鈦合金在航空產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用及加工方法(連載Ⅰ)

鈦合金作為航空用材料主要用于制造機(jī)體結(jié)構(gòu)件和發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮機(jī)部件，且隨著材料技術(shù)的進(jìn)步，其應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大。作者分3回圍繞鈦合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，介紹了鈦合金的適用部件、鈦的特性、加工注意事項(xiàng)以及加工和檢驗(yàn)技術(shù)，其中，加工和檢驗(yàn)技術(shù)按素形材加工、減厚加工、塑性加工、焊接加工、表面改性、熱處理加工、無(wú)損檢驗(yàn)等分別加以敘述。

鈦合金材料在加工過(guò)程中，伴隨著加壓、加熱摩擦和化學(xué)反應(yīng)，要注意如下事項(xiàng):①加工時(shí)，在原材料、部件上附著的汗液、指紋等含有的氯等鹵族離子在高溫、應(yīng)力負(fù)荷狀態(tài)會(huì)引起應(yīng)力腐蝕裂紋，Cd、Pb、Sn、Zr等低熔點(diǎn)金屬的附著也會(huì)引起同樣的現(xiàn)象;②高溫時(shí)鈦與氫、氧、氯反應(yīng)引起脆化，鈦的鈍化膜在500℃以上會(huì)自行分解引起氧化，當(dāng)氧的固溶率達(dá)15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，侵入β晶粒會(huì)變成大的α晶粒，即脆化層α鱗皮;③鈦的缺口敏感性高，在加工翼片、盤(pán)件等旋轉(zhuǎn)部件時(shí)應(yīng)注意微小的表面?zhèn)绊?，另外要注意因加工方法和加工條件引起的表面變質(zhì)層造成的對(duì)疲勞強(qiáng)度下降的影響，如重切削時(shí)表面晶粒的變形，放電、電解加工時(shí)的變質(zhì)層，晶界浸蝕、熱處理時(shí)的表面氧化層(α鱗皮)等;④鈦的剛性僅為鋼鐵的約1/2，塑性加工時(shí)反彈大，焊接時(shí)變形大，因此加工時(shí)要考慮變形，控制尺寸精度;⑤鈦的熱擴(kuò)散系數(shù)小，易發(fā)生局部過(guò)熱現(xiàn)象，焊接時(shí)焊縫變大，研磨時(shí)表面燒粘，切削時(shí)過(guò)熱等均要加以注意。

(1)素形材 素形材包括鑄造件、鍛件、粉末冶金件、沖壓成形件等。鈦的鑄造一般用失蠟鑄造，為避免污染，一般將熔煉和鑄造在一體化的真空容器中進(jìn)行，自耗電極電弧熔煉、電子束熔煉、高頻殼式熔煉等熔煉方式被采用，并開(kāi)發(fā)了與鈦反應(yīng)性極小的陶瓷(鋯系、鈣系)、金屬系鑄型材料，還開(kāi)發(fā)了改善熔液流動(dòng)性的離心鑄造法。離心鑄造特別適用于機(jī)架、套筒等軸對(duì)稱部件的加工，可在5 s內(nèi)完成，使鈦合金與鑄模的反應(yīng)最小化。熱等靜壓(HIP)對(duì)去除鑄件的內(nèi)部缺陷有突出的效果，使用該方法已鑄造生產(chǎn)了A320、MD90飛機(jī)用V2500發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)機(jī)機(jī)架等。關(guān)于鈦的鍛造，已用等溫鍛造制造了變形抗力大的鈦合金壓縮機(jī)盤(pán)坯件，用環(huán)形軋機(jī)制造了大直徑風(fēng)機(jī)殼體坯件，用精密鍛造制造了無(wú)需翼面加工的風(fēng)機(jī)壓縮機(jī)翼坯件等。粉末鍛造是將粉末壓坯或燒結(jié)體進(jìn)行鍛造的技術(shù)，已開(kāi)發(fā)試制了Ti-6Al-4V鈦合金、Ti-6Al-2V-4Zr-6Mo鈦合金的壓縮機(jī)盤(pán)，所用鈦粉末最好是用旋轉(zhuǎn)電極法制得的，用HIP、壓結(jié)法固化，用等溫鍛造生產(chǎn)。粉末冶金可降低成本15%。

(2)減厚加工 減厚加工包括切削加工、研磨及化學(xué)刻蝕加工等。切削加工幾乎用于壓縮機(jī)盤(pán)、風(fēng)機(jī)軸套、風(fēng)機(jī)殼體、風(fēng)機(jī)架、風(fēng)機(jī)壓縮機(jī)翼等所有部件的加工。切削加工要選用有足夠剛性的設(shè)備，選擇適宜的工具和切削條件等。鈦的研磨一般采用碳化硅系砂輪。加工時(shí)須輕研磨并充分供給油劑。鈦的電解加工一般以NaCl為電解液，具有加工速度快的特點(diǎn)，可加工出高精度、高光潔度的輪廓面、孔及其他復(fù)雜形狀的部件。已采用該法加工了發(fā)動(dòng)機(jī)部件，如壓縮機(jī)動(dòng)翼的翼面、動(dòng)翼與盤(pán)一體化的BLISK翼、風(fēng)機(jī)架及套筒上的襯墊等?；瘜W(xué)刻蝕適用于三維形狀體的成形加工，主要采用浸蝕法。浸蝕法以氟硝酸為浸蝕劑，加工時(shí)應(yīng)控制其濃度、溫度并不斷攪拌，還要對(duì)加工件進(jìn)行回轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和搖動(dòng)。已用該方法加工了F22戰(zhàn)機(jī)的F119發(fā)動(dòng)機(jī)外側(cè)風(fēng)道上的工字形肋。