大型航空模锻件生产工艺研究

2018-10-24闫赞飞刘卫西安三角防务股份有限公司

锻造与冲压 2018年19期

文/闫赞飞，刘卫·西安三角防务股份有限公司

大型航空模锻件是指在大型模锻压力机上生产的航空模锻件，而大型模锻压力机是指压力必须是4万吨级以上的模锻压力机，大型模锻压力机的锻造特点是可通过大的压力、长的保压时间、慢的变形速度来改善变形材料的致密度，使铝合金、钛合金、粉末合金等难变形材料通过均匀的塑性变形来满足设计要求。

大型航空模锻件的制造行业是关系到国家安全和国家经济命脉的不可或缺的战略性行业，也是国家能力的重要组成，迄今为止，仅有中国、美国、俄罗斯、法国四个国家有类似设备，中国的8万吨模锻压力机全世界最大。为提高航空产品的整体性能，大型航空模锻件在航空制造领域的需求会越来越多。

大型航空模锻件的特点

大型航空模锻件在飞机机体、起落架、发动机和螺旋桨等受力构件中广泛应用，整体模锻件比以大量小零件组合的构件和自由锻等毛坯制的整体零件都要优越，由于减少了接头、消除了应力集中的来源——铆接孔，因而具有较高的强度。

大型航空模锻件整体模锻时，采用的尺寸和重量都小于自由锻件的预变形毛坯，这就能减少在锻件内部出现各种缺陷的可能性，保证了锻件纤维方向与零件轮廓形状相符合，减少了装配工作量和机械加工余量（减少40%～50%），使零件的使用寿命得以延长。

大型航空模锻件大多为密度较小的有色金属材料，因为减轻飞行器重量一直都是航空科技工作者的重要目标，所以铝合金锻件（图1）和钛合金锻件（图2）材料所占比例最多。

图1 铝合金锻件

图2 钛合金锻件

大型航空模锻件的设备要求

美国、俄罗斯、法国之所以能在航空领域傲视全球，得益于其拥有大型的模锻设备。1955年美国建造了两台4.5万吨模锻压力机（图3），该压力机生产了波音747-787、F16、F35、F22等先进飞机上重要钛合金隔框类锻件；1976年法国安装了一台6.5万吨模锻压力机（图4），该压力机造出了堪比美国波音的空客A320-A380客机、阵风F3等系列战斗机钛合金锻件；1961年俄罗斯建造了两台7.5万吨模锻压力机（图5），该压力机造出了全球最大的安-225大型运输机、苏27-34等先进战机钛合金结构件。

图3 美国4.5万吨压力机

图4 法国6.5万吨压力机

图5 俄罗斯7.5万吨压力机

建国后，虽然我国大力发展重工业，但大型模锻压力机一直没有能力制造，因此，航空工业发展非常缓慢。2012年，西安三角防务4万吨大型模锻压力机（图6）顺利投产，2013年德阳二重8万吨模锻压力机（图7）热试成功并投产，我们终于拥有了生产大型航空模锻件万吨模锻压力机。

大型航空模锻件的锻造工艺

模锻用毛坯

大型航空模锻件用毛坯不能直接使用铸锭，通常是将铸锭进行改锻后形成组织均匀的荒形毛坯。主要原因是：第一，毛坯的形状和尺寸能够最大限度地符合模锻件的要求，而铸锭却不能满足这些要求；第二，铸锭金属不具有模锻件质量所需的性能。

模锻用毛坯的锻造工艺包括下列工序：切断铸锭及切取宏观组织用的试片（锯床进行）；铸锭扒皮（车床进行）；铣削端部（专用端面铣床）；加热和锻造（电炉加热，且电炉需配强制空气循环装置）。

图6 中国4万吨压力机

图7 中国8万吨压力机

模锻工艺

大型航空模锻件工艺较为复杂，不仅对设备有较高要求，对材料特性、加热控制、锻件和模具设计等也有很高要求，下面从常用的铝合金和钛合金大型模锻件生产工艺进行论述。

⑴铝合金模锻工艺。

铝合金模锻工艺由下列要点构成：坯料准备、加热、变形速度和变形程度、锻件设计、润滑、清理及修伤。

1)坯料准备。装炉前，检查毛坯表面（毛坯表面应清洁，以免锻入切屑、砂粒等，从而加速模具磨损，造成锻件表面缺陷）。

2)加热。铝合金极易氧化，锻造温度范围很窄，因此最好采用电阻炉进行加热。装炉时，铝合金坯料应避免和钢在一起加热，铝屑和氧化铁屑混在一起容易产生爆炸。

3)变形速度和变形程度。变形速度对铝合金工艺塑性没有显著影响，既能在低速下，又能在高速下进行模锻。一般铝合金的临界变形程度为12%～15%，为了避免在再结晶时形成粗大晶粒，铝合金每次变形量应大于12%～15%。

