優(yōu)質(zhì)航空鈦合金鍛件制造工藝技術(shù)發(fā)展

　　高質(zhì)量的航空鍛件主要有航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇和壓氣機(jī)系統(tǒng)的盤、機(jī)匣、整體葉盤、盤軸、葉片鍛件以及飛機(jī)結(jié)構(gòu)的框、梁、接頭、起落架鍛件等。隨著航空發(fā)動機(jī)和飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計的技術(shù)進(jìn)步，航空鍛件向大型化、整體化、精密化方向發(fā)展，推動著鍛壓設(shè)備及其配套裝備的發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步。為適應(yīng)優(yōu)質(zhì)精密航空鍛件及難變形材料的鍛造需要，發(fā)展了如等溫鍛造、熱模鍛造、分段鍛造等新工藝技術(shù)及相應(yīng)的模具設(shè)計制造和質(zhì)量控制技術(shù)。

　　航空系統(tǒng)內(nèi)從事航空大、中、小型鈦合金鍛件的生產(chǎn)企業(yè)主要有：中航重機(jī)旗下的陜西宏遠(yuǎn)、貴州安大、景航航空鍛鑄、無錫卓越以及集團(tuán)旗下的部分飛機(jī)和發(fā)動機(jī)公司。在航空系統(tǒng)內(nèi)部，大型鈦合金鍛件生產(chǎn)用的模鍛設(shè)備除專業(yè)化鍛造廠有80 ～100MN液壓機(jī)外，近年來，陜西宏遠(yuǎn)裝備了一臺200MN 等溫鍛壓機(jī)和200MN 離合器式電動螺旋壓力機(jī)，其中200MN 等溫鍛壓機(jī)具有“恒應(yīng)變速率”控制功能和雙工作臺，工作臺尺寸為6000mm×4000mm，最大凈空距為3600mm，等溫鍛時滑塊速度可控制在0.005 ～0.5mm/s，普通熱模鍛時滑塊速度可控制在0.5 ～10mm/s；200MN 電動螺旋壓力機(jī)在精密化、數(shù)字化、智能化方面有了長足進(jìn)步，最大打擊能力達(dá)到360MN，尺寸控制精度達(dá)到±0.6mm，可控變形速度為0.2 ～0.5m/s，能實現(xiàn)模具自動控溫。貴州安大于2017 年裝備了一臺250MN 等溫鍛+模鍛壓機(jī)，可用于難變形材料大型鍛件的等溫鍛生產(chǎn)。同時，貴州安大擁有多條系列環(huán)形件生產(chǎn)線，可以實現(xiàn)鈦合金、高溫合金等難變形材料復(fù)雜異形截面環(huán)件的精密軋制。

　　航空系統(tǒng)外從事航空鈦合金鍛件特別是大型鍛件生產(chǎn)的國有企業(yè)主要有二重萬航、無錫透平，建立了用于大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)件、大型發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片和盤鍛件用的鍛造設(shè)備，如二重萬航的800MN 模鍛壓機(jī)和具多向模鍛功能的200MN 等溫鍛壓機(jī)、無錫透平的355MN 離合器式螺旋壓力機(jī)。

　　二重萬航的800MN 模鍛壓機(jī)

　　十余年內(nèi)我國涌現(xiàn)了一大批從事航空鍛件生產(chǎn)的民營企業(yè)，裝備了先進(jìn)的鍛壓設(shè)備，如南山鍛造、三角防務(wù)、昆侖重工、中鈦青鍛、貴州航宇、無錫航亞、無錫派克等。這些企業(yè)裝備了大噸位的模鍛和環(huán)軋設(shè)備，并配套了相應(yīng)的制坯自由鍛壓機(jī)。如南山鍛造500MN 和125MN 模鍛壓機(jī)，三角防務(wù)400MN 模鍛壓機(jī)和在建的300MN 等溫鍛+模鍛壓機(jī)，昆侖重工300MN 模鍛壓機(jī)，中鈦青鍛680MN 多功能壓機(jī)(具有模鍛和擠壓雙重功能)，可生產(chǎn)航空發(fā)動機(jī)和飛機(jī)大型結(jié)構(gòu)件鍛件。貴州航宇4.5m 環(huán)軋機(jī)(徑向/軸向壓力分別為700/700t)及相應(yīng)脹形設(shè)備、無錫派克的先進(jìn)環(huán)軋設(shè)備均配置了自動控制系統(tǒng)，為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的發(fā)動機(jī)鈦合金機(jī)匣環(huán)件提供了很好的硬件條件，脹形工藝的應(yīng)用可提高環(huán)件的尺寸精度，并提高材料利用率，脹形會改變環(huán)件內(nèi)部殘余應(yīng)力的大小和方向，促進(jìn)殘余應(yīng)力的均勻分布。無錫航亞具備生產(chǎn)鈦合金精鍛葉片的全套裝備和技術(shù)能力，除配合國內(nèi)重點型號發(fā)動機(jī)葉片生產(chǎn)外，還積極投身國際市場，為GE、Safran公司生產(chǎn)Ti-6Al-4V鈦合金壓氣機(jī)葉片等。

