飛機制造業發展與鈦合金等溫鍛造技術

翟江波

(陜西宏遠航空鍛造有限責任公司，陜西 咸陽 713801)

飛機制造業發展與鈦合金等溫鍛造技術

翟江波

(陜西宏遠航空鍛造有限責任公司，陜西 咸陽 713801)

首先對鍛件在飛機機身結構零部件中的應用情況進行了介紹，強調了鍛件對飛機制造業的重要性。然后結合航空飛機及其發動機的發展需求，分析了飛機結構材料、零部件結構設計理念的變化對鍛造技術的影響，重點介紹了等溫模鍛技術，詳細剖析了等溫鍛件在提高飛機零部件性能方面的技術優勢。最后，提出發展等溫模鍛技術對計算機輔助設計、工藝仿真等數字化和信息化技術、稀貴金屬回收處理及再利用技術以及低成本模具材料制備等其他輔助技術的需求。

航空飛機；制造業；結構件；等溫鍛造

0 引 言

航空飛機不斷地朝著高安全、長壽命、高可靠、經濟性和環保性方向發展，促進了飛機結構設計的不斷優化、新材料開發以及新的制造工藝大量應用，主要表現在以下幾個方面：①飛機機身零件的大型整體化設計；②飛機制造的經濟性推動了制造工藝的低成本化；③綠色環保要求使得生產商加強了制造過程中對資源的循環利用；④隨著航空發動機推重比的不斷增加以及對降低油耗要求的不斷提高，促使發動機涵道比、渦輪前段溫度不斷提高，這些變化推動了新型輕質材料和高合金化高溫材料的研究與應用，以及相應的各項制造技術的不斷進步。在各項制造技術中，等溫模鍛技術作為一種高可靠的精密鍛造工藝，對于提高飛機和發動機關鍵零部件的性能具有其獨特的優勢，對于促進飛機制造業的發展具有重要意義。然而，飛機制造業的發展也促進著等溫鍛造技術的不斷革新。

1 鍛件在航空飛機上的應用

鍛造技術在航空工業領域有著廣泛的應用，主要用于制造飛機中承受交變載荷和集中載荷的關鍵零部件。如用于制造飛機機身結構、發動機轉動件和起落架等主要承力件。由鍛件制成的零件質量約占飛機機體結構總質量的20%～35%，占發動機結構總質量的30%～45%，是決定飛機和發動機性能、可靠性、壽命以及經濟性的重要因素之一。

1.1 鍛件在飛機機身結構上的應用

鍛件在飛機機身上有著廣泛的應用，如發動機機架、門框架、機身承力框梁、機翼框梁、接頭等零件，具體分布如圖1所示。其中，機身承力框梁、機翼框梁、接頭等零件主要是以模鍛方式生產的模鍛件，材料以鈦合金、鋁合金、結構鋼為主。目前，飛機機身結構鍛件的特點突出表現為：結構復雜、投影面積大、成形難度大；并且近些年來所使用的新材料在增多，對其組織、斷裂韌性以及疲勞強度的要求都在提高。圖2為用于飛機機身的鈦合金鍛件的照片。

圖1 采用鍛件加工的飛機機身零件分布圖Fig.1 Distribution diagram of forging parts in aircraft frame

圖2 用于飛機機身的鈦合金鍛件的照片Fig.2 Photos of titanium alloy forging parts used in aircraft frame

1.2 鍛件在起落架上的應用

無論是軍用飛機還是民用飛機，起落架都是至關重要的部位。在飛機頻繁起降過程中，飛機起落架要承受較大的沖擊載荷。因此，對鍛件的組織和性能要求更高，需要嚴格控制結構材料的冶金工藝以及鍛造工藝。圖3為飛機起落架的實物照片。

圖3 飛機起落架的照片Fig.3 Photo of aircraft landing gear

飛機起落架主要以模鍛方式生產，其模鍛件具有尺寸大、結構復雜、投影面積大的特點。材質以高強度結構鋼和高強高韌鈦合金為主，加工過程中變形抗力大。對鍛件的組織均勻性、耐沖擊性、耐疲勞性有著較高的要求。圖4為2種常見的飛機起落架用高強度結構鋼鍛件的照片。

