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用于航空的钛合金激光成型技术仅中美掌握

2015-11-10 08:57
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  钛合金具有低密度、高比强度、使用温度范围宽(-269~600℃)、耐蚀、低阻尼和可焊等诸多优点,是航空航天飞行器轻量化和提高综合性能的最佳用材,其应用水平是体现飞行器先进程度的一个重要方面。提高飞行器的综合力学性能并降低成本,是推动钛合金在航空航天领域应用的重要措施。

  随着航空航天技术的发展,钛合金在航空航天领域的应用范围不断扩展,钛合金结构件也越来越呈现出大尺寸、薄壁曲面、变厚度和整体结构的趋势,进一步提高了航空航天飞行器的性能、结构刚性,减轻了重量,钛合金精密成形技术将是航空航天制造技术的研究重点。

  精密成形是指零件成形后接近或达到零件精度要求的成形技术,它是建立在新材料、新设备、新工艺、计算机辅助工艺设计等技术成果的基础上,发展了传统的成形技术,实现产品高效、高性能、低成本的少无余量制造技术,精密成形的零件具有高的几何精度和表面粗糙度、精确的外形及优良的机械性能。钛合金精密成形技术广泛应用于航空航天领域,它的使用能显著提高各类作战飞机、航空发动机、战略战术导弹、运载火箭等航空航天产品的综合性能和保障能力。针对精密成形技术中精密热成形(包括精密铸造、超速成形/扩散连接、精密旋压和激光直接快速成形)技术的应用进展进行分析,这些技术可以实现近净形生产,材料利用率高达70%~90%,已经在航空航天领域凸显出广阔的发展前景和良好的应用价值。

  钛合金精密铸造技术

  美国于20世纪60 年代开始研究应用钛合金精密铸造技术,处于世界领先水平,开发出了熔模陶瓷铸型技术、机加石墨铸型技术和热等静压技术。国外先进国家已成功研制了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、风扇、高压压气机机匣等铸件,最大直径已经大于1000mm、最小壁厚小于3mm、尺寸精度达到CT6~CT7 级水平,冶金质量高。

  美国F-22战斗机在垂尾方向舵作动筒支座与其他关键承力部位大量采用钛合金精密铸件,约占其整体结构重量的7.1%。德国钛铝精铸公司采用近α 型钛合金IMI834 生产了燃气涡轮航空发动机的零部件。目前,大型复杂的发动机中介机匣式风扇框架基本采用 Ti-6Al-4V 及Ti6242 。

  我国的钛精铸技术起步于20世纪60 年代,是借鉴和引进国外技术发展起来的,经过多年发展开发出了钛合金熔模铸造技术、捣实型铸造技术、石墨加工型铸造技术等。钛合金熔模精密铸造技术结合离心浇铸工艺技术,实现了尺寸900mm、整体壁厚2.5 mm 的薄壁复杂钛合金结构件浇铸成型,尺寸精度达到CT6~CT8 级,铸件表面黏污层厚度减少到0.3mm。对于中小型铸件尺寸精度可以达到CT6~CT7 级,表面粗糙度达到R a3.2mm,最小壁厚1.5μm,达到国际先进水平。北京航空材料研究院曾成功浇铸出尺寸630mm×300mm×130mm、最小壁厚仅为2.5mm 的复杂框形结构。

  随着航空航天装备升级换代,对构件的大型化、复杂化和高精度提出了更高要求,钛合金精密铸造技术结合先进熔炼技术、计算机仿真技术、热等静压技术、数字化检测技术等是今后的主要发展方向。目前,与欧美发达国家相比,我国在技术基础、设备、过程控制、成形改性一体化、工艺仿真和数字化检测等方面存在一定的差距,攻克大型薄壁复杂整体精铸件铸造关键技术,满足先进航空航天装备研制的需要是今后工作的重点。

  钛合金超塑成形/ 扩散连接技术(SPF/DB)

  超塑成形/扩散连接(SPF/DB)是一种把超塑成形与扩散连接相结合用于制造高精度大型零件的近无余量加工方法,在现代航空航天工业发展的推动下,经过30多年的开发研究和验证试验,已进入了实用阶段。

  20 世纪70 年代早期,美国洛克威尔公司首先将超塑成形技术应用到飞机结构件制造中,使钛合金制造工艺发生了技术变革。随后,欧美将钛合金SPF、SPF/DB 技术列为重点研究项目,促使超塑成形整体钛合金结构件已获得工程应用,并产生了巨大的技术经济效益:联合战斗机(JSF)的后缘襟翼和副翼、F-22后机身隔热板等重要结构均采用了钛合金超塑成形/ 扩散连接的整体结构。英国罗·罗公司采用SPF/DB 技术研制出了第二代钛合金宽弦无凸肩空心风扇叶片,每个叶片实现减重35%~40%,处于世界领先地位。欧盟采用超塑成形的Ti-6Al-4V 合金高度控制仪气瓶还应用于阿里安Ⅴ火箭,国外一些导弹上用的钛合金蜂窝结构的翼面也采用SPF/DB技术成形。

  国内对SPF/DB技术的研究开始于70 年代末,经过30 多年的发展,我国SPF/DB 技术取得了很大的进步。近年来,我国新机研制及改进机型中,前缘襟翼、鸭翼、整体壁板和腹鳍等大尺寸钛合金构件采用SPF/DB技术。针对航天型号对金属防热结构的需求,航天材料及工艺研究所开展了钛合金波纹板SPF 技术研究,成功制备出TC4 钛合金防热瓦等热结构部件。

  SPF/DB 应用于航空航天具有两方面的优势,一方面是满足航空航天复杂几何形状零件的要求,另一方面可以不用接头(紧固件或铆钉等)获得整体结构。SPF/DB 技术的应用方向为:大型结构件、复杂结构件、精密薄壁件的超塑成形;高速超塑成形技术的研究与开发。SPF/DB 技术应用表明:尽管钛合金成本高,但成本效益、可靠性、长寿命和重量轻量化对航空航天的吸引力更大。

  钛合金精密旋压技术

  旋压成形技术制造的薄壁回转体壳体构件解决了在车削加工时存在的刚度低、颤动大、加工精度低等技术问题或根本无法加工的技术难题,应用于航天领域具有诸多优势。

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