航空钛合金锻造技术的研究进展

何忝锜，米 磊，郭 凯，和 蓉

（西安西工大超晶科技发展有限责任公司，陕西 西安 710200）

对于钛合金来讲，由于其密度较低、强度很高、耐热性能良好，目前已经开始应用在飞机结构制造、发动机制造中，在航空工业领域取得了良好的应用成绩，不仅可以保证零部件的性能，还能维护航空飞机的安全性与可靠性。但是，钛合金在加工的过程中，具有变形难度高、熔点大的特点，变形抗力很难控制，流动性也较低，难以成型，加工的难度也非常高。而当前我国的钛合金锻造技术能够弥补传统工艺的不足，降低加工生产的难度，有着一定的应用意义与价值，因此，在实际加工的过程中，应结合钛合金的特点，合理使用锻造技术，保证加工和生产的质量。

1 等温锻造技术的研究进展

此类技术属于模锻技术中的重要部分，和传统的锻造技术相比，在应用的过程中可以对磨具、锻坯进行合理的加热，使其温度在相同状态，确保锻坯在可控应变速率的状态之下，通过蠕变的形式成型，是当前和净成型工艺较为接近的一种技术，将其应用在大型、性能较高、复杂度较大的钛合金工件锻造方面有着一定的技术优势。此类技术在应用期间能够更好的改善工件的组织性能，确保锻造工件的流线完整性、组织的均匀度，已经成为了国内外研究的焦点，国外一些专家在研究的过程中利用等温锻造的方式进行钛合金的加工，明确研究了β相区的锻造力、微观组织演变情况、应变速率敏感性情况等等，分析其变化规律。一些专家在研究期间开展了压气机盘等温锻造加工工作，能够为提升钛合金的等温锻造技术应用效果提供帮助。在此期间，部分专家还创建了将TC6钛合金叶片作为材料进行等温锻造生产的位错密度、品粒尺寸耦合模型，能够更为准确的评估位错密度演变情况、品粒尺寸的变化情况，为相关的等温锻造生产提供良好的技术支持。部分专家在研究期间通过置氢处理的方式，增强了等温锻造之后的TC4钛合金飞机叶片的轻度，确保了锻造生产和加工的效果。一些专家还提出了对称变截面钛合金的复杂工件的等温锻造技术，可以确保成型生产效果，保证复杂构件的性能可以满足生产标准，同时还能降低加工的成本，减少时间周期，提升钛合金材料的利用效率。一些专家在研究期间使用非线性回归的形式，创建了TC11钛合金的本构关系模型，使用有限元商业软件针对涡轮盘的等温锻造技术进行了优化设计，可以保证相关的加工工作水平[1]。

20世纪70年代到80年代，美国、俄罗斯已经开始在航空关键钛合金部件方面使用等温锻造技术，直到今天，美国的一些公司还在应用等温锻造技术生产高温合金部件、钛合金部件，不仅提升了航空飞机发动机钛合金工件的生产水平，还促使了工件生产效果的增强，甚至在钛合金叶片生产期间，可以将尺寸的精确度控制在0.01mm，非加工面超出80%，同时还能减轻航空钛合金部件的重量，降低非机动的重量。我国在航空钛合金加工的过程中，也开始使用可控应变等温锻造技术，生产出组织性能、力学性能可以符合标准的TC17钛合金双性能整体叶盘，同时还研究生产了TI1023钛合金飞机结构等温锻造工件，重量降低了1.9kg，材料的利用率提高到74%以上，从显微组织方面来讲，比自由锻件和模锻件性能高很多。与此同时，我国大型复杂钛框的生产加工过程中，采用等温锻造技术，不仅减少了飞机腹板结构的厚度，还能减轻重量，机械加工数量有所降低，应用性能大幅度提升，在一定程度上弥补了我国在大型复杂钛框方面的成型技术缺陷，增强了钛合金锻造技术应用水平[2]。