圖4 飛機起落架用300M鋼鍛件的照片Fig.4 Photos of 300M steel forging parts used in aircraft landing gear

1.3 鍛件在發動機關鍵部位上的應用

飛機發動機上的壓氣機盤 、渦輪盤、隔圈、密封環、整體葉盤、雙性能盤、渦輪軸、 風扇軸等關鍵零件均采用鍛造技術制備，具體分布如圖5所示。

圖5 鍛件在航空發動機中的分布圖Fig.5 Distribution diagram of forging parts in aircraft engine

用于制造航空發動機的鍛件所選用的材料以高溫合金(含粉末高溫合金)、鈦合金以及鋼為主，且對其綜合性能(高溫、常溫力學性能)、微觀組織均勻性要求較高。這些鍛件加工過程的主要特點表現為材料變形抗力大、工藝控制困難。圖6為2種常見航空發動機用鍛件的照片。

圖6 航空發動機用鍛件的照片Fig.6 Photos of forging parts used in aircraft engine

2 鈦合金等溫鍛造技術

航空飛機的發展促使飛機設計理念不斷變化，由靜強度設計、可靠性設計向損傷容限性設計轉變。此外，隨著對飛機結構減重以及綜合疲勞性能要求的不斷提高，促使零件結構向整體化、大型化方向發展。所有這些變化都需要不斷發展的先進結構材料及先進鍛造技術作為支撐。

圖7為各類材料在航空發動機中用量的變化趨勢。由圖7可以看出，目前高溫合金和鈦合金的用量分別占到發動機總質量的55% ～65%和25% ～40%，依然是飛機發動機的主要材料，不同的是合金化程度在不斷提高，性能也隨之提高。同時可以看出，金屬間化合物的用量在逐漸增加。

圖7 各類材料在航空發動機中用量的變化趨勢Fig.7 Dosage tendency of various materials in aircraft engine

由于材料的合金化程度比較高，在鍛造過程中，組織轉變更為復雜，控制各種強化相和析出相數量及形態的工藝難度較傳統材料高出很多，并且熱處理對很多材料組織性能的可調性有限，須通過精確控制鍛造工藝參數來滿足對鍛件組織性能的要求。而常規的鍛造工藝已不能滿足需要，需采取更先進的鍛造工藝才能滿足飛機制造業發展的需求。通過對變形過程參數的精確控制，進而實現對鍛件組織性能的精確控制，從而提高零件的綜合使用性能。

2.1 鈦合金等溫鍛造技術

為了提高飛機的性能，對航空發動機的推重比要求越來越高，必須盡一切可能降低飛機每一克質量。研究表明，由小鍛件連接的大部件改成整體大部件，可顯著提高部件的結構強度，減輕部件的總體質量。制造大型復雜的整體構件普通的模鍛技術無能為力，等溫鍛造技術為其提供了新的技術支撐。我國于70年代初開始鈦合金等溫鍛造技術的研究。

鈦合金等溫鍛造技術即鈦合金等溫模鍛，是把模具加熱到與鍛坯相同的溫度，使坯料在恒溫條件下，在專用壓力機上以較低的變形速率成形，避免了模具對材料的激冷，其模具見圖8。等溫模鍛工藝可分為超塑性等溫鍛造、等溫模鍛和近等溫模鍛三種，表1為這三種等溫鍛造工藝與普通鍛造工藝的對比。

圖8 等溫鍛造的模具Fig.8 The mold of isothermal forging

2.2 鈦合金等溫鍛造技術優勢

鈦合金等溫鍛造技術主要有以下特點及優勢：①鍛件表面及內部溫度均勻，可消除冷模組織(即表面粗晶)；②可以提高鍛件組織均勻性，消除組織應力，后續加工變形小；③可以顯著減小變形抗力，大大提高設備的生產能力；④可以提高材料塑性，甚至使其達到超塑性，實現難變形材料的變形；⑤應變速率低，避免了鍛造過程中產生熱效應(心部產生粗晶)；⑥變形過程均勻可控，再結晶充分，可消除局部粗晶、混晶；⑦可大幅度提高材料的利用率。

