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钛合金周详热成形手艺正在航空航天的运用希望

  2015-11-10  阅读:


  钛合金具有低密度、下比强度、运用温度局限宽(-269~600℃)、耐蚀、低阻尼和可焊等诸多长处,是航空航天飞行器沉量化和进步综合机能的最好用材,其运用程度是表现飞行器先辈水平的一个重要方面。进步飞行器的综合力学性能并降低成本,是鞭策钛合金正在航空航天范畴运用的主要步伐。


  跟着航空航天技术的生长,钛合金正在航空航天范畴的运用局限络续扩大,钛合金结构件也愈来愈显现出大尺寸、薄壁曲面、变厚度和整体构造的趋向,进一步进步了航空航天飞行器的机能、构造刚性,减轻了重量,钛合金周详成形手艺将是航空航天制造手艺的研讨重点。


  周详成形是指零件成形后靠近或到达零件精度要求的成形手艺,它是竖立正在新材料、新装备、新工艺、计算机辅助工艺设想等技术成果的基础上,生长了传统的成形手艺,实现产物高效、下机能、低成本的少无余量制造手艺,周详成形的零件具有下的多少精度和外面粗拙度、准确的形状及优秀的机械性能。钛合金周详成形手艺普遍应用于航空航天范畴,它的运用能显着进步各种作战飞机、航空发动机、战略战术导弹、运载火箭等航空航天产物的综合机能和保障才能。针对周详成形手艺中周详热成形(包孕周详锻造、超速成形/散布衔接、周详旋压和激光间接快速成形)手艺的运用希望停止剖析,这些手艺能够实现近净形消费,质料利用率高达70%~90%,曾经正在航空航天范畴凸显出辽阔的发展前景和优越的运用代价。


  钛合金周详锻造手艺


  美国于20世纪60 年月最先研讨运用钛合金周详锻造手艺,处于天下抢先程度,开辟出了熔模陶瓷铸型手艺、机加石墨铸型手艺和热等静压手艺。外洋先辈国度已胜利研制了F-100、CFM-56、CF6-80、F-119等航空发动机的大型薄壁整体钛合金中介机匣、电扇、高压压气机机匣等铸件,最大直径曾经大于1000mm、最小壁薄小于3mm、尺寸精度到达CT6~CT7 级程度,冶金质量下。


  美国F-22战斗机正在垂尾方向舵作动筒支座与其他要害承力部位大量接纳钛合金周详铸件,约占其整体构造重量的7.1%。德国钛铝精铸公司接纳远α 型钛合金IMI834 消费了燃气涡轮航空发动机的零部件。现在,大型庞大的发动机中介机匣式电扇框架根基接纳 Ti-6Al-4V 及Ti6242 粗铸件。


  我国的钛精铸手艺起步于20世纪60 年月,是鉴戒和引进外洋技术发展起来的,经由多年发睁开收回了钛合金熔模锻造手艺、捣实型锻造手艺、石墨加工型锻造手艺等。钛合金熔模周详锻造手艺联合离心浇铸工艺技术,实现了尺寸900mm、整体壁薄2.5 mm 的薄壁庞大钛合金结构件浇铸成型,尺寸精度到达CT6~CT8 级,铸件外面黏污层厚度削减到0.3mm。关于中小型铸件尺寸精度能够到达CT6~CT7 级,外面粗拙度到达R a3.2mm,最小壁薄1.5μm,到达国际先进水平。北京航空质料研究院曾胜利浇铸出尺寸630mm×300mm×130mm、最小壁厚仅为2.5mm 的庞大框形构造。


  跟着航空航天设备升级换代,对构件的大型化、复杂化和高精度提出了更高要求,钛合金周详锻造手艺联合先辈熔炼手艺、计算机仿真技术、热等静压手艺、数字化检测手艺等是以后的重要发展方向。现在,取西欧发达国家比拟,我国正在手艺根蒂根基、装备、历程掌握、成形改性一体化、工艺仿真和数字化检测等方面存在肯定的差异,霸占大型薄壁庞大整体粗铸件锻造关键技术,知足先辈航空航天设备研制的需求是以后事情的重点。


  钛合金超塑成形/ 散布衔接手艺(SPF/DB)


  超塑成形/散布衔接(SPF/DB)是一种把超塑成形取散布衔接相结合用于制造高精度大型零件的远无余量加工要领,正在当代航空航天产业生长的鞭策下,经由30多年的开辟研讨和考证实验,已进入了适用阶段。


