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我国航空钛合金材料及锻件的研究与发展

[ 来源: | 作者:本站 | 发布时间:2020-10-20 | 浏览:36次 ]

高质量的航空锻件主要有航空发动机风扇和压气机系统的盘、机匣、整体叶盘、盘轴、叶片锻件以及飞机结构的框、梁、接头、起落架锻件等。随着航空发动机和飞机结构设计的技术进步,航空锻件向大型化、整体化、精密化方向发展,推动着锻压设备及其配套装备的发展与技术进步。为适应优质精密航空锻件及难变形材料的锻造需要,发展了如等温锻造、热模锻造、分段锻造等新工艺技术及相应的模具设计制造和质量控制技术。

航空系统内从事航空大、中、小型钛合金锻件的生产企业主要有:中航重机旗下的陕西宏远、贵州安大、景航航空锻铸、无锡卓越以及集团旗下的部分飞机和发动机公司。在航空系统内部,大型钛合金锻件生产用的模锻设备除专业化锻造厂有80~100MN液压机外,近年来,陕西宏远装备了一台200MN等温锻压机和200MN离合器式电动螺旋压力机,其中200MN等温锻压机具有“恒应变速率”控制功能和双工作台,工作台尺寸为6000mm×4000mm,最大净空距为3600mm,等温锻时滑块速度可控制在0.005~0.5mm/s,普通热模锻时滑块速度可控制在0.5~10mm/s;200MN电动螺旋压力机在精密化、数字化、智能化方面有了长足进步,最大打击能力达到360MN,尺寸控制精度达到±0.6mm,可控变形速度为0.2~0.5m/s,能实现模具自动控温。贵州安大于2017年装备了一台250MN等温锻+模锻压机,可用于难变形材料大型锻件的等温锻生产。同时,贵州安大拥有多条系列环形件生产线,可以实现钛合金、高温合金等难变形材料复杂异形截面环件的精密轧制。


航空系统外从事航空钛合金锻件特别是大型锻件生产的国有企业主要有二重万航、无锡透平,建立了用于大型飞机结构件、大型发动机风扇叶片和盘锻件用的锻造设备,如二重万航的800MN模锻压机和具多向模锻功能的200MN等温锻压机、无锡透平的355MN离合器式螺旋压力机。

十余年内我国涌现了一大批从事航空锻件生产的民营企业,装备了先进的锻压设备,如南山锻造、三角防务、昆仑重工、中钛青锻、贵州航宇、无锡航亚、无锡派克等。这些企业装备了大吨位的模锻和环轧设备,并配套了相应的制坯自由锻压机。如南山锻造500MN和125MN模锻压机,三角防务400MN模锻压机和在建的300MN等温锻+模锻压机,昆仑重工300MN模锻压机,中钛青锻680MN多功能压机(具有模锻和挤压双重功能),可生产航空发动机和飞机大型结构件锻件。贵州航宇4.5m环轧机(径向/轴向压力分别为700/700t)及相应胀形设备、无锡派克的先进环轧设备均配置了自动控制系统,为生产优质的发动机钛合金机匣环件提供了很好的硬件条件,胀形工艺的应用可提高环件的尺寸精度,并提高材料利用率,胀形会改变环件内部残余应力的大小和方向,促进残余应力的均匀分布。无锡航亚具备生产钛合金精锻叶片的全套装备和技术能力,除配合国内重点型号发动机叶片生产外,还积极投身国际市场,为GE、Safran公司生产Ti-6Al-4V钛合金压气机叶片等。

大涵道比航空发动机朝“大风扇、小心脏”方向发展,致使风扇部件如风扇盘和风扇叶片的尺寸相应增大,高推重比军用航空发动机的整体叶盘(blisk)和整体叶环(bling)等整体轻量化结构设计,这些设计变化对相应的钛合金锻件的控形(尺寸精密化)和控性(低倍流线、显微组织、组织均匀性、微织构、残余应力、力学性能、超声检测、冶金缺陷控制)提出了更高要求,既要做到精确控形,又要做到精确控性。

为了改善钛合金模锻件的低倍流线和组织均匀性,降低锻件内部的残余应力,促进模锻成形过程中金属的流动,某些关键的航空发动机和飞机钛合金锻件,如航空发动机用TC11、TC25、TC17、Ti60钛合金盘类件和整体叶盘锻件及直升机用TB6钛合金桨毂锻件等,采用等温模锻成形或近等温模锻成形技术,通过锻件的精化以实现“绿色”锻造,节省宝贵的钛资源,降低生产成本。为了提高钛合金零件的损伤容限性能,某些TC17(Ti-17)、TC19(Ti-6246)钛合金盘锻件采用了β模锻工艺,得到网篮组织状态使用。对于一些厚大截面的锻件,如TC4钛合金风扇盘锻件,采用强韧化热处理代替传统的普通退火,以提高锻件的强度和热强性。在生产大型钛合金锻件时,要特别注意控制变形温度和变形速率,特别是对于β锻的锻件,防止锻件在变形过程中心部因变形能集聚引起温度陡升,造成锻件心部产生过热组织,即形成清晰晶或粗大的单个晶粒,引起抗拉强度和疲劳性能的显著恶化。

