高品質大型復雜模鍛件助力航空工業騰飛

王衛紅 張 鵬 袁武華 景綠路

為提高飛機結構強度和剛度、減輕產品重量、縮短裝配時間、提高生產效率、降低制造成本，從第三代飛機開始大量采用整體框、梁等整體結構設計。大型模鍛件成形精度較高、金屬流線隨形、綜合性能優良、機加工余量相對較小，一直廣泛用于飛機起落架、加強框、大梁等主承力結構零件。近幾年，伴隨著大型模鍛裝備的投入使用及相關技術條件的完善，飛機結構用大型復雜模鍛件已經從早期基于手工控制的普通模鍛件，發展到基于程控壓機鍛造的高品質模鍛件，模鍛件的形狀尺寸、綜合性能、質量穩定性和可靠性等均有了巨大提升。

基于手工控制的普通模鍛件逐漸被淘汰

在8萬噸等大型模鍛壓力機投入使用之前，國內生產的飛機結構用模鍛件最大投影面積不到0.7平方米，壓機能力及模鍛件尺寸是飛機主承力結構設計時必須考慮的一個重要限制因素。在20世紀90年代之前，受模鍛能力的限制，在殲－8等飛機的起落架外筒、機身加強框、翼梁等關鍵結構件上不得不大量采用焊接或機械連接，制約了飛機壽命的提升。模鍛件所用低合金超高強鋼及2A70和7A04等鋁合金，對鍛造工藝窗口的控制要求不高，性能要求主要是抗拉強度和屈服強度等靜強度指標，以及斷后伸長率和斷面收縮率等塑性指標，對組織性能的均勻性和一致性沒有明確要求。

20世紀90年代，利用100噸米對擊錘等模鍛設備，成功研制了300M鋼飛機起落架外筒整體模鍛件，為實現起落架與飛機機體同壽命的目標奠定了基礎。本世紀，又成功研制了TA15、TC4、TC21等鈦合金框梁，以及A100高合金超高強度鋼起落架外筒等難變形材料大型復雜整體模鍛件。

以100噸米對擊錘鍛為代表的普通模鍛件雖然滿足了飛機設計和制造的基本要求，但是，受設備能力限制，鍛件成形不得不采用多火次、小變形、形狀漸變式的自由鍛制坯和模鍛工藝，形狀復雜的大型模鍛件鍛造火次多達20次以上、生產周期長達40天以上。由于制坯和模鍛過程依靠手工控制和操作，工藝參數可控性差，不同批次或同一批次不同鍛件的鍛造火次、變形量、尺寸、組織和性能等均存在較大差異，鍛件欠壓量變化高達10～20毫米，抗拉強度等力學性能波動一般在5%～10%，難以滿足飛機結構件性能穩定性和一致性控制要求。并且，由于控制精度不高，模鍛件設計余量較大，大型復雜形狀模鍛件的材料綜合利用率一般小于5%，加之制造周期長，零件的制造成本居高不下。

同時，由于工藝過程中各影響因素難以實現有效控制，基于數值模擬的工藝設計和優化應用十分有限，工藝設計高度依賴基于經驗的技術訣竅，新鍛件研制不得不通過多輪次試模和工藝試驗來確定模具和工藝方案。對于鈦合金、高合金超高強度鋼等材料價格較高的大型模鍛件，多輪次試制導致的高試制成本限制了模鍛件的大范圍應用。

基于程控壓力機的高品質模鍛件迅速得到應用

20世紀80年代，國外先機戰斗機和大型民用客機結構件已經普遍采用基于計算機程序控制的專用大型壓力機生產的整體模鍛件，如美國F-18E/F和F-22戰斗機主承力鈦合金框全部采用整體模鍛件。生產飛機結構用大型模鍛件的專用液壓機已經成為航空制造技術綜合實力的標志之一，美國、法國、俄羅斯等航空制造強國早已擁有4萬噸以上專用模鍛壓機。