　　大涵道比航空發(fā)動機(jī)朝“大風(fēng)扇、小心臟”方向發(fā)展，致使風(fēng)扇部件如風(fēng)扇盤和風(fēng)扇葉片的尺寸相應(yīng)增大，高推重比軍用航空發(fā)動機(jī)的整體葉盤(blisk)和整體葉環(huán)(bling)等整體輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計，這些設(shè)計變化對相應(yīng)的鈦合金鍛件的控形(尺寸精密化)和控性(低倍流線、顯微組織、組織均勻性、微織構(gòu)、殘余應(yīng)力、力學(xué)性能、超聲檢測、冶金缺陷控制)提出了更高要求，既要做到精確控形，又要做到精確控性。

　　為了改善鈦合金模鍛件的低倍流線和組織均勻性，降低鍛件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，促進(jìn)模鍛成形過程中金屬的流動，某些關(guān)鍵的航空發(fā)動機(jī)和飛機(jī)鈦合金鍛件，如航空發(fā)動機(jī)用TC11、TC25、TC17、Ti60 鈦合金盤類件和整體葉盤鍛件及直升機(jī)用TB6 鈦合金槳轂鍛件等，采用等溫模鍛成形或近等溫模鍛成形技術(shù)，通過鍛件的精化以實現(xiàn)“綠色”鍛造，節(jié)省寶貴的鈦資源，降低生產(chǎn)成本。為了提高鈦合金零件的損傷容限性能，某些TC17(Ti-17)、TC19(Ti-6246)鈦合金盤鍛件采用了β 模鍛工藝，得到網(wǎng)籃組織狀態(tài)使用。對于一些厚大截面的鍛件，如TC4 鈦合金風(fēng)扇盤鍛件，采用強(qiáng)韌化熱處理代替?zhèn)鹘y(tǒng)的普通退火，以提高鍛件的強(qiáng)度和熱強(qiáng)性。在生產(chǎn)大型鈦合金鍛件時，要特別注意控制變形溫度和變形速率，特別是對于β 鍛的鍛件，防止鍛件在變形過程中心部因變形能集聚引起溫度陡升，造成鍛件心部產(chǎn)生過熱組織，即形成清晰晶或粗大的單個晶粒，引起抗拉強(qiáng)度和疲勞性能的顯著惡化。

　　在鈦合金鍛件質(zhì)量檢驗及控制方面，雖然出現(xiàn)硬α 夾雜物、裂紋和孔洞等缺陷的概率極低，但是一旦出現(xiàn)就有可能造成重大的飛機(jī)失效事件，必須嚴(yán)格控制鈦合金零件內(nèi)在缺陷，而超聲檢測是檢出鈦合金各類缺陷的最有效手段。我國各主要鈦材生產(chǎn)商近年來建立了鈦合金大規(guī)格棒材的水浸超聲檢測裝置，通過分區(qū)聚焦超聲檢測，可以顯著提高檢測靈敏度，從而提高了缺陷的檢出能力。大部分鍛件生產(chǎn)商建立了適用于軸對稱的發(fā)動機(jī)盤類鍛件水浸超聲檢測裝置，可實現(xiàn)鍛件的自動化和數(shù)字化超聲檢測，并通過與接觸法探傷相互配合使用，提高缺陷的檢出能力。鈦合金α ＋β 兩相區(qū)充分變形得到的球狀（等軸）組織雜波低，容易檢出缺陷；而β 鍛或β 熱處理得到的片狀組織或網(wǎng)籃組織，雜波高，易掩蓋缺陷反射波，降低檢測的準(zhǔn)確性。因此，對于需要β 加工的鍛件，應(yīng)在α+β 兩相區(qū)鍛的坯料狀態(tài)進(jìn)行超聲檢測。另外，在關(guān)鍵鈦合金零件加工過程中，采用表面腐蝕、X 射線、表面藍(lán)色陽極化、表面熒光滲透、渦流檢測等，提高零件表面和內(nèi)部缺陷的檢出率。當(dāng)然，航空級特別是發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子級鈦合金，其相應(yīng)的原材料海綿鈦也要求是航空級或者是轉(zhuǎn)子級的，并對其熔煉工藝及過程控制提出了嚴(yán)苛要求。

　　上述企業(yè)中，除傳統(tǒng)的幾個航空企業(yè)有五十余年生產(chǎn)航空鍛件的經(jīng)驗外，其余大部分企業(yè)在生產(chǎn)航空鍛件方面處于起步階段，生產(chǎn)技術(shù)和經(jīng)驗有待于積累和提高，借助于靈活的人力資源和設(shè)備技術(shù)等后發(fā)優(yōu)勢，在國家軍民融合的大背景下，將會迅速成長為具有強(qiáng)大市場競爭力的骨干企業(yè)。

