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    鈦合金精密熱成形技術在航空航天的應用進展

    發布日期:2016-04-27       發布單位:四川釩鈦產業技術研究院

      旋壓成形技術制造的薄壁回轉體殼體構件解決了在車削加工時存在的剛度低、顫動大、加工精度低等技術問題或根本無法加工的技術難題,應用于航天領域具有諸多優勢。

      美國強力旋壓生產的φ3900mm大型導彈殼體,徑向尺寸精度達到0。05mm,表面粗糙度R a為1。6~3。2μm,壁厚差≤0。03mm。美國鈦制造公司采用1。5m立式旋壓機旋壓φ1524mm的Ti-6Al-4V鈦合金導彈壓力容器封頭,每個封頭的旋壓時間為5min。民兵洲際導彈第二級固體發動機殼體采用了Ti-6Al-4V鈦合金,并用強力旋壓成形,成形后的鈦合金殼體重量減輕30%。圍繞航天型號對輕質、高強、大型化航天需求,德國MT?宇航公司采用旋壓工藝制備出φ1905 mm的高強Ti-15V-3Cr合金推進系統貯箱,并應用于歐洲阿爾法通信衛星巨型平臺,實現了衛星平臺的大幅度減重、增加有效載荷。

      我國的旋壓工藝與設備的研究源于60年代初期,鈦合金的旋壓研究始于上世紀70年代,經過40多年來的發展,基本形成了從設備的研制到工藝開發一套成熟的體系。國內航天所用鈦合金及旋壓制品,如火箭發動機外殼、葉片罩、陀螺儀導向罩、內蒙皮等,Ti8Al1Mo1V高鈦合金用于發動機葉片熱處理強化鈦合金旋壓成形;TB2鈦合金用于小型噴管旋壓等。

      西安航天動力機械廠研制出國內最大直徑的鈦合金筒形件;通過正反2?道次普旋翻邊成功旋壓出φ500mm?的薄壁半圓鈦圈,零件用于空間飛行器微動力姿態調整。

      中國航天科技集團公司第703?研究所采用普旋與強旋相結合的技術,以TC3、TC4 2種鈦合金板材為坯料,熱旋壓制備出了2種鈦合金半球形(φ 內522mm×2。0mm)、圓柱形儲箱殼體(φ163mm×2。0mm×200mm的杯形件,φ163mm×2。0mm×360mm及φ112mm×6。0mm×1000mm?的筒形件)。

      近幾年來,隨著計算機模擬技術的發展,數值模擬已廣泛應用于金屬部件旋壓成形過程的分析。航天材料及工藝研究所對TC4筒形件進行了計算機模擬,分析了旋輪攻角、旋輪運動軌跡、普旋道次等工藝參數對旋壓成形的影響規律,成功旋制了高深徑比的TC4鈦合金筒形件。盡管鈦合金精密旋壓技術為航天領域提供了各類合金普旋成形高深徑比旋壓件,但從零件的工程化應用和旋壓成形的復雜性分析,還需進一步加強??偟膩碚f,旋壓技術在國內航天工業獲得廣泛應用,但大直徑、薄壁整體鈦合金熱旋壓成形工藝尚無應用實例,直徑2。25 m貯箱箱底整體旋壓技術、直徑5 m低溫貯箱箱底瓜瓣成形、鈦合金及高溫合金復雜結構件成形等技術還處在工藝摸索階段。

      鈦合金激光直接快速成形技術

      自20世紀90年代開始,隨著計算機技術的飛速發展,激光直接制造技術逐漸成為制造領域研究的熱點。激光直接快速成形技術中有2種方法可以用于直接制造金屬零件,即區域選擇激光熔化(SelectiveLaserMelting, SLM)技術和近凈成形(Laser Engineered Net Shaping,LENS)技術。國外有關大型鈦合金結構件激光直接快速成形技術的研究主要集中在美國。美國AeroMet公司在2002~2005年間實現了激光直接快速成形鈦合金結構件在飛機上的應用。2001年Aero- Met公司開始為波音公司F/A-18E/F艦載聯合殲擊/攻擊機小批量試制發動機艙推力拉梁、機翼轉動折疊接頭、翼梁、帶筋壁板等機翼鈦合金次承力結構件。2002年制定出了“Ti6Al4V鈦合金激光快速成形產品”宇航材料標準(ASM 4999)并于同年在世界上率先實現激光快速成形鈦合金次承力結構件在F/A-18等戰機上的驗證考核和裝機應用。在航天領域,NASA馬歇爾航天飛行中心(NASA’s Marshall Space FlightCenter in Huntsville,Ala。)于2012年將選區激光熔化成形技術應用于多個型號航天發動機復雜金屬零件樣件的制造。激光直接快速成形技術還常常被用于鈦合金零件或者模具的修復。

      我國鈦合金結構件激光直接快速成形技術的研究,從2001年開始一直受到政府主要科技管理部門的高度重視,在飛機、發動機等鈦合金結構件激光快速成形制造工藝研究、成套裝備研發及工程應用關鍵技術攻關等方面取得了較大進展。

      北京航空航天大學激光材料加工制造技術實驗室以飛機次承力鈦合金復雜結構件為對象,開展激光快速成形工程化應用技術研究,先后制造出TA15鈦合金角盒近200件,完成了“激光快速成形TA15鈦合金結構件在某型飛機上的裝機評審”,首件激光快速成形TA15鈦合金結構件順利通過在某型飛機上的全部應用試驗考核,使我國成為繼美國之后世界上第二個掌握飛機鈦合金復雜結構件激光快速成形工程化技術并實現激光快速成形鈦合金結構件在飛機上應用的國家。

      北京航空航天大學王華明主持的“飛機鈦合金大型復雜整體構件激光成形技術”項目研制生產出我國飛機裝備中迄今尺寸最大、結構最復雜的鈦合金等高性能難加工金屬關鍵整體構件,并在我國大型飛機等多型飛機研制和生產中得到實際應用,從而使我國成為目前世界上唯一突破飛機鈦合金大型主承力結構件激光快速成形技術并實現裝機應用的國家。

      相對于國內的航空領域的研究應用,目前激光直接快速成形技術在我國航天領域的應用研究基本上還是處于起步階段。實際上,航天液體和固體火箭發動機難加工材料、復雜型面的結構件及武器型號難加工材料輕質防熱結構件可以很好地采用選區激光熔化技術實現高精度加工。

      采用激光直接快速成形技術制造航空航天用的整體鈦合金結構件具有材料利用率高、加工余量小、周期短和柔性高等優點。但激光快速成形過程中零件變形開裂預防,內部質量(內部缺陷、晶粒及顯微組織等)及力學性能控制依舊是制約大型整體鈦合金關鍵結構件激光直接快速成形技術發展和應用的技術瓶頸。

      結束語

      綜合所述,鈦合金精密熱成形技術在獲得不斷進步的同時,也遇到了一些技術難題,大型整體鈦合金構件的工程化應用范圍還比較小,但隨著航空航天產業的快速發展,鈦合金精密熱成形技術必定步入一個新的發展期,鑒于鈦合金和精密熱成形技術的突出優點,二者的結合在未來航空航天工業中的貢獻作用將更為顯著,今后其主要發展方向是:(1)大型或者超大型復雜(薄壁)結構件的整體精密成形、低成本、工程化應用;(2)計算機模擬(仿真)技術、CAD/CAM技術、數控技術等與精密成形技術的結合,為航空航天新構件的成形提供技術途徑。

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