鈦合金激光直接成型等技術(shù)在航空航天的應(yīng)用進(jìn)展
魔猴君 知識(shí)堂 3269天前
鈦合金具有低密度、高比強(qiáng)度、使用溫度范圍寬（-269~600℃）、耐蝕、低阻尼和可焊等諸多優(yōu)點(diǎn)，是航空航天飛行器輕量化和提高綜合性能的最佳用材，其應(yīng)用水平是體現(xiàn)飛行器先進(jìn)程度的一個(gè)重要方面。提高飛行器的綜合力學(xué)性能并降低成本，是推動(dòng)鈦合金在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的重要措施。
隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，鈦合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展，鈦合金結(jié)構(gòu)件也越來(lái)越呈現(xiàn)出大尺寸、薄壁曲面、變厚度和整體結(jié)構(gòu)的趨勢(shì)，進(jìn)一步提高了航空航天飛行器的性能、結(jié)構(gòu)剛性，減輕了重量，鈦合金精密成形技術(shù)將是航空航天制造技術(shù)的研究重點(diǎn)。
精密成形是指零件成形后接近或達(dá)到零件精度要求的成形技術(shù)，它是建立在新材料、新設(shè)備、新工藝、計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)等技術(shù)成果的基礎(chǔ)上，發(fā)展了傳統(tǒng)的成形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品高效、高性能、低成本的少無(wú)余量制造技術(shù)，精密成形的零件具有高的幾何精度和表面粗糙度、精確的外形及優(yōu)良的機(jī)械性能。鈦合金精密成形技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，它的使用能顯著提高各類(lèi)作戰(zhàn)飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭等航空航天產(chǎn)品的綜合性能和保障能力。針對(duì)精密成形技術(shù)中精密熱成形（包括精密鑄造、超速成形/擴(kuò)散連接、精密旋壓和激光直接快速成形）技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行分析，這些技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)近凈形生產(chǎn)，材料利用率高達(dá)70%~90%，已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域凸顯出廣闊的發(fā)展前景和良好的應(yīng)用價(jià)值。
美國(guó)于20世紀(jì)60 年代開(kāi)始研究應(yīng)用鈦合金精密鑄造技術(shù)，處于世界領(lǐng)先水平，開(kāi)發(fā)出了熔模陶瓷鑄型技術(shù)、機(jī)加石墨鑄型技術(shù)和熱等靜壓技術(shù)。國(guó)外先進(jìn)國(guó)家已成功研制了F-100、CFM-56、CF6-80、F-119等航空發(fā)動(dòng)機(jī)的大型薄壁整體鈦合金中介機(jī)匣、風(fēng)扇、高壓壓氣機(jī)機(jī)匣等鑄件，最大直徑已經(jīng)大于1000mm、最小壁厚小于3mm、尺寸精度達(dá)到CT6~CT7 級(jí)水平，冶金質(zhì)量高。
資料圖：美軍F-22戰(zhàn)斗機(jī)所使用的F119型航空發(fā)動(dòng)機(jī)
美國(guó)F-22戰(zhàn)斗機(jī)在垂尾方向舵作動(dòng)筒支座與其他關(guān)鍵承力部位大量采用鈦合金精密鑄件，約占其整體結(jié)構(gòu)重量的7.1%。德國(guó)鈦鋁精鑄公司采用近α 型鈦合金IMI834 生產(chǎn)了燃?xì)鉁u輪航空發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件。目前，大型復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)中介機(jī)匣式風(fēng)扇框架基本采用 Ti-6Al-4V 及Ti6242 精鑄件，見(jiàn)表1。
我國(guó)的鈦精鑄技術(shù)起步于20世紀(jì)60 年代，是借鑒和引進(jìn)國(guó)外技術(shù)發(fā)展起來(lái)的，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展開(kāi)發(fā)出了鈦合金熔模鑄造技術(shù)、搗實(shí)型鑄造技術(shù)、石墨加工型鑄造技術(shù)等。鈦合金熔模精密鑄造技術(shù)結(jié)合離心澆鑄工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了尺寸900mm、整體壁厚2.5 mm 的薄壁復(fù)雜鈦合金結(jié)構(gòu)件澆鑄成型，尺寸精度達(dá)到CT6~CT8 級(jí)，鑄件表面黏污層厚度減少到0.3mm。對(duì)于中小型鑄件尺寸精度可以達(dá)到CT6~CT7 級(jí)，表面粗糙度達(dá)到R a3.2mm，最小壁厚1.5μm，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。北京航空材料研究院曾成功澆鑄出尺寸630mm×300mm×130mm、最小壁厚僅為2.5mm 的復(fù)雜框形結(jié)構(gòu)。
