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航空用钛合金锻件的新工艺方法

发布时间: 2021-12-27 12:04:08    浏览次数:

1、钛合金锻件大型化是必然趋势

钛合金强度高、密度低、耐腐蚀,是优良的宇航材料,在飞机上得到了越来越多的应用。如在苏一27中钛合金用量达飞机总重量的18%,在美国第四代战斗机F一22上,钛合金用量达41%。 作为我国国防的重要力量,第四代战斗机和大型军用运输机中钛合金用量必然很大。

为了进一步提高飞机的性能,必须尽一切可能降低每一克重量。以往采用由小锻件连接的一些大部件将尽可能改用整体的结构形式,这可以明显提高结构的刚性和减轻重量。如航空发动机的压气机盘和叶片通常用榫头进行连接,新的设计改成整体结构,即把叶片和盘件做成一个整体,总重量可以减轻20%。但整体锻件的投影面积和重量将增加一倍。尤其是钛合金件,由于焊接技术难度很大,更希望做成大锻件。制造钛合金特大型锻件随着飞机的发展而更加迫切¨。

战斗机机身的钛合金框由6~7件组装而成,其最大外形尺寸达1680mm×1450mm,总投影面积约为lm2,重量高达350kg。做成整体件,强度和刚度将比多件连接结构要高得多。大型运输机中每架飞机钛合金锻件需要十几吨,很多都是大锻件,如起落架梁的长度达1700mm,厚度为320mm,投影面积也要1m2以上。

美国报道了带有双发动机舱孔的整体框架锻件,材料是Ti一6Al一4V,投影面积达5.4m2,在45000t水压机上生产。俄罗斯在大型飞机起落架上用的整体钛锻件也非常大,达3m多长,重达1.5t,在75000t水压机上生产。

随着我国航空工业的发展,钛合金锻件大型化是必然趋势。特大型钛合金锻件的生产技术是必须解决的重大技术关键。

2、钛合金大型锻件生产的一种新途径

特大型钛合金锻件投影面积将达到1.0~1.5m2,最大外形尺寸将达1.7m。按照经典锻造概念,应该有足够大的锻压机,譬如,建造1台80000t的大型水压机,这会给大锻件生产创造良好的条件。当然这需要投资十几亿元,还需要充分考虑今后的市场是否有足够的合同来维持该设备的正常运转。由于设备使用费用高,大锻件的制造费用也很高。

另一方法是直接用厚板加工出整体框零件。现我国可以生产厚板的轧机有很多,但具备生产钛合金厚板的技术只有宝鸡钛业股份公司和上海宝钢集团公司。在飞机设计初期,这个方法可以很快得到零件,可以加快研制进度,但这个方法的材料利用率很低,约是锻件的1/4,用作生产很不经济。而且厚板的力学性能不及模锻件好,不能充分发挥材料的潜能,不利于飞行器的减重。

等温锻造是可以生产钛合金特大型优质锻件而投资少、生产成本低的一种很有希望的新方法。

等温锻造是利用钛合金的超塑性特性发展起来的新技术。等温锻造可以生产精密锻件,整个生产过程可以对锻压各主要参数精确控制。因此锻件的质量更稳定、更可靠。特别是同样锻件,等温锻造所需要的锻压吨位只有普通锻造的1/5~1/10,可以用相对小的压力锻造更大的锻件。实践表明,1.0~1.5m2的钛合金锻件用10000t的等温锻压机是完全可以锻造出来。

3、等温锻造生产的大型钛合金锻件

大型钛合金锻件通常都是用经典的普通模锻方法生产的。由于钛合金的变形抗力大,而锻造温度范围窄,因此只能生产粗锻件,无法生产精密锻件。等温锻造解决了这个难题,生产出了精密锻件,更重要的是生产出了大型精密锻件。

(1)压气机盘

压气机盘是典型的轴对称大锻件,直径500~600mm。等温锻造的锻件比普通模锻的精度高,重量减轻20%~30%。生产的叶盘直径达到700mm,是我国目前最大的钛合金盘件(图1)。

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(2)轴颈和大型管

轴颈(φ20×400mm)、大型管(φ140×850mm)用普通锻造只能生产实心锻件,而用等温锻造可生产空心薄壁件,冶金质量大大提高,重量减少40%~60%(图2)。

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(3)机匣

机匣(咖720×430mm)是我国生产的最大钛合金锻件(图3),投影面积为0.48m2。用普通锻造是锻不出的,此锻件是用等温锻造方法生产的。

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上述大型锻件都是在最大压力为3000t压机上生产的,最大的投影面积有0.48m2。钛合金大型锻件的生产经验给出了很多有用的数据,对于投影面积在1.0~1.5m2的特大型锻件,预计压机有8000~10000t的压力就可以得到成形良好的模锻件。

4、等温锻造在我国特大型钛合金锻件上的应用

钛合金等温锻造的研究已有30年的历史,等温锻造的大型钛合金锻件已经生产了几十种,最大的钛合金锻件的投影面积达0.48m2。已经积累了相当丰富的生产经验,这是发展特大型钛合金锻件最重要的基础。

特大型锻件的生产要有可以进行等温锻造的大型液压机。国内6000t以上的等温锻造用液压机已有多台,最大10000t。

特大型锻件重量为1t以上,所需钛合金锭在5t以上。国内有8~15t钛合金冶炼炉多台,可以提供足够大的钛合金锭。2000t以上的快锻机有多台,最大的4000t;还有1300 t径锻机,可以将大锭开坯,提供锻坯。

钛合金等温锻造的模具用高温合金铸件必须在真空感应炉中浇注。我国大型真空感应炉有多台,最大12t,为特大型的高温合金模具铸造提供了良好的条件。

上述各方面表明,采用等温锻造生产特大型钛合金锻件已经具备了相当好的基础,可以生产投影面积达1.5m2的特大型钛合金锻件。

5、生产特大型钛合金锻件还需解决的关键技术

特大型钛合金锻件,一种类型是外形尺寸大,壁薄。如飞机整体框架,是近似于环形件的异形件,直径1.4~1.7m,壁板厚度只有2~3mm。另一种类型是又粗又大的锻件,如飞机起落架梁,最大外形处尺寸达1.7m×1.0m,厚度也有350mm,重量1000kg;又如俄国生产的Til023起落架尺寸为3368mm×451mm×488mm,重量1486kg。

由此可知,研制特大型锻件还需解决下列关键技术:(1)特大型锻件模具的设计、制造技术;(2)特大型锻件的组织控制,1~2t锻件用的大坯料的组织要控制到细小均匀的技术;(3)整体框锻件是不均匀环形件,预制坯技术;(4)特大型钛合金锻件的等温锻造工艺技术;(5)特厚锻件的热处理工艺技术。

6、结束语

随着航空新技术的发展,钛合金锻件大型化是必然趋势。在各种锻造方法中,等温锻造技术的高质量、低成本优势明显地优于其他方法。在成功生产大型钛合金等温锻件的基础上,建立更大的压机和配套设备生产特大型钛合金锻件,等温锻造是一条很好的新途径。

参考文献

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[2]周建华,庞克昌,王晓英.航天用钛合金等温锻件的研制.上海航天,2003,(6):54—58.

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