4)锻件设计及工艺操作特点。选择分模面时，不仅要考虑金属充填模膛的能力，还要考虑变形的均匀、流线的分布。对于形状复杂的锻件，要采用多套模具，多次模锻，使其由简单的毛坯逐步过渡到复杂的形状。设计锻模时，锻件难成形部分通常位于下模。为了增加金属流动性，确保终锻温度，模具在工作前必须预热12小时以上，预热温度为250～420℃。

5)润滑。模具润滑是铝合金模锻工艺过程的一个重要组成部分，良好的工艺润滑剂能有效地改善金属流动，减少金属与模具表面的粘附力，提高模具寿命。可使用86.7%工业硬脂酸＋13.3%工业苛性钠组成的润滑剂，此润滑剂在450℃以下不燃烧，也不分离出有害的析出物。

6)清理及修伤。铝合金质地较软，与锻模的粘附力大，因而锻件容易产生折叠、裂纹、起皮等缺陷。这些缺陷如不及时清除干净，再次模锻时就会继续发展，致使锻件报废。

⑵钛合金模锻工艺。

钛合金模锻工艺要素：坯料准备、加热、润滑、锻造、清理、模具设计、α＋β两相钛合金的β锻造。

1)坯料准备。坯料表面必须经过粗加工或粗磨，棒材经车削或无心磨削，坯料切断一般采用带锯床进行，切勿使用气割下料。

2)坯料加热。加热前应清除炉底的炉渣和氧化皮，炉内气氛应是氧化性的（对氢的饱和过程进行的很缓慢）。为减少钛合金的氧化、对氢的保护、对气体的污染及晶粒的长大，必须力求使其在加热温度下所停留的时间为热透整个断面所必需的最短时间。模具必须提前预热，一般需在250～350℃保温12小时以上。

3)润滑。模具在锻前应进行润滑，润滑能改善钛合金流动性低的不足，同时也能防止锻件粘模。润滑剂采用胶状石墨与水的混合物或石墨与MoS2（油基或水基）的混合物。

4)锻造。模锻变形量一般为40%～80%，模锻件在最后一次加热后，整个金属应有均匀的变形，在变形的过程中各部分的变形温度要均匀，防止在过低的温度下变形而开裂。对于α相钛合金给予足够的变形量更为重要，因为α相钛合金晶粒细化不能通过热处理方法只能通过变形。

5)清理。钛合金锻造时表面形成的脆性氧化层能促使表层下的金属在下一火次锻造时发生开裂，因此在每一火模锻之后应清除氧化层，一般采用吹砂法进行。

6)模具设计。钛合金锻件用模具设计时收缩率较钢类锻件模具的小，两者之比为1∶1.87。

在采用同样深厚和同样复杂的模膛时，锻造钛合金的模具较锻造钢的模具厚50%，且要采用较大的圆角半径，模膛表面光洁度要求也较高。

7)α＋β两相合金的β锻造。在全β相区时锻造，能使钛合金在高温下的锻造性能提高或使锻件的缺口韧性提高，为了得到综合性能高的锻件，经β锻后的合金显微组织应是在转变的β相中等轴α相控制在15%～30%范围内的组织。等轴α相过多使缺口韧性降低，而等轴α相的不足使延伸率降低。α相过多的锻件，其缺口韧性根据正常的热处理实践可以采用β相转变以下（15～30℃）的温度进行热处理加以恢复。

大型航空模锻件数值模拟

大型航空模锻件单件成本在几十万元至几百万元不等，如果模具设计不合理、锻件坯料尺寸不合适等因素导致锻件报废，将会造成巨大的经济损失，使用数值模拟软件不仅可以研究金属成形过程中的流动规律及组织与性能的演变过程，而且可以获得任意时刻成形件的位移场、速度场、应变场、温度场及应力场等热力学参量，从而可以模拟材料的整个模锻过程。根据模拟结果可以设计出合理的锻件图和模具三维数模，不仅可以大大缩短新产品设计周期，也可以极大地降低锻件生产过程工艺风险。

美国的Deform、法国的Forge、俄罗斯的QForm等软件在大型航空模锻件设计中发挥了巨大的作用。到目前为止，我国在锻造领域还没有开发出实际应用的数值模拟软件，只能花费数十万元，甚至数百万元购买国外的软件，随着计算机技术的不断发展，我国很快也会研发出类似的数值模拟软件，在大型航空模锻件生产方面形成自己的核心竞争力。

模锻技术人才

美国、法国、俄罗斯在20世纪70年代以前就拥有了大型模锻设备，并拥有较为成熟的锻造工艺技术、职业教育体制和企业工资体制，保证了锻造技术人员和技术工人的质量和数量。我国2012年才开始大型航空模锻件的生产，人才严重缺乏，需要更多的专业技术人才加入进来，高校若能设立航空锻造类专业奖学金鼓励培养专业人才，企业能采用合理的工资制度、奖励制度来保证留住人才，才能从根本上解决锻造人才缺乏的问题。