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钛合金复杂构件精密塑性成形技术研究

发布日期:2018-07-04  浏览次数:177
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  一、前言
  当前,我国航空工业所取得的发展成就举世瞩目。伴随着航空工业的崛起和快速发展,钛合金复杂构件的整体化和大型化趋势已经表现得相当明显,作为有效的应对,研究合金复杂构件精密塑性成形技术具有重大的现实意义。钛合金之所以在航空工业中倍受青睐,主要是因为钛合金具有耐高温、高比强度、低密度、高抗腐蚀性以及能够焊接处理等优点,所以航空飞行器和航天飞行器在提升自身的综合性能、降低自身重量时,会优先考虑钛合金材料。由于钛合金及其构件的合成制作具有相当高的技术含量,因此,钛合金材料使用数量的多少目前已经成为衡量航空(航天)飞行器先进程度的重要指标之一。但是为了实现航空(航天)飞行器总性价比的最优化,需要对钛合金的使用比例进行必要的控制。当前航空航天领域对于航空(航天)飞行器的总体要求是,安全可靠、使用寿命长、性能优秀、速度高、自重轻,其中降低航空(航天)飞行器的自身重量对于增加燃料、提高飞行器性能而言是至关重要的。
  二、钛合金复杂构件精密塑性成形技术分析
  目前,钛合金复杂构件精密塑性成形技术主要包括三种,即粉末冶金技术、等温锻造技术以及精密铸造技术。这三种技术的钛合金材料利用率能够达到70%至90%的水平,拥有较好的生产经济性,并可以实现净形生产。因为钛合金材料是公认的非常昂贵的材料,并且废弃材料难以回收和加工,增加了钛合金材料的加工成本,因此,选择利用率高的加工技术是提高钛合金构件性价比的关键。
  1.钛合金粉末冶金技术
  MLM(金属粉末注射成形)技术是当前公认的优势最为显著的成形技术之一,它属于近净成型技术,在制造高精度、高质量的复杂零件方面拥有独特的优势。在制备形状复杂的部件方面,钛合金热等静压粉末冶金技术相对比较容易操作,并且制备完成的钛合金部件几乎都是净形,并且其材料性能和原先基于锻材加工技术制备的钛合金构件不相上下。并且,利用热等静压粉末冶金技术固结的粉末钛合金能够实现全部程度的致密,不仅微观结构良好,而且组织均匀、晶粒细小,没有偏析和织构问题,其性能不低于锻件水平。
  当前,外国的航空航天领域在高性能钛合金粉末冶金技术的研究方面已经达到了相对较高的水平,某些已经得到了商业应用。我国虽然也在钛合金粉末冶金技术进行了大量的研究工作,但是在高性能钛合金粉末冶金技术尤其是关键构件的高性能钛合金粉末冶金技术方面的研究还要落后于国外先进水平。
  2.等温锻造技术
  关于钛合金等温锻造技术的相关研究已经有三十几年的历史,基于此技术的大型钛合金锻件类型也有不下数十种。资料显示,目前钛合金锻件投影面积最大为0.48平方米。国外在该技术的研究和应用方面均早于国内,其中一些技术也颇具代表性,例如,德国GKSS 研究中心研发的等温锻造加工近 γ-TiAl 合金零件的技术便是典型代表之一。其他的一些欧美国家在该技术的研究方面也取得了一定的成就,并且已经具备了成熟的硬件设施,例如,反馈系统设备、常应变率控制设备以及温控设备等等。我国在钛合金等温锻造技术方面虽然起步较晚,但是也获得了显著的成就,例如,我国的宝钢公司利用等温锻造技术成功试制出了直径为500毫米的TC17钛合金整体叶盘和高压压气机盘。结果显示,该锻件的金属流线分布合理,并且具备良好的组织和性能。
  为了促进等温锻造技术获得更深程度地发展,在今后的研究当中需要重点解决以下关键技术:首先,大型件的组织性能控制技术;其次,复杂形状零件的多向加载成形模具结构的设计技术;再次,大型薄壁件整体成形省力技术;最后,钛合金零件精密成形金属流动控制技术。
  3.精密铸造技术
  近年来,钛合金精铸技术发展很快,如开发了钛精密铸造 + 热等静压 + 热处理技术,可保证钛合金铸件质量接近于 β- 退火的钛合金锻件;开发了浮熔铸造技术,采用减压吸引法进行铸造,浇注时很少产生紊流,基本无气泡夹杂,很少产生铸造缺陷。在美国,真空压铸法作为新的钛铸造方法已进入实用阶段,这种方法不会产生铸件表面污染,质量比较稳定,也省去了后续的酸洗工序。
  美国Howmet 公 司、波音公司与美国空军研究实验室联合进行薄壁钛铸件的开发,选择了C-17军用运输机发动机挂架的鼻帽和防火封严件为对象,各用一个整体铸件取代由17个Ti-6Al-4V合金钣金件组成的鼻帽和由多个零件、紧固件组成的防火封严件。经过努力,目前已达到 1.27mm 厚度的要求,并在新生产的C-17飞机中得到应用。国内方面,北京航空材料研究院曾成功浇铸出尺寸为 630 mm×300 mm×130 mm、最小壁厚仅为2.5 mm的复杂框形结构。
  该技术存在的问题,首先,大型钛合金构件将越来越多地应用在易疲劳断裂的关键部位,但大型复杂薄壁钛合金浇铸时液态金属流将部分造型材料卷入金属流冷却后形成的夹杂容易导致裂纹的产生与扩展,尤其是钛合金铸件中大于 10mm 的缩孔,很难在热等静压中压扁焊合。其次,熔模铸造的充型凝固过程容易产生许多如卷气、夹杂、缩孔、冷隔等铸造缺陷,从而影响铸件性能。最后,虽然真空压铸法不存在以上问题,但它仅适于制造形状简单的零件,铸件最大质量为18 kg,最大尺寸为61 cm×46 cm×25 cm,一次最多可铸造12个零件。
  三、结束语
  为了实现降低飞行器自重的目标,航空航天工程人员通常采用整体结构形式而非原先利用小锻件连接成为大部件的方式,此举在提高飞行器刚性的同时也显著降低了飞行器的自重。对于钛合金材料而言,因为焊接难度较大,采用整体成形技术使其一次性成为整体构件是当前航空、航天飞行器用的钛合金结构件制造技术的发展趋势,特别是大型、薄壁、复杂、整体、精密制造技术更是代表。
  参考文献
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