航空鈦合金鍛造技術的研究進展

何忝锜，米 磊，郭 凱，和 蓉

（西安西工大超晶科技發展有限責任公司，陜西 西安 710200）

對于鈦合金來講，由于其密度較低、強度很高、耐熱性能良好，目前已經開始應用在飛機結構制造、發動機制造中，在航空工業領域取得了良好的應用成績，不僅可以保證零部件的性能，還能維護航空飛機的安全性與可靠性。但是，鈦合金在加工的過程中，具有變形難度高、熔點大的特點，變形抗力很難控制，流動性也較低，難以成型，加工的難度也非常高。而當前我國的鈦合金鍛造技術能夠彌補傳統工藝的不足，降低加工生產的難度，有著一定的應用意義與價值，因此，在實際加工的過程中，應結合鈦合金的特點，合理使用鍛造技術，保證加工和生產的質量。

1 等溫鍛造技術的研究進展

此類技術屬于模鍛技術中的重要部分，和傳統的鍛造技術相比，在應用的過程中可以對磨具、鍛坯進行合理的加熱，使其溫度在相同狀態，確保鍛坯在可控應變速率的狀態之下，通過蠕變的形式成型，是當前和凈成型工藝較為接近的一種技術，將其應用在大型、性能較高、復雜度較大的鈦合金工件鍛造方面有著一定的技術優勢。此類技術在應用期間能夠更好的改善工件的組織性能，確保鍛造工件的流線完整性、組織的均勻度，已經成為了國內外研究的焦點，國外一些專家在研究的過程中利用等溫鍛造的方式進行鈦合金的加工，明確研究了β相區的鍛造力、微觀組織演變情況、應變速率敏感性情況等等，分析其變化規律。一些專家在研究期間開展了壓氣機盤等溫鍛造加工工作，能夠為提升鈦合金的等溫鍛造技術應用效果提供幫助。在此期間，部分專家還創建了將TC6鈦合金葉片作為材料進行等溫鍛造生產的位錯密度、品粒尺寸耦合模型，能夠更為準確的評估位錯密度演變情況、品粒尺寸的變化情況，為相關的等溫鍛造生產提供良好的技術支持。部分專家在研究期間通過置氫處理的方式，增強了等溫鍛造之后的TC4鈦合金飛機葉片的輕度，確保了鍛造生產和加工的效果。一些專家還提出了對稱變截面鈦合金的復雜工件的等溫鍛造技術，可以確保成型生產效果，保證復雜構件的性能可以滿足生產標準，同時還能降低加工的成本，減少時間周期，提升鈦合金材料的利用效率。一些專家在研究期間使用非線性回歸的形式，創建了TC11鈦合金的本構關系模型，使用有限元商業軟件針對渦輪盤的等溫鍛造技術進行了優化設計，可以保證相關的加工工作水平[1]。

20世紀70年代到80年代，美國、俄羅斯已經開始在航空關鍵鈦合金部件方面使用等溫鍛造技術，直到今天，美國的一些公司還在應用等溫鍛造技術生產高溫合金部件、鈦合金部件，不僅提升了航空飛機發動機鈦合金工件的生產水平，還促使了工件生產效果的增強，甚至在鈦合金葉片生產期間，可以將尺寸的精確度控制在0.01mm，非加工面超出80%，同時還能減輕航空鈦合金部件的重量，降低非機動的重量。我國在航空鈦合金加工的過程中，也開始使用可控應變等溫鍛造技術，生產出組織性能、力學性能可以符合標準的TC17鈦合金雙性能整體葉盤，同時還研究生產了TI1023鈦合金飛機結構等溫鍛造工件，重量降低了1.9kg，材料的利用率提高到74%以上，從顯微組織方面來講，比自由鍛件和模鍛件性能高很多。與此同時，我國大型復雜鈦框的生產加工過程中，采用等溫鍛造技術，不僅減少了飛機腹板結構的厚度，還能減輕重量，機械加工數量有所降低，應用性能大幅度提升，在一定程度上彌補了我國在大型復雜鈦框方面的成型技術缺陷，增強了鈦合金鍛造技術應用水平[2]。