2.2.1 改善冷模組織

冷模組織產生于鍛件表面，由于受到模具溫度和摩擦的影響，導致變形和再結晶不充分，因而組織表現為“粗晶”。當采用等溫鍛造工藝時，則可以消除冷模組織。圖9為等溫模鍛件與其他普通模鍛件的溫度場分布圖。

表1 幾種鍛造工藝的對比Table 1 Comparison of several kinds of forging processes

圖9 等溫模鍛件與普通模鍛件的溫度場分布圖Fig.9 Temperature distribution of forgings by isothermal forging and other conventional forging

由圖9可以發現，與普通模鍛比較，通過等溫模鍛得到的高溫合金盤鍛件上下表面無冷模組織，大大提高了鍛件表面和心部的組織均勻性。

2.2.2 提高鍛件精度

等溫鍛造工藝可以消除冷模組織，減小鍛件設計保護余量，提高鍛件的精度，可將單邊加工余量由8～10 mm減小到4～6 mm，在節約材料的同時，減少后續機械加工的工時。

圖10為鈦合金等溫模鍛件與普通模鍛件截面輪廓的對比圖。

圖10 鈦合金等溫模鍛件與普通模鍛件實物輪廓對比圖Fig.10 Outline of titanium alloy isothermal forging and conventional forging

2.2.3 提高鍛件顯微組織均勻性

圖11為經等溫模鍛得到的TC11鈦合金盤件不同部位的顯微組織。從圖中可以看出，盤件8個不同部位的組織中等軸α相含量的比例非常接近，均勻在40%左右，表明等溫精密模鍛件具有良好的組織均勻性。

圖11 TC11鈦合金葉盤不同部位的顯微組織(500×)Fig.11 Microstructures of TC11 titanium alloy diskin different position(500×)

2.2.4 降低鍛件內部的殘余應力

鍛件殘余應力包括組織應力和溫度應力，是導致零件變形進而可能引起飛機故障的主要因素之一。由于鍛造過程中殘余應力過大而造成Ti2AlNb合金零件出現斷裂的現象(圖12)。然而，由于等溫鍛造變形緩慢，變形速率低，再結晶充分，可消除加工硬化，減小殘余應力，提高零件的使用壽命。

圖12 Ti2AlNb合金零件因殘余應力過大而斷裂的照片Fig.12 Machining cracks of Ti2AlNb alloy part caused by larger residual stress

2.2.5 促進飛機零件的整體化設計

等溫鍛造工藝可以降低變形抗力、提高鍛件精度，從而實現“小設備干大活”，促進零件的整體化設計，進而提高飛機的疲勞壽命和可靠性。大型整體結構鍛件是實現飛機主承力結構整體化的必要條件，將傳統的多件組合件(如梁、框、軸等)改為整體構件，可以有效減少零件和連接件的數量，進而設計更薄的構件剖面，減輕飛機的重量(約20%)，并且可以減少應力集中以及金屬流線的中斷，提高飛機構件的抗疲勞性能、抗腐蝕性能和安全可靠性。以高推比發動機葉盤為例，圖13為傳統的發動機葉盤連接方式示意圖，圖14則為發動機整體葉盤的幾種典型結構。

圖13 傳統的發動機葉盤連接方式示意圖Fig.13 Diagram of traditional connection type of aero-engine disk

圖14 幾種典型的鈦合金發動機整體葉盤的照片Fig.14 Photos of several typical titanium alloy aero-engine disk

實踐表明，發動機整體葉盤具有以下優點：①減重，美國GE公司生產的F414發動機第2、3級風扇采用整體葉盤結構，共減重20.34 kg；②簡化結構，F414發動機第2、3級風扇和前3級高壓壓氣機采用整體葉盤結構，零件數量減少了484個；③增效，整體葉盤結構消除了葉片和輪盤連接處氣流在榫縫中的逸流損失，從而提高了增壓效率；④ 提高安全可靠性，整體結構避免了葉片和輪盤因加工或裝配不當而造成的故障，甚至是機毀人亡事故。