2010年以后，我國相繼建成了4萬噸、8萬噸等多臺大型模鍛壓力機，促進了新一代模鍛技術和高品質模鍛件的快速發展。以世界上壓力最大的8萬噸模鍛專用壓力機為代表的大型壓機具備了鍛壓過程計算機程序控制能力，保證了模鍛過程的一致性，徹底解決了普通錘鍛欠壓量變化造成的模鍛件尺寸和重量波動問題。利用簡單形狀棒坯或板坯等預鍛成突變式復雜形狀預制坯的短流程技術，替代自由鍛模式下的形狀漸變式制坯方式，不僅大幅度減少了鍛造火次，將鍛件生產周期縮短到30天以內，而且有效避免了坯料的無變形空燒，為獲得組織均勻的模鍛件、實現對纖維組織的級差控制奠定了基礎；利用設備的超強鍛壓能力，采用亞高溫模鍛技術，大幅改善了難變形合金模鍛件的綜合性能；利用有限元分析，采用DEFORM、FORGE等軟件仿真計算，實現了對鍛件溫度場和應變場的預測，增加了對模鍛件組織和性能的控制能力，提高了鍛件組織和性能均勻性，有效減少了模鍛件試制工作量，鍛件試制周期可以減少三分之一以上。

目前，在8萬噸等大型模鍛壓力機上，已經成功研制了投影面積達到5平方米的鈦合金整體框模鍛件，鈦合金、高合金超高強度鋼、超高強度鋁合金等飛機結構用高品質大型復雜模鍛件研制達到了世界領先水平。高品質大型模鍛件形狀尺寸精確，欠壓量波動小于1mm；組織性能均勻一致，同一模鍛件不同部位的抗拉強度波動范圍控制在3%以下，不同批次間抗拉強度波動小于5%；材料綜合利用率提高一倍以上，有效減少了后續機加工量，零件的綜合成本顯著降低。

未來一段時間，高品質模鍛件的裝備升級和技術提升方向主要包括：模鍛全流程可視化和智能化，模鍛件組織性能、殘余應力的仿真預測與控制，長壽命模具開發與應用，具有可設計性、可靠性高、施工簡便、易于清理的環保型多功能新型復合潤滑膜材料的研制和應用等。

基于多成形技術融合的性能可設計模鍛件研究開始起步

增材制造、智能制造等新技術的快速發展，對傳統的模鍛件制造工藝形成了巨大挑戰，同時也為模鍛技術的發展帶來了新的機遇。充分發揮模鍛既有優勢，與新技術融合，實現工藝創新，是模鍛技術發展的主要方向。對于飛機結構用大型復雜模鍛件，發展性能可設計的多性能模鍛件，可以拓展結構設計師的設計空間，更好地滿足飛機設計對零件性能的要求。結合現有新技術、新工藝，通過多種技術融合獲得性能可設計的多性能模鍛件主要有兩條技術路線：

（1）熔合鍛造技術。將模鍛技術與增材制造技術相結合，通過增材制造輔助局部制坯加整體模鍛，或模鍛件局部增材等工藝途徑，實現對模鍛件局部區域成分—組織—性能的設計和調控，也可以用于減少局部成形難度或坯料尺寸，提高模鍛件經濟性。

（2）應變場—溫度場差異化調控技術。通過智能化改造，使得模鍛設備可以按非線性規律控制，實現對模鍛件局部變形場—溫度場差異化調控，以獲得需要的組織類型和性能，在多火次甚至一火次模鍛中得到雙性能或梯度性能。

利用這些技術，可以將模鍛件試制周期縮短到普通模鍛件的三分之一以內、材料綜合利用率進一步提高到15%～20%、不同鍛件同一部位的關鍵性能波動≤3%，實現首件最優、鍛造全流程零缺陷的目標。

近三十年，飛機結構用大型復雜模鍛件的開發和應用為保障我國各型軍民用飛機的自主研制和生產做出了巨大貢獻，模鍛件生產裝備和技術水平的提升，使得飛機結構件的設計和制造水平與國外差距快速縮小，已從望其項背、望洋興嘆，逐步實現了同一標準、同臺競技。智能制造等新技術的融合，將為飛機結構用大型復雜模鍛件發展注入新的活力，滿足我國新一代軍民用飛機研制和生產需要。