航天用耐高溫管件冷彎成形技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)

韓靜濤，楊興文

（北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京， 100083）

引 言

隨著人類對深空探測的不斷發(fā)展，核動(dòng)力已逐漸在深空探測航天器中應(yīng)用［1-5］。在能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，布雷頓循環(huán)得到了廣泛的使用，在循環(huán)過程中回?zé)崞餍枰惺軐⒔?73 K 的最高循環(huán)溫度。作為回?zé)崞鞲浇母綄俟芗涑惺艿臏囟纫灿?00 K 左右，而此類管件一般要求具有較好的通氣密閉性、耐高溫性及較大D/S（管徑/壁厚）比，目前主要以鈦及鈦合金無縫管為主，管坯的制備主要采用鉆孔擠壓和斜軋鉆孔兩類工藝［6-8］，鉆孔擠壓的制備工藝對金屬的消耗量較大，其廢料可高達(dá)10%～15%，而斜軋穿孔的制備工藝相對來講對金屬的消耗量較小，工藝廢料在1%～3%，但其主要缺點(diǎn)在于制備出的管坯厚度公差略大，且制備工藝較為復(fù)雜，制作成本比較昂貴［9］。因此，針對航天用大尺寸耐高溫附屬管件的生產(chǎn)，如何采用成本較低、相對簡單的成形工藝制備就成為目前迫切亟待解決的問題。在此背景下，北京空間技術(shù)研究院與北京科技大學(xué)合作，針對某型核動(dòng)力航天器用附屬管件的制備開展冷彎成形技術(shù)工藝的研究。該管件的技術(shù)要求為長時(shí)間工作溫度為600 K 左右，管件成形壁厚≥1 mm，直徑≤500 mm，長度不小于5 m 的大尺寸、高D/S 比的耐高溫管件。本文從管件制備材料的選擇、成形工藝方法的比較、螺旋冷彎成形工藝制備過程、管件制備質(zhì)量及性能檢測等四個(gè)方面對管件產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用做了詳細(xì)闡述。該產(chǎn)品制作質(zhì)量良好，性能完全符合要求，項(xiàng)目取得良好預(yù)期。

1 管件制備材料選擇

作為核動(dòng)力航天器附屬管件，除了對管件的耐高溫性能有一定要求外，同時(shí)還要能夠承受惡劣的外太空環(huán)境因素，如太空環(huán)境中，地球磁場中的電子、質(zhì)子、太陽紫外線輻射的帶電粒子所形成的電離輻射對管件的尺寸穩(wěn)定性、力學(xué)性能、熱物流性能的影響。當(dāng)前的航天用材料主要集中在高強(qiáng)鋁合金、鈦及鈦合金方面［10-13］，而航天用高強(qiáng)鋁合金其耐高溫溫度一般低于448 K，該管件的工作溫度在600 K（即327 ℃）左右，故對該類管件的選材集中在鈦及鈦合金材料的選擇上，鈦合金材料的耐高溫溫度一般在573-673K 左右，為滿足使用要求及良好的成形性考慮，重點(diǎn)篩選比較了工業(yè)純鈦、TC1、TC2、TC4、TB5 的熱膨脹性能及室溫力學(xué)性能，具體如圖1，2 所示。

從圖1 中可以得出，從材料的膨脹系數(shù)考慮，在各類溫度區(qū)間內(nèi)TC1 和TC2 的熱膨脹系數(shù)最低，其次為工業(yè)純鈦（TA1、TA2）；當(dāng)溫度超過200 ℃時(shí)，TB5 的熱膨脹系數(shù)最大，除TB5 以外；在300～400 ℃的區(qū)間內(nèi)，其余材料的熱膨脹系數(shù)在（8.5～9.5）×10-6℃-1范圍內(nèi)波動(dòng)?？紤]到材料的室溫下成型性能，從圖2 中可以得出：TA1、TA2 的屈服強(qiáng)度在370～440 MPa，伸長率大于40%，冷成型性能較佳；TC1 的屈服強(qiáng)度在460 MPa，伸長率為25%，成形性尚可；而TC2，TC4 和TB5 的屈服強(qiáng)度較大，冷成型過程中面臨較大困難。因此從室溫下材料的冷成型性角度出發(fā)，應(yīng)選用塑性好，屈服強(qiáng)度較低的成形材料，并綜合材料高溫下的膨脹系數(shù)等因素，最終選擇工業(yè)純鈦（TA1）作為航天用大尺寸管件制備的目標(biāo)材料。

