超高強度鋼孔壁冷擠壓技術研究

王建旗 張盛銳

中航工業西安飛機工業（集團）有限責任公司，中國·陜西 西安 710089

1 引言

近年來隨著中國飛機新型號研制任務的增加，對一些特殊功能部位，局部疲勞性能要求越來越高，開始在關鍵對接部位使用超高強度鋼，該材料屈服強度大于700MPa的細晶粒高強鋼，抗拉強度在1200MPa以上[1]，與普通結晶鋼相比，超高強度鋼具有相當高的強度（Rm≥1500MPa）和一定的韌性，被廣泛用于航空航天領域[1,2]。該材料在航空制造業主要用于關鍵的飛機承力部件，某飛機研制中因23Co14Ni12Cr3MoE鋼（A-100鋼）具有良好的機械性能性能且能滿足高載荷高剛性區域的設計性能，被首次在部件對接區域作為結構零件進行裝配，由于該材料硬度高、孔徑尺寸大、制孔工藝復雜等特性，中國對該材料開縫襯套冷擠壓參數尚未開展過系統系統應用研究，為了滿足飛機研制需求，論文借鑒其他型號多種材料冷擠壓成功經驗參數，制定了科學的試驗方案并進行試驗驗證，突破其他國家公司對超高強度鋼開縫襯套冷擠壓技術壁壘，形成自主的、成熟的超高強度鋼裝配制孔冷擠壓強化技術體系。

2 冷擠壓技術簡介

孔冷擠壓是強化技術的一種，是指在室溫下利用比被材料硬度高的擠壓工具，在孔壁和芯棒之間增加一個開縫的襯套，用芯棒擠壓襯套，通過襯套擠壓孔壁對孔壁、孔角、埋頭窩及孔周端面等表面施加壓力，使被擠壓部位表面層金屬發生塑性變形，在強化過程時在孔周圍產生了一定的彈塑性變形和引入了殘余壓應力，導致位錯組態發生了變化和密度增加，同時表面粗糙度也達到可改善。使用該工藝方法可以改善飛機結構中孔的疲勞性能，顯著增強飛機疲勞壽命。因此，開展超高強度鋼裝配階段開縫襯套冷擠壓強化工藝研究，已是型號大部件疲勞壽命研究的關鍵工藝技術之一[3]。

冷擠壓示意圖見圖1。

圖1 冷擠壓示意圖

在某飛機機翼對接處使用該材料，在飛機起落過程中，該部位承受較大的交變載荷，影響最嚴重的就是零件上承受交變載荷的螺栓連接孔，提高連接孔的疲勞抗力是有效防止飛機對接部位這種關鍵承力結構件失效的直接途徑[4]。

目前，中國已成熟應用不超過1380MPa的材料的開縫襯套孔擠壓強化研究并形成相應工藝規范，而某飛機采用的超高強度鋼的開縫襯套強化技術只有美國疲勞技術公司（FTI）進行了系統研究并掌握，形成技術壟斷，中國對該材料的裝配階段的開縫襯套冷擠壓強化工藝參數及應用尚屬空白。

3 試驗過程及數據優化

3.1 試驗方案規劃

試驗方案借鑒成熟機型的開縫襯套冷擠壓經驗，針對超高強度鋼的冷擠壓參數未知問題，開展終孔為Φ8mm～Φ18mm的一系列孔開縫襯套冷擠壓工藝試驗，摸索并掌握超高強度鋼開縫襯套冷擠壓工藝參數，得出可用于某型架研制上孔擠壓強化的工藝流程和技術參數。

試驗試板為雙真空冶煉的23Co14Ni12Cr3MoE鋼，其化學成分為（質量分數）：0.23%C、14%Co、12%Ni、3.1%Cr、1.13%Mo、0.001%S、0.002%P，雜質元素Mn、Al、Ti含量均小于0.05%，其余為Fe。材料熱處理制度為：機加前進行正火（900℃×1h空冷）和高溫回火（680℃×8h空冷）處理；最終熱處理為淬火（885℃×1h油冷）＋冷處理（-73℃×1h空氣回溫）＋二次回火（482℃×2h空冷＋482℃×3h空冷）[5]。

