PDF《的应用进展》

14 航天动力技术研究院西安航天动力机械厂? ? 张立武? ? 写? 旭? ? 杨延涛 钛合金精密热成形技术是先进制造技术的重要组成部 分, 在航空航天工业中占有举足轻重的地位.

结合航空航 天领域钛合金成形需整体、 轻量及精密化的特点, 综述了钛 合金精密热成形技术在国内外航空航天工业装备中的应用 进展及国内与国外的差距, 指出各精密成形技术发展应用 中存在的问题及在航空航天领域的发展趋势. 钛合金精密热成形技术在航空航天 的应用进展 Application Progress of Titanium Alloy Precision Thermo- Forming Technology in Aerospace 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 [3] .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 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 [1-2] . DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2015.19.014 张立武 研究员, 中国航天科技集团航天动 力技术研究院西安航天动力机械厂党委 书记.主要研究方向: 固体火箭发动机 金属成形工艺. 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15 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 [6] .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 [10] . 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 [11-12] .

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 [13-14] . 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 [15] , 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 [16] . 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 [3] . 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 [17] .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 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 [4-5] .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

1000 mm、 最小壁厚小于 3mm、 尺寸精度达 到CT6~CT7 级水平, 冶金质量高 [6] . 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%[7] .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 精铸件 [6, 8-9] , 见表 1. 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

900 mm、 整体壁厚 2.5 mm 的薄壁复杂 发动机名称 铸件尺寸 /mm 铸件重量 /Kg 中介机匣 RB199 φ740

48 中介机匣 CF6-80 φ1275

136 中介机匣 PW2037 φ1020

107 中介机匣 F100 φ860

54 风扇机匣 PW2037 φ710

71 风扇机匣 PW4000 φ854

72 风扇机匣 F110 φ1070

130 表1 国外航空发动机用大型钛合金精铸件

16 题, 应用于航天领域具有诸多优势. 美国强力旋压生产的φ3900mm 大型导弹壳体, 径向尺寸精度达到0.05mm,表面粗糙度Ra为1.6~3.2μm, 壁厚差≤0.03mm. 美 国钛制造公司采用 1.5m 立式旋压机 旋压 φ1524mm 的Ti-6Al-4V 钛合 金导弹压力容器封头, 每个封头的旋 压时间为 5min[18] .民兵洲际导弹第 二级固体发动机壳体采用了 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%.围 绕航天型号对轻质、 高强、 大型化航 天需求, 德国 MT 宇航公司采用旋压 工艺制备出 φ1905 mm 的高强 Ti- 15V-3Cr 合金推进系统贮箱, 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减重、 增加有 效载荷 [19-20] . 我国的旋压工艺与设备的研究 源于

60 年代初期, 钛合金的旋压研 究始于上世纪

70 年代, 经过

40 多年 来的发展, 基本形成了从设备的研制 到工艺开发一套成熟的体系 [21-22] . 国内航天所用钛合金及旋压制品, 如 火箭发动机外壳、 叶片罩、 陀螺仪导 向罩、 内蒙皮等, Ti8Al1Mo1V 高钛合 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;

通过 正反

2 道次普旋翻边成功旋压出 φ500mm 的薄壁半圆钛圈, 零件用 于空间飞行器微动力姿态调整 [23] . 中国航天科技集团公司第703 研究所采用普旋与强旋相结合的技术,以TC

3、 TC4

2 种钛合金板材为坯料, 热旋压制备出了2种钛合金半球形(φ 内522mm*2.0mm) 、 圆柱形储箱壳体 (φ163mm*2.0mm*200mm 的杯形 件, φ163mm*2.0mm*360mm 及φ112mm*6.0mm*1000mm 的筒形 件) [24] . 近几年来, 随着计算机模拟技术 的发展, 数值模拟已广泛应用于金属........