2 精密碾軋技術的研究現狀

航空發動機中最為重要的鍛件就是環形件，采用碾軋技術進行生產，不僅可以提升環形件的性能，還能確保鈦合金加工效果。目前在航空領域中的發動機渦輪機匣部分、壓氣機機匣部分、結合環部分、封嚴環部分等等，都是利用碾軋環工件加工技術，在此情況下，合理進行精密碾軋技術的研究，在提升航空設備鈦合金加工性能、延長使用壽命方面具有一定的重要意義，當前國內外在鈦合金精密碾軋技術方面有著很多的研究，多數專家在研究期間都是從組織結構的角度出發，分析鈦合金的熱碾軋流程，研究碾軋以后的結構特點與晶粒取向，控制組織、性能的實現。韓國的專家在研究中，就利用計算機模擬并且進行PEM分析進行精密碾軋加工，生產出性能符合標準的大型TI6AI4V的鈦合金航空環件[3]。部分專家在研究期間分析軋制過程中材料流動規律、充填質量數據值等等，對加工期間組織的性能進行了全面的控制。一些專家在研究期間，分析精密碾軋生產過程中的變形程度、環件在初期碾軋期間的溫度對鈦合金熱軋組織演變所產生的影響，在研究期間獲得到了相應的加工數據值。部分專家在研究期間創建了熱碾軋有限元模型，將鈦合金在成型期間的微觀組織演變情況、特點等真實展現出來。我國的專家在研究期間，對TC4鈦合金環件進行了雙向性的碾軋，通過有限元建模仿真的形式，將上部分凸出形狀、直線形狀、下部分凹陷形狀等揭示出來，并且通過曲線圖的形式明確精密碾軋對環件的圓度、組織均勻性所產生的影響表達出來，同時還設計了S形狀的精密碾軋生產曲線圖，應用這個曲線圖增強了加工生產期間環件形狀尺寸精度的控制效果、提升了組織結構的均勻性。從實際生產情況而言，精密碾軋技術在鈦合金加工中的應用，不僅可以更好的控制組織性能，還能合理進行軋輥和導向輥的優化處理，在一定程度上可以正確選擇毛坯的截面形狀，有效預防出現魚尾缺陷或是毛刺缺陷，具有一定的航空鈦合金環件的加工優勢，值得大范圍的推廣應用[4]。

3 大型復雜構件整體成型技術的研究進展

此類技術主要就是利用整體鍛造成型的加工方式將原本多件工件組合成為一體，不僅可以降低零部件、連接件的數量，還能控制生產重量，確保零部件的可靠性應用，減少生產制造的流程與環節，降低成本，尤其是在大型整體隔框方面的鍛件加工期間，應用的效果較好，能夠保證鈦合金的整體結構鍛造效果。

目前國外已經開始廣泛在航空裝備的生產中應用鈦合金整體成型技術，在較為先進的軍用飛機中，將近40%的結構都是鈦合金整體性的構件，例如：美國在有關的F-22戰斗機中，就使用了整體鍛造技術，加工出TI6AI4L鈦合金整體性的隔框鍛件，屬于當前國際上較大的整體鈦合金鍛件，投影面積能在5.4m2。在相關的F/A-18殲擊機方面也使用了此類技術，淘汰了之前的多種零件設計方式，減輕了大約350kg的重量，加工時間周期減少一半。在魚貫的TI6AI6 V2SN的飛機中，可以將前輪精密鍛件的投影面積控制在700m2，將腹板的厚度維持在1.66mm左右，在確保強度符合標準的情況下減輕了整體結構的重量。此類技術應用在俄羅斯安-22運輸機設備中，大約減少了800多個零件的使用，減輕的重量達到1000kg，加工時間周期減少了五分之一，在一定程度上能夠確保鈦合金整體構件的加工效果。

我國在相關的研究中通過有限元模擬軟件系統，對TA15鈦合金大型復雜件的具體組織演化規律進行了分析，按照分析結果制定了完善的鍛造技術應用計劃，通過整體性的鍛造技術，不僅提升了飛機腹板的生產效率、降低了結構的重量，還減少了加工時間周期，增強了加工的性能[5]。

4 結語

綜上所述，目前在航空鈦合金鍛造技術研究的過程中，已經開始重點研究相關的等溫鍛造技術、精密碾軋技術、整體成型技術，不同技術的應用效果不同，其中等溫鍛造技術在研究的過程中，主要分析相關的等溫、近等溫的實際情況，提出具體加工與制造技術應用方式，可以保證鍛造效果。精密碾軋技術有助于進行鈦合金環件的高質量、高效化加工處理，整體成型技術則是用來進行大型復雜構件的加工處理，增強性能的同時可以減輕重量，具有較高的應用價值，所以在航空鈦合金鍛造期間應該結合各種構件的特點與情況，針對性的選擇使用鍛造技術，保證生產效果。