航空用鈦合金鍛件的新工藝方法

1、鈦合金鍛件大型化是必然趨勢

鈦合金強(qiáng)度高、密度低、耐腐蝕，是優(yōu)良的宇航材料，在飛機(jī)上得到了越來越多的應(yīng)用。如在蘇一27中鈦合金用量達(dá)飛機(jī)總重量的18％，在美國第四代戰(zhàn)斗機(jī)F一22上，鈦合金用量達(dá)41％。 作為我國國防的重要力量，第四代戰(zhàn)斗機(jī)和大型軍用運(yùn)輸機(jī)中鈦合金用量必然很大。

為了進(jìn)一步提高飛機(jī)的性能，必須盡一切可能降低每一克重量。以往采用由小鍛件連接的一些大部件將盡可能改用整體的結(jié)構(gòu)形式，這可以明顯提高結(jié)構(gòu)的剛性和減輕重量。如航空發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)盤和葉片通常用榫頭進(jìn)行連接，新的設(shè)計(jì)改成整體結(jié)構(gòu)，即把葉片和盤件做成一個(gè)整體，總重量可以減輕20％。但整體鍛件的投影面積和重量將增加一倍。尤其是鈦合金件，由于焊接技術(shù)難度很大，更希望做成大鍛件。制造鈦合金特大型鍛件隨著飛機(jī)的發(fā)展而更加迫切¨。

戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)身的鈦合金框由6～7件組裝而成，其最大外形尺寸達(dá)1680mm×1450mm，總投影面積約為lm²，重量高達(dá)350kg。做成整體件，強(qiáng)度和剛度將比多件連接結(jié)構(gòu)要高得多。大型運(yùn)輸機(jī)中每架飛機(jī)鈦合金鍛件需要十幾噸，很多都是大鍛件，如起落架梁的長度達(dá)1700mm，厚度為320mm，投影面積也要1m²以上。

美國報(bào)道了帶有雙發(fā)動機(jī)艙孔的整體框架鍛件，材料是Ti一6Al一4V，投影面積達(dá)5.4m²，在45000t水壓機(jī)上生產(chǎn)。俄羅斯在大型飛機(jī)起落架上用的整體鈦鍛件也非常大，達(dá)3m多長，重達(dá)1.5t，在75000t水壓機(jī)上生產(chǎn)。

隨著我國航空工業(yè)的發(fā)展，鈦合金鍛件大型化是必然趨勢。特大型鈦合金鍛件的生產(chǎn)技術(shù)是必須解決的重大技術(shù)關(guān)鍵。

2、鈦合金大型鍛件生產(chǎn)的一種新途徑

特大型鈦合金鍛件投影面積將達(dá)到1.0～1.5m²，最大外形尺寸將達(dá)1.7m。按照經(jīng)典鍛造概念，應(yīng)該有足夠大的鍛壓機(jī)，譬如，建造1臺80000t的大型水壓機(jī)，這會給大鍛件生產(chǎn)創(chuàng)造良好的條件。當(dāng)然這需要投資十幾億元，還需要充分考慮今后的市場是否有足夠的合同來維持該設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于設(shè)備使用費(fèi)用高，大鍛件的制造費(fèi)用也很高。

另一方法是直接用厚板加工出整體框零件。現(xiàn)我國可以生產(chǎn)厚板的軋機(jī)有很多，但具備生產(chǎn)鈦合金厚板的技術(shù)只有寶雞鈦業(yè)股份公司和上海寶鋼集團(tuán)公司。在飛機(jī)設(shè)計(jì)初期，這個(gè)方法可以很快得到零件，可以加快研制進(jìn)度，但這個(gè)方法的材料利用率很低，約是鍛件的1/4，用作生產(chǎn)很不經(jīng)濟(jì)。而且厚板的力學(xué)性能不及模鍛件好，不能充分發(fā)揮材料的潛能，不利于飛行器的減重。

等溫鍛造是可以生產(chǎn)鈦合金特大型優(yōu)質(zhì)鍛件而投資少、生產(chǎn)成本低的一種很有希望的新方法。

等溫鍛造是利用鈦合金的超塑性特性發(fā)展起來的新技術(shù)。等溫鍛造可以生產(chǎn)精密鍛件，整個(gè)生產(chǎn)過程可以對鍛壓各主要參數(shù)精確控制。因此鍛件的質(zhì)量更穩(wěn)定、更可靠。特別是同樣鍛件，等溫鍛造所需要的鍛壓噸位只有普通鍛造的1/5～1/10，可以用相對小的壓力鍛造更大的鍛件。實(shí)踐表明，1.0～1.5m²的鈦合金鍛件用10000t的等溫鍛壓機(jī)是完全可以鍛造出來。