隨著航空航天裝備升級(jí)換代，對(duì)構(gòu)件的大型化、復(fù)雜化和高精度提出了更高要求，鈦合金精密鑄造技術(shù)結(jié)合先進(jìn)熔煉技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、熱等靜壓技術(shù)、數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)等是今后的主要發(fā)展方向。目前，與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)在技術(shù)基礎(chǔ)、設(shè)備、過(guò)程控制、成形改性一體化、工藝仿真和數(shù)字化檢測(cè)等方面存在一定的差距，攻克大型薄壁復(fù)雜整體精鑄件鑄造關(guān)鍵技術(shù)，滿足先進(jìn)航空航天裝備研制的需要是今后工作的重點(diǎn)。
超塑成形/擴(kuò)散連接（SPF/DB）是一種把超塑成形與擴(kuò)散連接相結(jié)合用于制造高精度大型零件的近無(wú)余量加工方法，在現(xiàn)代航空航天工業(yè)發(fā)展的推動(dòng)下，經(jīng)過(guò)30多年的開(kāi)發(fā)研究和驗(yàn)證試驗(yàn)，已進(jìn)入了實(shí)用階段。
20 世紀(jì)70 年代早期，美國(guó)洛克威爾公司首先將超塑成形技術(shù)應(yīng)用到飛機(jī)結(jié)構(gòu)件制造中，使鈦合金制造工藝發(fā)生了技術(shù)變革。隨后，歐美將鈦合金SPF、SPF/DB 技術(shù)列為重點(diǎn)研究項(xiàng)目，促使超塑成形整體鈦合金結(jié)構(gòu)件已獲得工程應(yīng)用，并產(chǎn)生了巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益：聯(lián)合戰(zhàn)斗機(jī)（JSF）的后緣襟翼和副翼、F-22后機(jī)身隔熱板等重要結(jié)構(gòu)均采用了鈦合金超塑成形/ 擴(kuò)散連接的整體結(jié)構(gòu)。英國(guó)羅·羅公司采用SPF/DB 技術(shù)研制出了第二代鈦合金寬弦無(wú)凸肩空心風(fēng)扇葉片，每個(gè)葉片實(shí)現(xiàn)減重35%~40%，處于世界領(lǐng)先地位。歐盟采用超塑成形的Ti-6Al-4V 合金高度控制儀氣瓶還應(yīng)用于阿里安Ⅴ火箭，國(guó)外一些導(dǎo)彈上用的鈦合金蜂窩結(jié)構(gòu)的翼面也采用SPF/DB技術(shù)成形。
國(guó)內(nèi)對(duì)SPF/DB技術(shù)的研究開(kāi)始于70 年代末，經(jīng)過(guò)30 多年的發(fā)展，我國(guó)SPF/DB 技術(shù)取得了很大的進(jìn)步。近年來(lái)，我國(guó)新機(jī)研制及改進(jìn)機(jī)型中，前緣襟翼、鴨翼、整體壁板和腹鰭等大尺寸鈦合金構(gòu)件采用SPF/DB技術(shù)。針對(duì)航天型號(hào)對(duì)金屬防熱結(jié)構(gòu)的需求，航天材料及工藝研究所開(kāi)展了鈦合金波紋板SPF 技術(shù)研究，成功制備出TC4 鈦合金防熱瓦等熱結(jié)構(gòu)部件。
SPF/DB 應(yīng)用于航空航天具有兩方面的優(yōu)勢(shì)，一方面是滿足航空航天復(fù)雜幾何形狀零件的要求，另一方面可以不用接頭（緊固件或鉚釘?shù)龋┇@得整體結(jié)構(gòu)。SPF/DB 技術(shù)的應(yīng)用方向?yàn)椋捍笮徒Y(jié)構(gòu)件、復(fù)雜結(jié)構(gòu)件、精密薄壁件的超塑成形；高速超塑成形技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)。SPF/DB 技術(shù)應(yīng)用表明：盡管鈦合金成本高，但成本效益、可靠性、長(zhǎng)壽命和重量輕量化對(duì)航空航天的吸引力更大。
旋壓成形技術(shù)制造的薄壁回轉(zhuǎn)體殼體構(gòu)件解決了在車(chē)削加工時(shí)存在的剛度低、顫動(dòng)大、加工精度低等技術(shù)問(wèn)題或根本無(wú)法加工的技術(shù)難題，應(yīng)用于航天領(lǐng)域具有諸多優(yōu)勢(shì)。
美國(guó)強(qiáng)力旋壓生產(chǎn)的φ3900mm大型導(dǎo)彈殼體，徑向尺寸精度達(dá)到0.05mm，表面粗糙度R a 為1.6~3.2μm，壁厚差≤0.03mm。美國(guó)鈦制造公司采用1.5m 立式旋壓機(jī)旋壓φ 1524mm 的Ti-6Al-4V鈦合金導(dǎo)彈壓力容器封頭，每個(gè)封頭的旋壓時(shí)間為5min。民兵洲際導(dǎo)彈第二級(jí)固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體采用了Ti-6Al-4V 鈦合金，并用強(qiáng)力旋壓成形，成形后的鈦合金殼體重量減輕30%。圍繞航天型號(hào)對(duì)輕質(zhì)、高強(qiáng)、大型化航天需求，德國(guó)MT 宇航公司采用旋壓工藝制備出φ 1905 mm 的高強(qiáng)Ti-15V-3Cr合金推進(jìn)系統(tǒng)貯箱，并應(yīng)用于歐洲阿爾法通信衛(wèi)星巨型平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星平臺(tái)的大幅度減重、增加有效載荷。
