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      我國航空鈦合金材料及鍛件的研究與發展

      [ 信息提供:寶雞世紀網絡 | 時間:2020-10-20 | 作者: | 瀏覽:91次 ]

      高質量的航空鍛件主要有航空發動機風扇和壓氣機系統的盤、機匣、整體葉盤、盤軸、葉片鍛件以及飛機結構的框、梁、接頭、起落架鍛件等。隨著航空發動機和飛機結構設計的技術進步,航空鍛件向大型化、整體化、精密化方向發展,推動著鍛壓設備及其配套裝備的發展與技術進步。為適應優質精密航空鍛件及難變形材料的鍛造需要,發展了如等溫鍛造、熱模鍛造、分段鍛造等新工藝技術及相應的模具設計制造和質量控制技術。

      航空系統內從事航空大、中、小型鈦合金鍛件的生產企業主要有:中航重機旗下的陜西宏遠、貴州安大、景航航空鍛鑄、無錫卓越以及集團旗下的部分飛機和發動機公司。在航空系統內部,大型鈦合金鍛件生產用的模鍛設備除專業化鍛造廠有80~100MN液壓機外,近年來,陜西宏遠裝備了一臺200MN等溫鍛壓機和200MN離合器式電動螺旋壓力機,其中200MN等溫鍛壓機具有“恒應變速率”控制功能和雙工作臺,工作臺尺寸為6000mm×4000mm,最大凈空距為3600mm,等溫鍛時滑塊速度可控制在0.005~0.5mm/s,普通熱模鍛時滑塊速度可控制在0.5~10mm/s;200MN電動螺旋壓力機在精密化、數字化、智能化方面有了長足進步,最大打擊能力達到360MN,尺寸控制精度達到±0.6mm,可控變形速度為0.2~0.5m/s,能實現模具自動控溫。貴州安大于2017年裝備了一臺250MN等溫鍛+模鍛壓機,可用于難變形材料大型鍛件的等溫鍛生產。同時,貴州安大擁有多條系列環形件生產線,可以實現鈦合金、高溫合金等難變形材料復雜異形截面環件的精密軋制。


      航空系統外從事航空鈦合金鍛件特別是大型鍛件生產的國有企業主要有二重萬航、無錫透平,建立了用于大型飛機結構件、大型發動機風扇葉片和盤鍛件用的鍛造設備,如二重萬航的800MN模鍛壓機和具多向模鍛功能的200MN等溫鍛壓機、無錫透平的355MN離合器式螺旋壓力機。

      十余年內我國涌現了一大批從事航空鍛件生產的民營企業,裝備了先進的鍛壓設備,如南山鍛造、三角防務、昆侖重工、中鈦青鍛、貴州航宇、無錫航亞、無錫派克等。這些企業裝備了大噸位的模鍛和環軋設備,并配套了相應的制坯自由鍛壓機。如南山鍛造500MN和125MN模鍛壓機,三角防務400MN模鍛壓機和在建的300MN等溫鍛+模鍛壓機,昆侖重工300MN模鍛壓機,中鈦青鍛680MN多功能壓機(具有模鍛和擠壓雙重功能),可生產航空發動機和飛機大型結構件鍛件。貴州航宇4.5m環軋機(徑向/軸向壓力分別為700/700t)及相應脹形設備、無錫派克的先進環軋設備均配置了自動控制系統,為生產優質的發動機鈦合金機匣環件提供了很好的硬件條件,脹形工藝的應用可提高環件的尺寸精度,并提高材料利用率,脹形會改變環件內部殘余應力的大小和方向,促進殘余應力的均勻分布。無錫航亞具備生產鈦合金精鍛葉片的全套裝備和技術能力,除配合國內重點型號發動機葉片生產外,還積極投身國際市場,為GE、Safran公司生產Ti-6Al-4V鈦合金壓氣機葉片等。

      大涵道比航空發動機朝“大風扇、小心臟”方向發展,致使風扇部件如風扇盤和風扇葉片的尺寸相應增大,高推重比軍用航空發動機的整體葉盤(blisk)和整體葉環(bling)等整體輕量化結構設計,這些設計變化對相應的鈦合金鍛件的控形(尺寸精密化)和控性(低倍流線、顯微組織、組織均勻性、微織構、殘余應力、力學性能、超聲檢測、冶金缺陷控制)提出了更高要求,既要做到精確控形,又要做到精確控性。

      為了改善鈦合金模鍛件的低倍流線和組織均勻性,降低鍛件內部的殘余應力,促進模鍛成形過程中金屬的流動,某些關鍵的航空發動機和飛機鈦合金鍛件,如航空發動機用TC11、TC25、TC17、Ti60鈦合金盤類件和整體葉盤鍛件及直升機用TB6鈦合金槳轂鍛件等,采用等溫模鍛成形或近等溫模鍛成形技術,通過鍛件的精化以實現“綠色”鍛造,節省寶貴的鈦資源,降低生產成本。為了提高鈦合金零件的損傷容限性能,某些TC17(Ti-17)、TC19(Ti-6246)鈦合金盤鍛件采用了β模鍛工藝,得到網籃組織狀態使用。對于一些厚大截面的鍛件,如TC4鈦合金風扇盤鍛件,采用強韌化熱處理代替傳統的普通退火,以提高鍛件的強度和熱強性。在生產大型鈦合金鍛件時,要特別注意控制變形溫度和變形速率,特別是對于β鍛的鍛件,防止鍛件在變形過程中心部因變形能集聚引起溫度陡升,造成鍛件心部產生過熱組織,即形成清晰晶或粗大的單個晶粒,引起抗拉強度和疲勞性能的顯著惡化。

