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塑性体积成型与控制
论文题目：复杂精密锻造技术新进展
导师：袁林学号：姓名：王娜娜专业：材料加工工程—锻压 14S009112
复杂精密锻造技术新进展
摘要：随着科学技术的不断发展，钛合金构件的应用越来越广泛，大型化、精密化将成为必然发展趋势。传统的自由锻及模锻形式，由于存在较多飞边并留有大量切削，造成材料浪费，增加产品成本。因此，本文在深入研究钛合金材料的基础上，分析并阐述有关钛合金复杂构件的精密塑性成形技术，以降低生产成本、提高锻件承载力[1]，推动钛合金复杂构件的应用与发展。复杂构件精密锻造是一种先进的热加工工艺，结合课题研究与成果应用，国内钛合金的精密锻造从简单圆盘件[2]到复杂结构件，从中小锻件到大型整体锻件，从均质锻件到功能梯度锻件等研究进展情况，并讨论锻造技术未来的发展方向。关键词：钛合金，精密锻造，超塑性
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
[3]和快速发展，钛合金复杂构件的整体化和有效的应对，研究钛合金复杂构件精当明显，作为的现实意义。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[4]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。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。锻造是将模具与锻坯[5]加热到一定的温度，是一种先进的热加工工艺，具有的优点（1）显著减小材料的抗变形能力，从而大大提高锻造设备的实用能力；（2）提高锻造材料的塑性，使低塑性材料的锻造成为可能；（3）工艺条件易于控制，产品质量稳定。（4）避免模具激冷，大大提高材料的充填能力及充满型腔[6]的能力，减少锻造残余应力，使得少无余量锻造成为可能，使锻件流线非常合理。
一、钛合金材料的流变特性及超塑性
锻造技术主要包括锻造过程模拟技术，锻件设计技术，模具设计技术，模具材料技术，模具真空熔铸技术，模具机加工及电加工技术，电坯技术，润滑技术，等温超塑成型技术，锻件组织性能与控制技术，防止精锻件翘曲变形[7]技术，精锻件数控锻造技术。TA15钛合金属于高铝含量近a型合金是飞机和发动机结构的重要钛合金材料。钛的趟塑成形适用于航用球形燃料罐、机体构件、V2500 发动机前缘整流罩[8]等部件的加上。该方法是将扳材放置在真空热装置巾加热，上型压F，氩气氛中进行加压，用气体压力控制变形速度超成形 n J 进行复杂形状的深拉加工，比用锻造切削 广，L占的金属利率高。接合加工包括熔焊及固相接合，是板、管、棒材绀合成部件的必要方法。由于焊接变形[9]、焊接质的离散件、焊接区的铸造组织等会使焊接接头的性能下降，仅限于框架类、静翼组装、燃烧器、排气管道等静止部件的焊接。但是，随着焊接技术自动化程度的提高，焊接的可靠性提高，因而也扩大r，其中，被用于高应回转部件的焊接。钛制航部件的 TIG 焊应置于氙气气氛的容器内进行。在氩气中JJI J入氦气，由于
[10]热收缩效应町提高焊枪的能量密度，是一种低入热、深焊透的技法。另外，对高价的钛压缩机动翼尖端部在受到磨耗、损伤时，也可用 TIG 焊修复。钛的电子柬焊接是一种高可靠性的精密焊接，对用于钛合金缩机间隔金筒等重要回转部件的焊接，以及 F 14 战机机翼中央 F i一 6A l一4V 合金部件的焊接。由丁钛的吸光和焊接性好，激光焊已应用于钛的航空发动机重要部件 V2500 风机架、风机壳体的焊接，采用的是10kW CO 激光器，钛的电阻焊由于焊接区与氖气接触机会少，没有像点焊、缝焊那样F焊接设备和设施[11]的限制，有电阻高，可实现低电流的焊接，已用 f 风机架外支撑的外强筋的焊接、襟翼迭板的焊接等钛的摩擦焊是使部件回转，由复运动的磨擦热热接的办法。惯性焊是使部件同
[12]转达定速度后力推力，回转部南惯性能量变为摩擦热达到接合的 日的。适用于发动机盘件、套筒、轴食等旋转部件。由于航空发动机是高可靠性飞轮式，大多采用惯性焊。钛的扩散焊有钛合金精加 I 部ft：直接接合的方法和在接合部中间夹中间金属，由其产生的瞬间液相达到液相扩散接合 的方法两种。直接接合已用于一 70发动机的中空风机盘焊接，Rolls． Royce[13] 公刊正在开发中空翼，其内部为液相扩散接合 I 艺制造的钛蜂窝结构，中间金属为 Ni、cu 两层镀层，由 r r i— Cu— Ni j 元共晶反应进行接合，适用于RB 211— 534GH、V 2500[14] 发动机。TRE NT 发动机采用的第二代中窄翼也是由扩散焊 + 超塑成形技术制造，是由3张板件重叠进行扩散接合而成。