2 精密碾轧技术的研究现状

航空发动机中最为重要的锻件就是环形件，采用碾轧技术进行生产，不仅可以提升环形件的性能，还能确保钛合金加工效果。目前在航空领域中的发动机涡轮机匣部分、压气机机匣部分、结合环部分、封严环部分等等，都是利用碾轧环工件加工技术，在此情况下，合理进行精密碾轧技术的研究，在提升航空设备钛合金加工性能、延长使用寿命方面具有一定的重要意义，当前国内外在钛合金精密碾轧技术方面有着很多的研究，多数专家在研究期间都是从组织结构的角度出发，分析钛合金的热碾轧流程，研究碾轧以后的结构特点与晶粒取向，控制组织、性能的实现。韩国的专家在研究中，就利用计算机模拟并且进行PEM分析进行精密碾轧加工，生产出性能符合标准的大型TI6AI4V的钛合金航空环件[3]。部分专家在研究期间分析轧制过程中材料流动规律、充填质量数据值等等，对加工期间组织的性能进行了全面的控制。一些专家在研究期间，分析精密碾轧生产过程中的变形程度、环件在初期碾轧期间的温度对钛合金热轧组织演变所产生的影响，在研究期间获得到了相应的加工数据值。部分专家在研究期间创建了热碾轧有限元模型，将钛合金在成型期间的微观组织演变情况、特点等真实展现出来。我国的专家在研究期间，对TC4钛合金环件进行了双向性的碾轧，通过有限元建模仿真的形式，将上部分凸出形状、直线形状、下部分凹陷形状等揭示出来，并且通过曲线图的形式明确精密碾轧对环件的圆度、组织均匀性所产生的影响表达出来，同时还设计了S形状的精密碾轧生产曲线图，应用这个曲线图增强了加工生产期间环件形状尺寸精度的控制效果、提升了组织结构的均匀性。从实际生产情况而言，精密碾轧技术在钛合金加工中的应用，不仅可以更好的控制组织性能，还能合理进行轧辊和导向辊的优化处理，在一定程度上可以正确选择毛坯的截面形状，有效预防出现鱼尾缺陷或是毛刺缺陷，具有一定的航空钛合金环件的加工优势，值得大范围的推广应用[4]。

3 大型复杂构件整体成型技术的研究进展

此类技术主要就是利用整体锻造成型的加工方式将原本多件工件组合成为一体，不仅可以降低零部件、连接件的数量，还能控制生产重量，确保零部件的可靠性应用，减少生产制造的流程与环节，降低成本，尤其是在大型整体隔框方面的锻件加工期间，应用的效果较好，能够保证钛合金的整体结构锻造效果。

目前国外已经开始广泛在航空装备的生产中应用钛合金整体成型技术，在较为先进的军用飞机中，将近40%的结构都是钛合金整体性的构件，例如：美国在有关的F-22战斗机中，就使用了整体锻造技术，加工出TI6AI4L钛合金整体性的隔框锻件，属于当前国际上较大的整体钛合金锻件，投影面积能在5.4m2。在相关的F/A-18歼击机方面也使用了此类技术，淘汰了之前的多种零件设计方式，减轻了大约350kg的重量，加工时间周期减少一半。在鱼贯的TI6AI6 V2SN的飞机中，可以将前轮精密锻件的投影面积控制在700m2，将腹板的厚度维持在1.66mm左右，在确保强度符合标准的情况下减轻了整体结构的重量。此类技术应用在俄罗斯安-22运输机设备中，大约减少了800多个零件的使用，减轻的重量达到1000kg，加工时间周期减少了五分之一，在一定程度上能够确保钛合金整体构件的加工效果。

我国在相关的研究中通过有限元模拟软件系统，对TA15钛合金大型复杂件的具体组织演化规律进行了分析，按照分析结果制定了完善的锻造技术应用计划，通过整体性的锻造技术，不仅提升了飞机腹板的生产效率、降低了结构的重量，还减少了加工时间周期，增强了加工的性能[5]。

4 结语

综上所述，目前在航空钛合金锻造技术研究的过程中，已经开始重点研究相关的等温锻造技术、精密碾轧技术、整体成型技术，不同技术的应用效果不同，其中等温锻造技术在研究的过程中，主要分析相关的等温、近等温的实际情况，提出具体加工与制造技术应用方式，可以保证锻造效果。精密碾轧技术有助于进行钛合金环件的高质量、高效化加工处理，整体成型技术则是用来进行大型复杂构件的加工处理，增强性能的同时可以减轻重量，具有较高的应用价值，所以在航空钛合金锻造期间应该结合各种构件的特点与情况，针对性的选择使用锻造技术，保证生产效果。