23Co14Ni12Cr3MoE鋼的拉伸性能見表1。

表1 23Co14Ni12Cr3MoE鋼的拉伸性能

為了減少試驗成本，針對每種孔徑設置6個不同初孔開展孔強化試驗，摸索孔擠壓參數見表2。論文選取典型終孔φ11.99mm～12.02mm為介紹對象闡述試驗過程。

表2 φ12孔冷擠壓試驗參數

開縫襯套冷擠壓試板的形狀及尺寸如圖2所示，試板的厚度為8mm，為了得到最佳的冷前孔尺寸，針對性的選擇比終孔小0.8mm～0.2mm的孔徑作為冷擠壓前孔徑，并逐項進行記錄。試驗依據XPS12029文件選擇合適的開縫襯套冷擠壓工具，對不同的冷擠壓前孔徑進行冷擠壓試驗。

圖2 試板尺寸

3.2 試驗強化方案

試驗流程如圖3所示，開縫襯套冷擠壓工藝過程如圖4所示。

圖3 試驗流程圖

圖4 開縫襯套冷擠壓工藝過程示意圖

4 結果分析

試驗后對不同參數的冷擠壓過程進行技術分析，計算出塑變量并對殘余應力進行檢測，選擇最佳的冷擠壓應用參數。

冷擠壓后孔壁上存在微小的凸痕外形（試驗表明超高強度鋼凸痕明顯小于鋁合金凸痕），如圖5所示。因凸痕根部容易產生微裂紋，可能還存在參與拉應力，這對孔強化極為不利，在后續的鉸孔工序中需把這個凸痕鉸掉[6]。

圖5 凸脊示意圖

采用X光衍射法檢測孔的強化效果，圖6是開縫襯套冷擠壓后峰殘余應力分布圖，從圖6所知，當單邊切削量達到0.18D時，峰力值接近材料的壓縮屈服強度，而殘余拉應力因擠壓后表層材料在殘余壓應力作用下產生反向屈服，所以殘余壓應力峰值出現在孔壁次表層，孔的強化效果達到最優。

圖6 X光衍射法檢測孔冷擠壓后孔徑向/周向殘余應力分布圖

仍以典型孔徑φ12mm初孔冷擠壓后的試板進行殘余應力檢測，開縫襯套冷擠壓強化使樣板在孔周圍產生了一定的殘余壓應力，殘余應力檢測設備見圖7，殘余應力值見表3。經過應力檢測分析得出該孔徑最佳冷前孔徑為φ11.466mm，冷擠壓后孔徑為φ11.62mm。不同初孔孔徑應力分布見圖8。

圖7 應力檢測設備

表3 應力檢測值/MPa

圖8 不同初孔孔徑應力分布

試驗后經過系統分析得出最佳冷擠壓參數結果如表4所示。

表4 不同孔徑最優冷擠壓前后參數對比

5 結論

論文通過對A-100鋼的試驗方案規劃、試驗驗證、數據分析結果，得出以下結論：

①開縫襯套冷擠壓在距孔邊大約一個孔徑的范圍內形成殘余應力，最大殘余應力出現在距孔邊1/6D處。

②開縫襯套冷擠壓后孔的切削量為0.015D～0.020D時表面形成的殘余應力最大，材料的綜合疲勞性能較佳。

由于中國超高強度鋼冷擠壓技術尚處在初始研究階段的現狀，其擠壓強化機理、強化效果以及工藝參數的優化等還需要大量深入研究，論文通過對超高強度鋼裝配制孔冷擠壓強化技術試驗研究，建立了超高強度鋼的冷擠壓強化工藝應用參數規范，并將試驗數據總結為型號工藝規范XPS16018《超高強度鋼孔的冷擠壓》和工藝操作規程XYD1225《A-100鋼制孔典型工藝規程》，形成自主的成熟超高強度鋼裝配制孔冷擠壓強化技術體系，對后續新材料孔壁冷擠壓強化試驗提供借鑒。