2 成型工藝方法的比較

采用冷彎成形方法生產(chǎn)管件制品時(shí)，比較成熟的主要有直縫焊管、螺旋焊管兩類產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝［14-15］。當(dāng)生產(chǎn)功能性管件時(shí)，螺旋咬合波紋管的生產(chǎn)工藝也是一種不錯(cuò)的選擇。在直縫焊管的生產(chǎn)工藝中，常見的成型方法有UO（UOE），RB（RBE）和JCO（JCOE）等三類。對于UOE 工藝來講，要在成型壓力機(jī)上經(jīng)歷鋼板預(yù)彎邊、U 成型、O 成型等工序，而后在管件的內(nèi)外壁進(jìn)行焊接成形；但該成形工藝過程中由于殘余應(yīng)力較大，因此對質(zhì)量要求高的焊管，一般采用JCO 的工藝方法，其最大的好處是將鋼管的成型過程從UO 的兩步成型工序變成多步，從而使得鋼板在變形過程中均勻一致，殘余應(yīng)力小，尤其是制備的鋼管在直徑和壁厚規(guī)格的范圍上有較大的靈活性。但由于在焊接過程中，由于受到復(fù)雜的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的作用，會(huì)導(dǎo)致焊管的焊縫處及其熱影響區(qū)處仍存在潛在的隱形缺陷。螺旋焊管在一些厚徑的石油管道、核電管道方面已有很長的實(shí)際應(yīng)用時(shí)間，其生產(chǎn)工藝的主要優(yōu)點(diǎn)在于可利用寬度較小的窄板生產(chǎn)大直徑的管件，且同種成型工作寬度的設(shè)備可實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格型號(hào)產(chǎn)品的生產(chǎn)，其管徑和圓度也可實(shí)現(xiàn)精確控制。但焊接控制不當(dāng)時(shí)，會(huì)造成焊縫增大、錯(cuò)邊缺陷存在不可修復(fù)的缺點(diǎn)；另外在螺旋焊管生產(chǎn)的過程中要經(jīng)歷帶材分條-上卷接帶-矯平-卷曲成形-管件內(nèi)外氬弧焊接-水冷卻-定徑校形-在線探傷-切斷等諸多工序，制作工序較為繁多，對于航天用大尺寸管件，直縫焊管或螺旋焊管的生產(chǎn)工藝并非最優(yōu)的選擇，關(guān)鍵問題在于航天用管的工作環(huán)境比較苛刻，尤其是需承受長時(shí)間的高低溫循環(huán)，焊縫處是其最薄弱的地方，這樣在長期的服役環(huán)境下，焊縫處會(huì)因?yàn)槔錈岵痪霈F(xiàn)組織應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力，最終造成螺旋焊管的開裂，以至出現(xiàn)嚴(yán)重的航天事故。為此考慮采用螺旋咬合波紋管的生產(chǎn)工藝來生產(chǎn)該類航天用管，因該類航天用管的技術(shù)要求主要集中在良好的通氣密閉性、耐高溫性能方面，采用螺旋咬合波紋管的工藝產(chǎn)生該類管件最大的優(yōu)點(diǎn)是管件采用螺旋彎曲+機(jī)械咬合的成形方法實(shí)現(xiàn)了管體的一體化成型，最大程度地保證了管件的組織一致性，避免了由于應(yīng)力不均而導(dǎo)致的管件開裂現(xiàn)象；其次在螺旋咬合成型過程中，由于特有的螺旋咬合口設(shè)計(jì)形式，無形中給螺旋咬合處加注了三道防線，起到加強(qiáng)管件整體剛度的效果?；谝陨铣尚凸に嚨姆治?，最終選定采用以生產(chǎn)螺旋咬合波紋管的工藝方式來生產(chǎn)該類航天用大尺寸耐高溫管件。

3 管件螺旋冷彎成形工藝制備過程

成型管件的原材料采購來自西安寶鈦集團(tuán)生產(chǎn)的工業(yè)成品鈦材，鈦材牌號(hào)為TA1，退火態(tài)，帶材厚度為1 mm，寬度為137 mm 的卷材，其屈服 強(qiáng)度為187 MPa，抗拉強(qiáng)度為276MPa，延伸率為86.5%，彈性模量為114 GPa，彎曲角大于140°，杯突平均值為10.7 mm。從以上數(shù)據(jù)可以看出鈦材的塑性良好，屈服強(qiáng)度較低，且彎曲性能良好，非常適合冷彎成形，成形設(shè)備選用大直徑的螺旋風(fēng)管機(jī)來制作完成，螺旋風(fēng)管機(jī)設(shè)備如圖3 所示。