      在鈦合金鍛件質量檢驗及控制方面,雖然出現硬α夾雜物、裂紋和孔洞等缺陷的概率極低,但是一旦出現就有可能造成重大的飛機失效事件,必須嚴格控制鈦合金零件內在缺陷,而超聲檢測是檢出鈦合金各類缺陷的最有效手段。我國各主要鈦材生產商近年來建立了鈦合金大規格棒材的水浸超聲檢測裝置,通過分區聚焦超聲檢測,可以顯著提高檢測靈敏度,從而提高了缺陷的檢出能力。大部分鍛件生產商建立了適用于軸對稱的發動機盤類鍛件水浸超聲檢測裝置,可實現鍛件的自動化和數字化超聲檢測,并通過與接觸法探傷相互配合使用,提高缺陷的檢出能力。鈦合金α+β兩相區充分變形得到的球狀(等軸)組織雜波低,容易檢出缺陷;而β鍛或β熱處理得到的片狀組織或網籃組織,雜波高,易掩蓋缺陷反射波,降低檢測的準確性。因此,對于需要β加工的鍛件,應在α+β兩相區鍛的坯料狀態進行超聲檢測。另外,在關鍵鈦合金零件加工過程中,采用表面腐蝕、X射線、表面藍色陽極化、表面熒光滲透、渦流檢測等,提高零件表面和內部缺陷的檢出率。當然,航空級特別是發動機轉子級鈦合金,其相應的原材料海綿鈦也要求是航空級或者是轉子級的,并對其熔煉工藝及過程控制提出了嚴苛要求。

      上述企業中,除傳統的幾個航空企業有五十余年生產航空鍛件的經驗外,其余大部分企業在生產航空鍛件方面處于起步階段,生產技術和經驗有待于積累和提高,借助于靈活的人力資源和設備技術等后發優勢,在國家軍民融合的大背景下,將會迅速成長為具有強大市場競爭力的骨干企業。

      優質鈦合金原材料及鍛件標準建設

      十余年來,我國在鈦合金的熔煉、鍛造、熱處理、機械加工等方面的裝備能力和工藝技術得到了長足進步,為生產大型鈦合金飛機框、梁、起落架結構件和航空發動機盤、葉片、機匣鍛件提供了良好的設備條件和工藝基礎。飛機和航空發動機的安全使用在很大程度上受制于原材料及鍛件的冶金質量、組織狀態、微觀織構及力學性能等,原材料及鍛件的質量除受制造工藝和設備條件所限外,質量控制的主要手段是通過建立相應的材料和鍛件標準、熱工藝和檢驗標準等。我國航空鈦合金材料從研制階段過渡到生產階段的過程中,逐步建立了相應的不同層次的材料標準和工藝規范,如企業標準、型號標準、航空標準、國軍標等,作為材料或鍛件生產和驗收的依據。

      我國在役的大部分鈦合金材料以引進國外牌號為主。因此,在制定材料標準和鍛件標準時,基本上是以參考或等效采用國外相關標準的技術要求和規定為主。在應用材料或鍛件標準時,經常會遇到在化學成分范圍控制、雜質元素含量控制、熱工藝制度、高低倍組織、超聲檢測、力學性能指標要求等條款的理解和實際操作產生歧義的情況。

      隨著我國航空裝備的建設,所用的鈦合金鍛件趨向于大型化、整體化、精密化和低成本化,相應所需的原材料規格和尺寸也不斷加大,某些規格尺寸和重量已超出了目前標準規定的范圍極限,如某廠正在生產的φ500mm鈦合金大棒材,而現行的標準中規定的大規格棒材最大尺寸僅為φ350mm;某型號鈦合金風扇盤鍛件的重量接近了500kg,尺寸大,截面厚,已大大超越以往生產的鈦合金盤鍛件的規格。因此,對于這類超大規格的鈦合金棒材和超大尺寸的鈦合金鍛件,如何對其高低倍組織、力學性能、超聲波探傷等技術要求做出科學合理且適度的規定,尚需針對性地加大研究工作,積累數據和經驗,不斷完善、補充和修訂材料及鍛件標準。

      結束語

      中國的鈦工業經過60余年的發展,具備了生產海綿鈦、鈦加工材、鍛件完整的生產設備和工藝技術,目前已成為世界第一大鈦生產國和消費國。在國家大飛機、兩機專項等新型航空裝備發展驅動下,我國裝備了世界上最大和最先進的各類鍛造設備,可生產大型鈦合金模鍛件、環軋件及葉片精鍛件。在生產大型鈦合金鍛件時,應關注相關的工藝技術如計算機數值模擬技術、先進超聲檢測等技術,材料和鍛件工藝標準的科學合理規定,成分、雜質、組織、織構的合理控制等,提高優質鈦合金鍛件的組織均勻性、批次穩定性及質量可靠性,同時,鍛件制造應朝著精密化、綠色方向發展,實現近凈成形,關注增材制造技術的綜合應用,加強鈦殘料的回收利用,為我國航空高端裝備建設做貢獻。


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