鈦合金在航空產(chǎn)業(yè)中的應用及加工方法(連載Ⅰ)

鈦合金作為航空用材料主要用于制造機體結構件和發(fā)動機壓縮機部件，且隨著材料技術的進步，其應用范圍逐步擴大。作者分3回圍繞鈦合金在航空發(fā)動機上的應用，介紹了鈦合金的適用部件、鈦的特性、加工注意事項以及加工和檢驗技術，其中，加工和檢驗技術按素形材加工、減厚加工、塑性加工、焊接加工、表面改性、熱處理加工、無損檢驗等分別加以敘述。

鈦合金材料在加工過程中，伴隨著加壓、加熱摩擦和化學反應，要注意如下事項:①加工時，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、應力負荷狀態(tài)會引起應力腐蝕裂紋，Cd、Pb、Sn、Zr等低熔點金屬的附著也會引起同樣的現(xiàn)象;②高溫時鈦與氫、氧、氯反應引起脆化，鈦的鈍化膜在500℃以上會自行分解引起氧化，當氧的固溶率達15%(質(zhì)量分數(shù))，侵入β晶粒會變成大的α晶粒，即脆化層α鱗皮;③鈦的缺口敏感性高，在加工翼片、盤件等旋轉(zhuǎn)部件時應注意微小的表面?zhèn)绊懀硗庖⒁庖蚣庸し椒ê图庸l件引起的表面變質(zhì)層造成的對疲勞強度下降的影響，如重切削時表面晶粒的變形，放電、電解加工時的變質(zhì)層，晶界浸蝕、熱處理時的表面氧化層(α鱗皮)等;④鈦的剛性僅為鋼鐵的約1/2，塑性加工時反彈大，焊接時變形大，因此加工時要考慮變形，控制尺寸精度;⑤鈦的熱擴散系數(shù)小，易發(fā)生局部過熱現(xiàn)象，焊接時焊縫變大，研磨時表面燒粘，切削時過熱等均要加以注意。

(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，并開發(fā)了與鈦反應性極小的陶瓷(鋯系、鈣系)、金屬系鑄型材料，還開發(fā)了改善熔液流動性的離心鑄造法。離心鑄造特別適用于機架、套筒等軸對稱部件的加工，可在5 s內(nèi)完成，使鈦合金與鑄模的反應最小化。熱等靜壓(HIP)對去除鑄件的內(nèi)部缺陷有突出的效果，使用該方法已鑄造生產(chǎn)了A320、MD90飛機用V2500發(fā)動機的風機機架等。關于鈦的鍛造，已用等溫鍛造制造了變形抗力大的鈦合金壓縮機盤坯件，用環(huán)形軋機制造了大直徑風機殼體坯件，用精密鍛造制造了無需翼面加工的風機壓縮機翼坯件等。粉末鍛造是將粉末壓坯或燒結體進行鍛造的技術，已開發(fā)試制了Ti-6Al-4V鈦合金、Ti-6Al-2V-4Zr-6Mo鈦合金的壓縮機盤，所用鈦粉末最好是用旋轉(zhuǎn)電極法制得的，用HIP、壓結法固化，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、研磨及化學刻蝕加工等。切削加工幾乎用于壓縮機盤、風機軸套、風機殼體、風機架、風機壓縮機翼等所有部件的加工。切削加工要選用有足夠剛性的設備，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，可加工出高精度、高光潔度的輪廓面、孔及其他復雜形狀的部件。已采用該法加工了發(fā)動機部件，如壓縮機動翼的翼面、動翼與盤一體化的BLISK翼、風機架及套筒上的襯墊等。化學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，加工時應控制其濃度、溫度并不斷攪拌，還要對加工件進行回轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和搖動。已用該方法加工了F22戰(zhàn)機的F119發(fā)動機外側(cè)風道上的工字形肋。