我國(guó)的旋壓工藝與設(shè)備的研究源于60 年代初期，鈦合金的旋壓研究始于上世紀(jì)70 年代，經(jīng)過(guò)40 多年來(lái)的發(fā)展，基本形成了從設(shè)備的研制到工藝開(kāi)發(fā)一套成熟的體系。國(guó)內(nèi)航天所用鈦合金及旋壓制品，如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外殼、葉片罩、陀螺儀導(dǎo)向罩、內(nèi)蒙皮等，Ti8Al1Mo1V 高鈦合金用于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片熱處理強(qiáng)化鈦合金旋壓成形；TB2 鈦合金用于小型噴管旋壓等。
西安航天動(dòng)力機(jī)械廠研制出國(guó)內(nèi)最大直徑的鈦合金筒形件；通過(guò)正反2 道次普旋翻邊成功旋壓出φ 500mm 的薄壁半圓鈦圈，零件用于空間飛行器微動(dòng)力姿態(tài)調(diào)整。
中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第703 研究所采用普旋與強(qiáng)旋相結(jié)合的技術(shù)，以TC3、TC4 2 種鈦合金板材為坯料，熱旋壓制備出了2 種鈦合金半球形（φ 內(nèi)522mm×2.0mm）、圓柱形儲(chǔ)箱殼體（φ 163mm×2.0mm×200mm 的杯形件，φ 163mm×2.0mm×360mm 及φ 112mm×6.0mm×1000mm 的筒形件）。
近幾年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬已廣泛應(yīng)用于金屬部件旋壓成形過(guò)程的分析。航天材料及工藝研究所對(duì)TC4筒形件進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，分析了旋輪攻角、旋輪運(yùn)動(dòng)軌跡、普旋道次等工藝參數(shù)對(duì)旋壓成形的影響規(guī)律，成功旋制了高深徑比的TC4 鈦合金筒形件。盡管鈦合金精密旋壓技術(shù)為航天領(lǐng)域提供了各類(lèi)合金普旋成形高深徑比旋壓件，但從零件的工程化應(yīng)用和旋壓成形的復(fù)雜性分析，還需進(jìn)一步加強(qiáng)?？偟膩?lái)說(shuō)，旋壓技術(shù)在國(guó)內(nèi)航天工業(yè)獲得廣泛應(yīng)用，但大直徑、薄壁整體鈦合金熱旋壓成形工藝尚無(wú)應(yīng)用實(shí)例，直徑2.25 m貯箱箱底整體旋壓技術(shù)、直徑5 m 低溫貯箱箱底瓜瓣成形、鈦合金及高溫合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件成形等技術(shù)還處在工藝摸索階段。
自20世紀(jì)90年代開(kāi)始，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，激光直接制造技術(shù)逐漸成為制造領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。激光直接快速成形技術(shù)中有2 種方法可以用于直接制造金屬零件，即區(qū)域選擇激光熔化（Selective Laser Melting, SLM）技術(shù)和近凈成形（Laser Engineered Net Shaping, LENS）技術(shù)。國(guó)外有關(guān)大型鈦合金結(jié)構(gòu)件激光直接快速成形技術(shù)的研究主要集中在美國(guó)。美國(guó)AeroMet公司在2002~2005 年間實(shí)現(xiàn)了激光直接快速成形鈦合金結(jié)構(gòu)件在飛機(jī)上的應(yīng)用。2001 年Aero-Met公司開(kāi)始為波音公司F/A-18E/F 艦載聯(lián)合殲擊/ 攻擊機(jī)小批量試制發(fā)動(dòng)機(jī)艙推力拉梁、機(jī)翼轉(zhuǎn)動(dòng)折疊接頭、翼梁、帶筋壁板等機(jī)翼鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件。2002 年制定出了“Ti6Al4V鈦合金激光快速成形產(chǎn)品”宇航材料標(biāo)準(zhǔn)（ASM 4999）并于同年在世界上率先實(shí)現(xiàn)激光快速成形鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件在F/A-18 等戰(zhàn)機(jī)上的驗(yàn)證考核和裝機(jī)應(yīng)用。在航天領(lǐng)域，NASA 馬歇爾航天飛行中心（NASA’s Marshall Space FlightCenter in Huntsville,Ala.）于2012 年將選區(qū)激光熔化成形技術(shù)應(yīng)用于多個(gè)型號(hào)航天發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜金屬零件樣件的制造。激光直接快速成形技術(shù)還常常被用于鈦合金零件或者模具的修復(fù)。