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[15]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[16]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[17]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[18]投影面积最大为0.4 ．8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G K SS 研究中心研发的等温锻造加工近 一 Ti A I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TC 17钛合金整体叶盘[19]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。化工信息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德陕，如开发了钛精密铸造 + 热等静压-I-热处理技术，可保证钛合金铸件质量接近于 B 一退火的钛合金锻件；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H ow met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[20]的开发，选择了C 一 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 一 6A 1 — 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 l_ 27m m 厚度的要求，并在新生产的C一 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630nlm ×300 r a n1×130 m m、最小壁厚仅为2． 5 m m 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[21]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10m m 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 k窖，最大尺寸为61 cm x 46 cm × 25 cm，一次最多可铸造12个零件。
三、锻造产业在航空制造领域的发展方向
随着先进锻造技术埘优质、精密、高效、环保、低成本曰标的断追求，锻造产业在航空制造领域的发展应从5个方面进行考虑。第一，应满足新一代航空装备制造大型化、整体化的需求；第二，臆发展低成本、高可靠锻造技术；第三，应考虑低碳、环保的制造方式；第四，针对新型制造技术的特点，结合锻造技术，发展高效率的复合制造技术；第五，应在锻造产业巾发展循环经济制造 1 发展低成本、高可靠的锻造技术在航空制造领域锻造技术主要用于飞机及发动机零件的制造，根据其结构特点，主要有自由锻技术、模锻技术和环轧技术，而自南锻技术除在新号飞机[22]试制部分零件选朋之外，很少直接应用于零件的制造，往往是作为给模锻制坯的T序。因此，发展先进的模锻技术和环轧技术是锻造技术在航空制造领域发展的方向。（1）发展等温精密锻造技术等温精密锻造技术是模锻技术的一种，该技术要求自始至终模具与工件保持相同的温度，以低应变速率进行变形的一种锻造方法。为防止锻件和模具的氧化，常在真空或惰性气体保护的条件下进行。能够生产出锻后不需机加 r的净型锻件或是仅需要少量加的锻件[23]，材料利用率高，锻件组织性能比普通锻件优异。近年来等温精密锻造技术在 国内航空制造领域发展较快，但还远远未达到大量推广应的一业化技术水平，这主要是为模具由特殊材料制造，费用比普通模具高得多；且需要温度均匀可控的模具加热系统；润滑剂要求高，能在高温下充分使用； 为防止T 件和模具氧化，需要额外的真空或惰性气体保护装置[26]。针对这些问题，后续应开发低成本高温合金模具材料； 进行高温模具保护涂层和模具修复技术研究； 进行真空或保护气氛下的等温锻造技术研究； 进行高温合金模具结构设计、模具精密铸造[27]等研究。（2）发展精密环轧技术
[28]目前，我国在研和批产的各种型号航空发动机和其他军T 项目中，高温合金、钛合金等难变形材料环件的应用非常广泛。但国内现生产的航空航天难变形材料环件多为矩形或简单异形截面。材料利用率低，约5％～10％，且尺寸精度差、组织不均匀、加一 变形严重等问题较突出。针对上述问题，如何在提高材料利用率、环件尺寸精度的同时，满足新型发动机对环件组织性能、组织均匀性及批次稳定性等要求，并降低生产成本、缩短研制J吉 J期、节约贵重材料和战略资源是发展环轧技术的方向。根据中航重机股份有限公司[29](以下简称 “ 中航重机”)的 J贵州安大航空锻造有限责任公司前期研究成果，可以从环件胀形一 r艺研究、异形环坯料设计与制备T 艺研究、辗轧、胀形校正、热处理一 r 艺研究；封面文章件产批次[30]稳定研究4方面推动精环轧技术的发腱，重点突破环件辗轧胀形忡技术、异形坯料设计优化技术、环什残余应力测试控制技术等火键技术，最终满足先进发动机和其他武器装备对环形零件的离性能、低成本、精确化、轻醚化、命和用制造的需要，使我国的生产技术达到国际先进水平。
四、结束语
在飞机，发动机和航空材料快速发展的推动下，锻造先进技术在国内发展很快但还未达到大量发展应用的水平，主要在航空钛锻件，高温合金锻件中得到越来越多的应用，今后应更多的开发高温合金模具材料开展热模锻研究进一步降低模具费用，开展高温模具保护涂层和模具修复研究技术，提高模具寿命，开发高温应变速率超塑性，开展真空或保护气氛下的等温锻造研究。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。
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