　　優(yōu)質(zhì)鈦合金原材料及鍛件標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)

　　十余年來，我國在鈦合金的熔煉、鍛造、熱處理、機(jī)械加工等方面的裝備能力和工藝技術(shù)得到了長足進(jìn)步，為生產(chǎn)大型鈦合金飛機(jī)框、梁、起落架結(jié)構(gòu)件和航空發(fā)動機(jī)盤、葉片、機(jī)匣鍛件提供了良好的設(shè)備條件和工藝基礎(chǔ)。飛機(jī)和航空發(fā)動機(jī)的安全使用在很大程度上受制于原材料及鍛件的冶金質(zhì)量、組織狀態(tài)、微觀織構(gòu)及力學(xué)性能等，原材料及鍛件的質(zhì)量除受制造工藝和設(shè)備條件所限外，質(zhì)量控制的主要手段是通過建立相應(yīng)的材料和鍛件標(biāo)準(zhǔn)、熱工藝和檢驗標(biāo)準(zhǔn)等。我國航空鈦合金材料從研制階段過渡到生產(chǎn)階段的過程中，逐步建立了相應(yīng)的不同層次的材料標(biāo)準(zhǔn)和工藝規(guī)范，如企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、型號標(biāo)準(zhǔn)、航空標(biāo)準(zhǔn)、國軍標(biāo)等，作為材料或鍛件生產(chǎn)和驗收的依據(jù)。

　　我國在役的大部分鈦合金材料以引進(jìn)國外牌號為主。因此，在制定材料標(biāo)準(zhǔn)和鍛件標(biāo)準(zhǔn)時，基本上是以參考或等效采用國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求和規(guī)定為主。在應(yīng)用材料或鍛件標(biāo)準(zhǔn)時，經(jīng)常會遇到在化學(xué)成分范圍控制、雜質(zhì)元素含量控制、熱工藝制度、高低倍組織、超聲檢測、力學(xué)性能指標(biāo)要求等條款的理解和實際操作產(chǎn)生歧義的情況。

　　隨著我國航空裝備的建設(shè)，所用的鈦合金鍛件趨向于大型化、整體化、精密化和低成本化，相應(yīng)所需的原材料規(guī)格和尺寸也不斷加大，某些規(guī)格尺寸和重量已超出了目前標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍極限，如某廠正在生產(chǎn)的φ500mm 鈦合金大棒材，而現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的大規(guī)格棒材最大尺寸僅為φ350mm；某型號鈦合金風(fēng)扇盤鍛件的重量接近了500kg，尺寸大，截面厚，已大大超越以往生產(chǎn)的鈦合金盤鍛件的規(guī)格。因此，對于這類超大規(guī)格的鈦合金棒材和超大尺寸的鈦合金鍛件，如何對其高低倍組織、力學(xué)性能、超聲波探傷等技術(shù)要求做出科學(xué)合理且適度的規(guī)定，尚需針對性地加大研究工作，積累數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，不斷完善、補(bǔ)充和修訂材料及鍛件標(biāo)準(zhǔn)。

　　結(jié)束語

　　中國的鈦工業(yè)經(jīng)過60 余年的發(fā)展，具備了生產(chǎn)海綿鈦、鈦加工材、鍛件完整的生產(chǎn)設(shè)備和工藝技術(shù)，目前已成為世界第一大鈦生產(chǎn)國和消費國。在國家大飛機(jī)、兩機(jī)專項等新型航空裝備發(fā)展驅(qū)動下，我國裝備了世界上最大和最先進(jìn)的各類鍛造設(shè)備，可生產(chǎn)大型鈦合金模鍛件、環(huán)軋件及葉片精鍛件。在生產(chǎn)大型鈦合金鍛件時，應(yīng)關(guān)注相關(guān)的工藝技術(shù)如計算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)、先進(jìn)超聲檢測等技術(shù)，材料和鍛件工藝標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)合理規(guī)定，成分、雜質(zhì)、組織、織構(gòu)的合理控制等，提高優(yōu)質(zhì)鈦合金鍛件的組織均勻性、批次穩(wěn)定性及質(zhì)量可靠性，同時，鍛件制造應(yīng)朝著精密化、綠色方向發(fā)展，實現(xiàn)近凈成形，關(guān)注增材制造技術(shù)的綜合應(yīng)用，加強(qiáng)鈦殘料的回收利用，為我國航空高端裝備建設(shè)做貢獻(xiàn)。
《我國航空鈦合金材料及鍛件的研究與發(fā)展》(上)見《鍛造與沖壓》2020 年第15 期