  20 世纪70 年月晚期,美国洛克威我公司起首将超塑成形手艺应用到飞机结构件制造中,使钛合金制造工艺发作了手艺厘革。随后,西欧将钛合金SPF、SPF/DB 手艺列为重点研讨项目,促使超塑成形整体钛合金结构件已得到工程运用,并发生了伟大的手艺经济效益:结合战斗机(JSF)的后缘襟翼和副翼、F-22后机身隔热板等主要构造均接纳了钛合金超塑成形/ 散布衔接的整体构造。英国罗·罗公司接纳SPF/DB 手艺研制出了第二代钛合金宽弦无凸肩空心电扇叶片,每一个叶片实现加重35%~40%,处于世界领先地位。欧盟接纳超塑成形的Ti-6Al-4V 合金高度掌握仪气瓶还应用于阿里安Ⅴ火箭,外洋一些导弹上用的钛合金蜂窝构造的翼面也接纳SPF/DB手艺成形。


  海内对SPF/DB手艺的研讨最先于70 年月终,经由30 多年的生长,我国SPF/DB 手艺与得了很大的前进。近年来,我国新机研制及革新机型中,前缘襟翼、鸭翼、整体壁板和腹鳍等大尺寸钛合金构件接纳SPF/DB手艺。针对航天型号对金属防热构造的需求,航天质料及工艺研究所展开了钛合金波纹板SPF 技术研究,胜利制备出TC4 钛合金防热瓦等热构造部件。


  SPF/DB 应用于航空航天具有两方面的上风,一方面是知足航空航天庞大多少外形零件的要求,另一方面能够不消讨论(紧固件或铆钉等)得到整体构造。SPF/DB 手艺的运用偏向为:大型结构件、庞大结构件、周详薄壁件的超塑成形;高速超塑成形手艺的研讨取开辟。SPF/DB 手艺运用注解:只管钛合金本钱下,但本钱效益、可靠性、少寿命和重量沉量化对航空航天的吸引力更大。


  钛合金周详旋压手艺


  旋压成形手艺制造的薄壁回转体壳体构件处理了正在车削加工时存在的刚度低、颤抖大、加工精度低等手艺题目或基础没法加工的手艺困难,应用于航天范畴具有诸多上风。


  美国强力旋压消费的φ3900mm大型导弹壳体,径向尺寸精度到达0.05mm,外面粗拙度R a 为1.6~3.2μm,壁厚差≤0.03mm。美国钛制造公司接纳1.5m 立式旋压机旋压φ 1524mm 的Ti-6Al-4V钛合金导弹压力容器启头,每一个启头的旋压工夫为5min。民兵洲际导弹第二级固体发动机壳体接纳了Ti-6Al-4V 钛合金,并用强力旋压成形,成形后的钛合金壳体重量减轻30%。盘绕航天型号对沉量、高强、大型化航天需求,德国MT 宇航公司接纳旋压工艺制备出φ 1905 mm 的高强Ti-15V-3Cr合金推动体系贮箱,并应用于欧洲阿尔法通信卫星巨型平台,实现了卫星平台的大幅度加重、增添有用载荷。


  我国的旋压工艺取装备的研讨源于60 年月早期,钛合金的旋压研讨始于上世纪70 年月,经由40 多年来的生长,根基构成了从装备的研制到工艺开辟一套成熟的系统。海内航天所用钛合金及旋压抑品,如火箭发动机外壳、叶片罩、陀螺仪导向罩、内蒙皮等,Ti8Al1Mo1V 下钛合金用于发动机叶片热处理强化钛合金旋压成形;TB2 钛合金用于小型喷管旋压等。


  西安航天动力机械厂研制出国内最大直径的钛合金筒形件;经由过程正反2 道次普旋翻边胜利旋压出φ 500mm 的薄壁半圆钛圈,零件用于空间飞行器微动力姿势调解。


  中国航天科技集团公司第703 研究所接纳普旋取强旋相结合的手艺,以TC3、TC4 2 种钛合金板材为坯料,热旋压抑备出了2 种钛合金半球形(φ 内522mm×2.0mm)、圆柱形储箱壳体(φ 163mm×2.0mm×200mm 的杯形件,φ 163mm×2.0mm×360mm 及φ 112mm×6.0mm×1000mm 的筒形件)。


  近几年来,跟着计算机模仿手艺的生长,数值模仿已普遍应用于金属部件旋压成形历程的剖析。航天质料及工艺研究所对TC4筒形件停止了计算机模仿,剖析了旋轮攻角、旋轮活动轨迹、普旋道次等工艺参数对旋压成形的影响规律,胜利旋造了深邃径比的TC4 钛合金筒形件。只管钛合金周详旋压手艺为航天范畴供应了各种合金普旋成形深邃径比旋压件,但从零件的工程化运用和旋压成形的复杂性剖析,借需进一步增强。总的来说,旋压手艺正在海内航天产业得到普遍运用,但大直径、薄壁整体钛合金热旋压成形工艺还没有运用实例,直径2.25 m 贮箱箱底整体旋压手艺、直径5 m 高温贮箱箱底瓜瓣成形、钛合金及高温合金庞大结构件成形等手艺借处在工艺探索阶段。