我國(guó)鈦合金結(jié)構(gòu)件激光直接快速成形技術(shù)的研究，從2001 年開(kāi)始一直受到政府主要科技管理部門(mén)的高度重視，在飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形制造工藝研究、成套裝備研發(fā)及工程應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)等方面取得了較大進(jìn)展。
北京航空航天大學(xué)激光材料加工制造技術(shù)實(shí)驗(yàn)室以飛機(jī)次承力鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件為對(duì)象，開(kāi)展激光快速成形工程化應(yīng)用技術(shù)研究，先后制造出TA15 鈦合金角盒近200 件，完成了“激光快速成形TA15 鈦合金結(jié)構(gòu)件在某型飛機(jī)上的裝機(jī)評(píng)審”，首件激光快速成形TA15 鈦合金結(jié)構(gòu)件順利通過(guò)在某型飛機(jī)上的全部應(yīng)用試驗(yàn)考核，使我國(guó)成為繼美國(guó)之后世界上第二個(gè)掌握飛機(jī)鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件激光快速成形工程化技術(shù)并實(shí)現(xiàn)激光快速成形鈦合金結(jié)構(gòu)件在飛機(jī)上應(yīng)用的國(guó)家。
北京航空航天大學(xué)王華明主持的“飛機(jī)鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)”項(xiàng)目研制生產(chǎn)出我國(guó)飛機(jī)裝備中迄今尺寸最大、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的鈦合金等高性能難加工金屬關(guān)鍵整體構(gòu)件，并在我國(guó)大型飛機(jī)等多型飛機(jī)研制和生產(chǎn)中得到實(shí)際應(yīng)用，從而使我國(guó)成為目前世界上唯一突破飛機(jī)鈦合金大型主承力結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)并實(shí)現(xiàn)裝機(jī)應(yīng)用的國(guó)家，如圖1。
相對(duì)于國(guó)內(nèi)的航空領(lǐng)域的研究應(yīng)用，目前激光直接快速成形技術(shù)在我國(guó)航天領(lǐng)域的應(yīng)用研究基本上還是處于起步階段。實(shí)際上，航天液體和固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)難加工材料、復(fù)雜型面的結(jié)構(gòu)件及武器型號(hào)難加工材料輕質(zhì)防熱結(jié)構(gòu)件可以很好地采用選區(qū)激光熔化技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度加工。
采用激光直接快速成形技術(shù)制造航空航天用的整體鈦合金結(jié)構(gòu)件具有材料利用率高、加工余量小、周期短和柔性高等優(yōu)點(diǎn)。但激光快速成形過(guò)程中零件變形開(kāi)裂預(yù)防，內(nèi)部質(zhì)量（內(nèi)部缺陷、晶粒及顯微組織等）及力學(xué)性能控制依舊是制約大型整體鈦合金關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件激光直接快速成形技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。
結(jié)束語(yǔ)
綜合所述，鈦合金精密熱成形技術(shù)在獲得不斷進(jìn)步的同時(shí)，也遇到了一些技術(shù)難題，大型整體鈦合金構(gòu)件的工程化應(yīng)用范圍還比較小，但隨著航空航天產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，鈦合金精密熱成形技術(shù)必定步入一個(gè)新的發(fā)展期，鑒于鈦合金和精密熱成形技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)，二者的結(jié)合在未來(lái)航空航天工業(yè)中的貢獻(xiàn)作用將更為顯著，今后其主要發(fā)展方向是：（1）大型或者超大型復(fù)雜（薄壁）結(jié)構(gòu)件的整體精密成形、低成本、工程化應(yīng)用；（2）計(jì)算機(jī)模擬（仿真）技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)、數(shù)控技術(shù)等與精密成形技術(shù)的結(jié)合，為航空航天新構(gòu)件的成形提供技術(shù)途徑。