3 等溫模鍛技術的發展

航空零件的制造朝著高安全、高可靠、低成本的方向發展，與之相對應，航空鍛造業也正在朝著高質量、高效率、低成本的方向發展。為了克服等溫鍛造工藝存在的模具成本高、生產效率低的弊端，需引進數字化和信息化技術以提高工藝設計的準確性，降低成本，提高效率等。此外，還應提高鍛造主設備以及配套工裝設備的柔性化、自動化和可控化，對原材料實施嚴格的管控和回收處理，不斷開發成本低的模具材料，降低等溫鍛造工藝原材料和模具的成本等。

3.1 數字化和信息化技術的應用

鍛造工藝中需要用到的數字化技術主要包括鍛造工藝開發階段使用的計算機輔助設計(CAD)與工藝仿真(CAE)技術，鍛造模具及工裝設計階段使用的CAD技術以及模具制造階段使用的模具數字化制造(CAM)技術。其中，CAD技術與CAE技術的結合應用可以極大提高產品及工藝設計的準確性和效率。例如，通過仿真不僅可以驗證成形的合理性，從而調整鍛件設計和預制坯設計，還可以優化工藝流程，提高效率。CAM技術與CAD技術的結合應用則可以提高加工的準確性和效率。對鍛造用壓力機實現滑塊位移、速率的高精度控制可以提高工藝控制精度，保證產品質量的一致性。

信息化技術的應用可以有效推動鍛造工業的發展，尤其是生產過程的信息化具有重要意義。計算機產品設計、加工工藝仿真技術、計算機輔助制造、數字化制造設備的應用、產品質量的在線監測等各項現代化技術的應用，能夠保證從原材料到成品加工過程中各種信息的暢通交流和統一協調，形成一個集成的智能化制造系統。

3.2 稀貴金屬回收處理及再利用技術的應用

航空飛機和發動機用材料大多為稀有的貴重金屬，如鈦合金等都是經礦山開采、篩選及很復雜的冶煉工藝才能獲取的，若把這些耗費了很大人力、財力和物力的稀貴金屬回收并再利用，不僅可以大大降低材料研制成本，更重要的是回收的材料已經過多次精煉和凈化處理，直接使用可以提高和穩定材料的質量。

目前國內尚未建立各種高溫合金的回收利用體系，導致航空原材料的價格居高不下，與國外相比，無論是原材料還是鍛件，其成本均較高，缺乏競爭力。因此，應加大稀貴金屬回收利用技術的研發，推動該項技術應用的深度。

3.3 低成本模具材料的研發及應用

航空鍛件材料多數為特種難變形合金，采用熱模鍛工藝或者等溫模鍛工藝成形。目前所使用的模具材料為鑄造高溫合金，成本較高，一定意義上制約了等溫模鍛技術的應用。因此，應加大對高溫模具材料的研發力度，尤其是對可在600～1 000 ℃使用的低成本模具材料的研發。

[1]姚澤坤.鍛造工藝學與模具設計[M].西安：西北工業大學出版社，2007：84-163.

[2]郭鴻鎮.合金鋼與有色合金鍛造[M].西安：西北工業大學出版社，2009：186-208.

Aircraft Manufacturing Development and Isothermal Forging Technique for Titanium Alloy

Zhai Jiangbo

(AVIC Shaanxi Hongyuan Aviation Forging Co.,Ltd.,Xianyang 713801,China)

The forging application in the aircraft frame was introduced firstly,and the importance of the forging to the aircraft manufacturing was emphasized.Also,the variation of the structural materials used in the aircraft and the structure designing concept to the forging technique were analyzed,combined with the aircraft’s development and requirement.Subsequently,isothermal die-forging technique and its advantages to the pieces property were emphasized.Finally,to promote the applying and development of isothermal die-forging technique,some other techniques used to decrease the cost were introduced,which included the digital and information technology,rare metals recycling and reuse technology,low cost mold material preparation technology and so on.

aircraft; manufacturing; structural parts; isothermal forging

2015-02-27

翟江波(1981—)，男，工程師。