàn)了5類支架類產(chǎn)品(見圖14(b))近百件的小批量生產(chǎn)。

圖12 SLM成形AlSi10Mg鋁合金零件Fig.12 Parts of AlSi10Mg alloy made by SLM

圖13 SLM成形TC4鈦合金零件Fig.13 Parts of TC4 alloy made by SLM

4.3 鈦/鋁合金電弧熔絲增材制造技術(shù)

電弧熔絲增材制造(WAAM)技術(shù)具有柔性、高效、低成本的優(yōu)點(diǎn)，特別適合小批量、多批次的航天型號(hào)大型構(gòu)件制造。相比于鋁合金，國外研究機(jī)構(gòu)對(duì)鈦合金WAAM技術(shù)研究更多[48]。比利時(shí)魯汶大學(xué)和英國克蘭菲爾德大學(xué)自2010年開始相繼開展鈦合金WAAM技術(shù)的研究，早期均以鎢極保護(hù)焊(TIG)作為熔化焊絲的熱源。2012年，克蘭菲爾德大學(xué)開始研究基于等離子弧的鈦合金WAAM技術(shù)，與TIG相比，等離子弧沉積效率更高、控制更為方便。在應(yīng)用研究方面，英國克蘭菲爾德大學(xué)與歐洲空間局、洛克希德·馬丁公司和龐巴迪公司合作，成功制造出鈦合金飛機(jī)機(jī)翼翼梁和起落架支撐外翼肋，如圖15(a)所示。此外，還試制了諸多鋁合金零件，2219，2024鋁合金試件在經(jīng)T6熱處理后，力學(xué)性能均超過同成分的鍛件，處于國際領(lǐng)先水平。挪威Norsk Titanium公司已開發(fā)出商業(yè)化WAAM裝備，如圖15(b)所示，最大成形尺寸接近1 m，采用雙等離子弧工藝，鈦合金最大沉積效率達(dá)到10 kg/h。

近年來，華中科技大學(xué)、首都航天機(jī)械有限公司、北京航星機(jī)器制造公司等國內(nèi)單位陸續(xù)開展了鋁合金WAAM技術(shù)研究。首都航天機(jī)械有限公司于2013年開始研究基于變極性TIG工藝的ZL114A鋁合金WAAM技術(shù)，成形試件經(jīng)T6熱處理后，力學(xué)性能基本無方向性，接近鑄件1級(jí)水平[49]。隨后，開展了基于CMT工藝的WAAM技術(shù)研究，成形的ZL114A試件經(jīng)T6熱處理后，力學(xué)性能達(dá)到鑄件2級(jí)水平[49]。BAI等[50]研究了WAAM成形2219鋁合金的力學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)層間密集分布的氣孔及較嚴(yán)重的共晶偏析是導(dǎo)致各向異性的原因。針對(duì)航天領(lǐng)域的鋁合金支座、艙段、框梁、網(wǎng)格等典型結(jié)構(gòu)，首都航天機(jī)械有限公司等單位分別開展了應(yīng)用試制，如圖16所示，目前均處在工程應(yīng)用研究階段。國內(nèi)對(duì)于鈦合金WAAM技術(shù)的研究還相對(duì)較少，也尚未見工程應(yīng)用的相關(guān)報(bào)道。

圖14 SLM成形TC4鈦合金支架類產(chǎn)品Fig.14 Bracket parts of TC4 alloy made by SLM

圖16 國內(nèi)電弧熔絲增材制造零件Fig.16 Domestic parts made by WAAM

5 結(jié)束語

近年來，隨著航天事業(yè)的快速發(fā)展，輕合金材料及其成形技術(shù)水平大幅提升，并出現(xiàn)了以下新的研究重點(diǎn)和主要發(fā)展方向：

一是高性能輕合金材料技術(shù)。國內(nèi)對(duì)于鎂基復(fù)合材料的研究還處于起步階段，尚未掌握制備工藝基礎(chǔ)和相關(guān)規(guī)律；耐高溫鈦合金、鈦基復(fù)合材料技術(shù)仍不成熟，且鈦鋁合金的工程應(yīng)用研究還相對(duì)較少。后續(xù)將深挖上述材料的潛力，重視發(fā)展性能和成形能力兼顧的輕合金材料，并加強(qiáng)工程應(yīng)用研究。

二是高性能輕合金鑄造技術(shù)。國內(nèi)缺乏高精度、近凈形鑄造工藝，熔模鑄造精度仍然不高；鑄件成形及質(zhì)量控制以經(jīng)驗(yàn)工藝設(shè)計(jì)、手工操作為主，自動(dòng)化裝備應(yīng)用不足，降低了研制生產(chǎn)效率。后續(xù)需重視發(fā)展熔模鑄造技術(shù)，提高產(chǎn)品精度；以造型、精整等關(guān)鍵工序?yàn)榍腥朦c(diǎn)，研制專用裝備，提高自動(dòng)化效率，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)數(shù)字化鑄造。

三是高性能輕合金鈑金成形技術(shù)。國內(nèi)現(xiàn)有成形設(shè)備以彎曲、拉深、滾彎等常規(guī)設(shè)備為主，多品種、小批量異形小鈑金件機(jī)械化成形程度低；大直徑、薄壁整體旋壓成形工藝尚無工程應(yīng)用。后續(xù)將重點(diǎn)開展充液拉深、內(nèi)高壓、旋壓和超塑成形技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)小鈑金構(gòu)件機(jī)械化成形；提高大型薄壁結(jié)構(gòu)件整體成形精度，抑制超塑成形材料晶粒長大，提高產(chǎn)品性能；研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鈑金成形設(shè)備，提升成形自動(dòng)化水平。

四是高性能輕合金增材制造技術(shù)。高性能輕合金精密結(jié)構(gòu)件的增材制造以激光選區(qū)熔化成形技術(shù)為主，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件一體化制造。后續(xù)需重視提高鈦合金激光選區(qū)熔化成形構(gòu)件表面粗糙度、成形效率等；加強(qiáng)2系和7系高強(qiáng)鋁合金的成形工藝研究；對(duì)電弧熔絲成形合金材料、應(yīng)力、變形控制等共性問題開展深入研究，并開發(fā)成熟的商業(yè)化設(shè)備，推動(dòng)航天大型構(gòu)件制造技術(shù)的變革。