該類型螺旋風(fēng)管機(jī)主要用來生產(chǎn)帶厚為0.4～1.2 mm 的鍍鋅板、不銹鋼板，其中以帶厚0.8 mm 以下的板材居多。帶材螺旋冷彎過程中，螺旋冷彎模具至關(guān)重要，其關(guān)系到帶材螺旋冷彎的成敗。為確保帶材冷彎效果，在安裝螺旋冷彎模具前，需要對模具的螺旋內(nèi)表面進(jìn)行貼膜處理，務(wù)必保證內(nèi)表面無劃傷、無氣泡、無破損現(xiàn)象。帶材在卷制成管件的過程中，需先經(jīng)過一組冷彎成型輥，生產(chǎn)出兩側(cè)的凹凸咬合邊，當(dāng)帶材進(jìn)入冷彎模具頭后，需人工輔助完成引帶過程；當(dāng)具有成型截面的帶材沿模具旋轉(zhuǎn)一周至模具最底端時(shí)，帶材的凹凸兩個(gè)咬合邊在勾刀與內(nèi)壓輥的作用下完成咬合壓實(shí)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)帶材的螺旋成管穩(wěn)定生產(chǎn)。由于鈦材塑性良好，屈服強(qiáng)度低，且彈性模量僅為鋼的1/2，導(dǎo)致材料在螺旋冷彎過程中容易出現(xiàn)較大的回彈現(xiàn)象，當(dāng)工藝參數(shù)不恰當(dāng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致制備的管件出現(xiàn)褶皺、局部凹陷、咬合縫扭曲、未扣合等現(xiàn)象，如圖4 所示。經(jīng)過多次對成型輥組轉(zhuǎn)速、帶材卷曲行進(jìn)速度、內(nèi)壓輥壓力值等綜合試驗(yàn)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)帶材厚度為1 mm，成型輥組轉(zhuǎn)速在102～107 mm/s、帶材卷曲行進(jìn)速度8～10 mm/s、內(nèi)壓輥壓力值在20～50MPa 時(shí)，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的螺旋咬合管的連續(xù)生產(chǎn)，最終制備出了壁厚為1 mm、直徑為500 mm、長度為6000 mm 的大尺寸、耐高溫鈦合金管件，制備出的成品如圖5 所示。

4 桿件質(zhì)量及性能檢測

該航天用高溫管交貨要求主要涉及外觀質(zhì)量及管件的整體力學(xué)性能，經(jīng)外觀質(zhì)量檢測制備的直徑為500 mm 鈦合金圓管咬合縫扣合情況良好，無開裂、扣不齊、厥口等缺陷，管件的外表面光潔度良好，沒有出現(xiàn)褶皺、波浪、破損等明顯缺陷，制備的管件圓整度在500±0.5 mm，咬合縫尺寸在9.5±0.3 mm，均符合技術(shù)要求。對于管件的力學(xué)性能檢測，從制備良好的管件外壁分別取縱向、橫向、45°方向的試樣進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表1 所示。相對于原始帶材，制備出TA1 成品高溫管件的力學(xué)性能略有提升，考慮管件在制備過程中存在加工硬化的現(xiàn)象，由于選用材料為TA1，其強(qiáng)化效果應(yīng)該是冷成型過程中的孿晶塞積所致；同時(shí)對管件的環(huán)剛度和密閉性水壓測試進(jìn)行試驗(yàn)，技術(shù)參數(shù)完全符合航天用耐高溫管件的技術(shù)要求，充分說明了采用冷彎螺旋咬合工藝制備該高溫管件是完全可行的。

表1 制備的TA1 管件室溫力學(xué)性能測試

5 結(jié)束語

通過對核動(dòng)力航天器附屬管件材料的篩選分析，確定了工業(yè)純鈦（TA1）作為航天用大尺寸管件制備的目標(biāo)材料。通過常用的冷彎成形制管方法分析及管件的技術(shù)要求，選定了螺旋冷彎咬合的方式作為該高溫管件的成形方法；通過在螺旋風(fēng)管機(jī)的試驗(yàn)，最終成功制備出了壁厚為1 mm、直徑為500 mm、長度為6000 mm 的大尺寸、耐高溫鈦合金管件，經(jīng)質(zhì)量和力學(xué)性能檢測，各項(xiàng)參數(shù)均符合技術(shù)要求，為該類航天用耐高溫管件提供了一種新型的、實(shí)用的成型工藝方法。該技術(shù)對于航天類的其他功能性管件的制備也具有很大的推廣意義。