3、等溫鍛造生產(chǎn)的大型鈦合金鍛件

大型鈦合金鍛件通常都是用經(jīng)典的普通模鍛方法生產(chǎn)的。由于鈦合金的變形抗力大，而鍛造溫度范圍窄，因此只能生產(chǎn)粗鍛件，無法生產(chǎn)精密鍛件。等溫鍛造解決了這個(gè)難題，生產(chǎn)出了精密鍛件，更重要的是生產(chǎn)出了大型精密鍛件。

(1)壓氣機(jī)盤

壓氣機(jī)盤是典型的軸對稱大鍛件，直徑500～600mm。等溫鍛造的鍛件比普通模鍛的精度高，重量減輕20％～30％。生產(chǎn)的葉盤直徑達(dá)到700mm，是我國目前最大的鈦合金盤件(圖1)。

(2)軸頸和大型管

軸頸(φ20×400mm)、大型管(φ140×850mm)用普通鍛造只能生產(chǎn)實(shí)心鍛件，而用等溫鍛造可生產(chǎn)空心薄壁件，冶金質(zhì)量大大提高，重量減少40％～60％(圖2)。

(3)機(jī)匣

機(jī)匣(咖720×430mm)是我國生產(chǎn)的最大鈦合金鍛件(圖3)，投影面積為0.48m²。用普通鍛造是鍛不出的，此鍛件是用等溫鍛造方法生產(chǎn)的。

上述大型鍛件都是在最大壓力為3000t壓機(jī)上生產(chǎn)的，最大的投影面積有0.48m²。鈦合金大型鍛件的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)給出了很多有用的數(shù)據(jù)，對于投影面積在1.0～1.5m²的特大型鍛件，預(yù)計(jì)壓機(jī)有8000～10000t的壓力就可以得到成形良好的模鍛件。

4、等溫鍛造在我國特大型鈦合金鍛件上的應(yīng)用

鈦合金等溫鍛造的研究已有30年的歷史，等溫鍛造的大型鈦合金鍛件已經(jīng)生產(chǎn)了幾十種，最大的鈦合金鍛件的投影面積達(dá)0.48m²。已經(jīng)積累了相當(dāng)豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，這是發(fā)展特大型鈦合金鍛件最重要的基礎(chǔ)。

特大型鍛件的生產(chǎn)要有可以進(jìn)行等溫鍛造的大型液壓機(jī)。國內(nèi)6000t以上的等溫鍛造用液壓機(jī)已有多臺，最大10000t。

特大型鍛件重量為1t以上，所需鈦合金錠在5t以上。國內(nèi)有8～15t鈦合金冶煉爐多臺，可以提供足夠大的鈦合金錠。2000t以上的快鍛機(jī)有多臺，最大的4000t；還有1300 t徑鍛機(jī)，可以將大錠開坯，提供鍛坯。

鈦合金等溫鍛造的模具用高溫合金鑄件必須在真空感應(yīng)爐中澆注。我國大型真空感應(yīng)爐有多臺，最大12t，為特大型的高溫合金模具鑄造提供了良好的條件。

上述各方面表明，采用等溫鍛造生產(chǎn)特大型鈦合金鍛件已經(jīng)具備了相當(dāng)好的基礎(chǔ)，可以生產(chǎn)投影面積達(dá)1.5m²的特大型鈦合金鍛件。

5、生產(chǎn)特大型鈦合金鍛件還需解決的關(guān)鍵技術(shù)

特大型鈦合金鍛件，一種類型是外形尺寸大，壁薄。如飛機(jī)整體框架，是近似于環(huán)形件的異形件，直徑1.4～1.7m，壁板厚度只有2～3mm。另一種類型是又粗又大的鍛件，如飛機(jī)起落架梁，最大外形處尺寸達(dá)1.7m×1.0m，厚度也有350mm，重量1000kg；又如俄國生產(chǎn)的Til023起落架尺寸為3368mm×451mm×488mm，重量1486kg。

由此可知，研制特大型鍛件還需解決下列關(guān)鍵技術(shù)：(1)特大型鍛件模具的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)；(2)特大型鍛件的組織控制，1～2t鍛件用的大坯料的組織要控制到細(xì)小均勻的技術(shù)；(3)整體框鍛件是不均勻環(huán)形件，預(yù)制坯技術(shù)；(4)特大型鈦合金鍛件的等溫鍛造工藝技術(shù)；(5)特厚鍛件的熱處理工藝技術(shù)。

6、結(jié)束語

隨著航空新技術(shù)的發(fā)展，鈦合金鍛件大型化是必然趨勢。在各種鍛造方法中，等溫鍛造技術(shù)的高質(zhì)量、低成本優(yōu)勢明顯地優(yōu)于其他方法。在成功生產(chǎn)大型鈦合金等溫鍛件的基礎(chǔ)上，建立更大的壓機(jī)和配套設(shè)備生產(chǎn)特大型鈦合金鍛件，等溫鍛造是一條很好的新途徑。

參考文獻(xiàn)

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