  钛合金激光间接快速成形手艺


  自20世纪90年月最先,跟着计算机技术的飞速生长,激光间接制造手艺逐步成为制造范畴研讨的热点。激光间接快速成形手艺中有2 种要领能够用于间接制造金属零件,即地区挑选激光融化(SelectiveLaserMelting, SLM)手艺和远净成形(Laser Engineered Net Shaping,LENS)手艺。外洋有关大型钛合金结构件激光间接快速成形手艺的研讨重要集中正在美国。美国AeroMet公司正在2002~2005 年间实现了激光间接快速成形钛合金结构件正在飞机上的运用。2001 年Aero- Met 公司最先为波音公司F/A-18E/F 舰载结合歼击/ 攻击机小批量试制发动机舱推力推梁、机翼迁移转变折叠讨论、翼梁、带筋壁板等机翼钛合金次承力结构件。2002 年制订出了“Ti6Al4V钛合金激光快速成形产物”宇航质料尺度(ASM 4999)并于同年在世界上率先实现激光快速成形钛合金次承力结构件正在F/A-18 等战机上的考证审核和装机运用。正在航天范畴,NASA 马歇尔航天航行中央(NASA’s Marshall Space FlightCenter in Huntsville,Ala.)于2012 年将选区激光融化成形手艺应用于多个型号航天发动机庞大金属零件样件的制造。激光间接快速成形手艺借经常被用于钛合金零件大概模具的修复。


  我国钛合金结构件激光间接快速成形手艺的研讨,从2001 年最先一向遭到当局重要科技管理部门的高度正视,正在飞机、发动机等钛合金结构件激光快速成形制造工艺研讨、成套设备研发及工程运用关键技术攻关等方面与得了较大希望。


  北京航空航天大学激光质料加工制造手艺实验室以飞机次承力钛合金庞大结构件为工具,展开激光快速成形工程化运用技术研究,前后制造出TA15 钛合金角盒近200 件,完成了“激光快速成形TA15 钛合金结构件正在某型飞机上的装机评审”,尾件激光快速成形TA15 钛合金结构件顺遂经由过程正在某型飞机上的悉数运用实验审核,使我国成为继美国以后世界上第二个把握飞机钛合金庞大结构件激光快速成形工程化手艺并实现激光快速成形钛合金结构件正在飞机上运用的国度。


  北京航空航天大学王华明主持的“飞机钛合金大型庞大整体构件激光成形手艺”项目研制消费出我国飞机设备中迄今尺寸最大、构造最庞大的钛合金等下机能易加工金属要害整体构件,并正在我国大型飞机等多型飞机研制和消费中获得现实运用,从而使我国成为现在世界上独一打破飞机钛合金大型主承力结构件激光快速成形手艺并实现装机运用的国度,如图1。


  相对海内的航空范畴的研讨运用,现在激光间接快速成形手艺正在我国航天范畴的运用研讨基本上照样处于起步阶段。实际上,航天液体和固体火箭发动机易加工质料、庞大型里的结构件及兵器型号易加工质料沉量防热结构件能够很好天接纳选区激光融化手艺实现高精度加工[35]。


  接纳激光间接快速成形手艺制造航空航天用的整体钛合金结构件具有质料利用率下、加工余量小、周期短和柔性高档长处。但激光快速成形历程中零件变形开裂防备,内部质量(内部缺点、晶粒及显微构造等)及力学性能掌握照旧是制约大型整体钛合金要害结构件激光间接快速成形技术发展和运用的手艺瓶颈。


  结束语


  综合所述,钛合金周详热成形手艺正在得到络续前进的同时,也碰到了一些手艺困难,大型整体钛合金构件的工程化运用局限借比较小,但跟着航空航天家当的快速生长,钛合金周详热成形手艺肯定步入一个新的发展期,鉴于钛合金和周详热成形手艺的凸起长处,两者的联合正在将来航空航天产业中的孝敬感化将更加隐着,以后其重要发展方向是:(1)大型大概超大型庞大(薄壁)结构件的整体周详成形、低成本、工程化运用;(2)计算机模仿(仿真)手艺、CAD/CAM手艺、数控技术等取周详成形手艺的联合,为航空航天新构件的成形供应手艺路子。

 

 

 

 

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