在钛合金锻件质量检验及控制方面,虽然出现硬α夹杂物、裂纹和孔洞等缺陷的概率极低,但是一旦出现就有可能造成重大的飞机失效事件,必须严格控制钛合金零件内在缺陷,而超声检测是检出钛合金各类缺陷的最有效手段。我国各主要钛材生产商近年来建立了钛合金大规格棒材的水浸超声检测装置,通过分区聚焦超声检测,可以显著提高检测灵敏度,从而提高了缺陷的检出能力。大部分锻件生产商建立了适用于轴对称的发动机盘类锻件水浸超声检测装置,可实现锻件的自动化和数字化超声检测,并通过与接触法探伤相互配合使用,提高缺陷的检出能力。钛合金α+β两相区充分变形得到的球状(等轴)组织杂波低,容易检出缺陷;而β锻或β热处理得到的片状组织或网篮组织,杂波高,易掩盖缺陷反射波,降低检测的准确性。因此,对于需要β加工的锻件,应在α+β两相区锻的坯料状态进行超声检测。另外,在关键钛合金零件加工过程中,采用表面腐蚀、X射线、表面蓝色阳极化、表面荧光渗透、涡流检测等,提高零件表面和内部缺陷的检出率。当然,航空级特别是发动机转子级钛合金,其相应的原材料海绵钛也要求是航空级或者是转子级的,并对其熔炼工艺及过程控制提出了严苛要求。

上述企业中,除传统的几个航空企业有五十余年生产航空锻件的经验外,其余大部分企业在生产航空锻件方面处于起步阶段,生产技术和经验有待于积累和提高,借助于灵活的人力资源和设备技术等后发优势,在国家军民融合的大背景下,将会迅速成长为具有强大市场竞争力的骨干企业。

优质钛合金原材料及锻件标准建设

十余年来,我国在钛合金的熔炼、锻造、热处理、机械加工等方面的装备能力和工艺技术得到了长足进步,为生产大型钛合金飞机框、梁、起落架结构件和航空发动机盘、叶片、机匣锻件提供了良好的设备条件和工艺基础。飞机和航空发动机的安全使用在很大程度上受制于原材料及锻件的冶金质量、组织状态、微观织构及力学性能等,原材料及锻件的质量除受制造工艺和设备条件所限外,质量控制的主要手段是通过建立相应的材料和锻件标准、热工艺和检验标准等。我国航空钛合金材料从研制阶段过渡到生产阶段的过程中,逐步建立了相应的不同层次的材料标准和工艺规范,如企业标准、型号标准、航空标准、国军标等,作为材料或锻件生产和验收的依据。

我国在役的大部分钛合金材料以引进国外牌号为主。因此,在制定材料标准和锻件标准时,基本上是以参考或等效采用国外相关标准的技术要求和规定为主。在应用材料或锻件标准时,经常会遇到在化学成分范围控制、杂质元素含量控制、热工艺制度、高低倍组织、超声检测、力学性能指标要求等条款的理解和实际操作产生歧义的情况。

随着我国航空装备的建设,所用的钛合金锻件趋向于大型化、整体化、精密化和低成本化,相应所需的原材料规格和尺寸也不断加大,某些规格尺寸和重量已超出了目前标准规定的范围极限,如某厂正在生产的φ500mm钛合金大棒材,而现行的标准中规定的大规格棒材最大尺寸仅为φ350mm;某型号钛合金风扇盘锻件的重量接近了500kg,尺寸大,截面厚,已大大超越以往生产的钛合金盘锻件的规格。因此,对于这类超大规格的钛合金棒材和超大尺寸的钛合金锻件,如何对其高低倍组织、力学性能、超声波探伤等技术要求做出科学合理且适度的规定,尚需针对性地加大研究工作,积累数据和经验,不断完善、补充和修订材料及锻件标准。

结束语

中国的钛工业经过60余年的发展,具备了生产海绵钛、钛加工材、锻件完整的生产设备和工艺技术,目前已成为世界第一大钛生产国和消费国。在国家大飞机、两机专项等新型航空装备发展驱动下,我国装备了世界上最大和最先进的各类锻造设备,可生产大型钛合金模锻件、环轧件及叶片精锻件。在生产大型钛合金锻件时,应关注相关的工艺技术如计算机数值模拟技术、先进超声检测等技术,材料和锻件工艺标准的科学合理规定,成分、杂质、组织、织构的合理控制等,提高优质钛合金锻件的组织均匀性、批次稳定性及质量可靠性,同时,锻件制造应朝着精密化、绿色方向发展,实现近净成形,关注增材制造技术的综合应用,加强钛残料的回收利用,为我国航空高端装备建设做贡献。


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