航天用耐高温管件冷弯成形技术的应用开发

韩静涛，杨兴文

（北京科技大学材料科学与工程学院，北京， 100083）

引 言

随着人类对深空探测的不断发展，核动力已逐渐在深空探测航天器中应用［1-5］。在能量转换系统中，布雷顿循环得到了广泛的使用，在循环过程中回热器需要承受将近773 K 的最高循环温度。作为回热器附近的附属管件，其承受的温度也有600 K 左右，而此类管件一般要求具有较好的通气密闭性、耐高温性及较大D/S（管径/壁厚）比，目前主要以钛及钛合金无缝管为主，管坯的制备主要采用钻孔挤压和斜轧钻孔两类工艺［6-8］，钻孔挤压的制备工艺对金属的消耗量较大，其废料可高达10%～15%，而斜轧穿孔的制备工艺相对来讲对金属的消耗量较小，工艺废料在1%～3%，但其主要缺点在于制备出的管坯厚度公差略大，且制备工艺较为复杂，制作成本比较昂贵［9］。因此，针对航天用大尺寸耐高温附属管件的生产，如何采用成本较低、相对简单的成形工艺制备就成为目前迫切亟待解决的问题。在此背景下，北京空间技术研究院与北京科技大学合作，针对某型核动力航天器用附属管件的制备开展冷弯成形技术工艺的研究。该管件的技术要求为长时间工作温度为600 K 左右，管件成形壁厚≥1 mm，直径≤500 mm，长度不小于5 m 的大尺寸、高D/S 比的耐高温管件。本文从管件制备材料的选择、成形工艺方法的比较、螺旋冷弯成形工艺制备过程、管件制备质量及性能检测等四个方面对管件产品的开发应用做了详细阐述。该产品制作质量良好，性能完全符合要求，项目取得良好预期。

1 管件制备材料选择

作为核动力航天器附属管件，除了对管件的耐高温性能有一定要求外，同时还要能够承受恶劣的外太空环境因素，如太空环境中，地球磁场中的电子、质子、太阳紫外线辐射的带电粒子所形成的电离辐射对管件的尺寸稳定性、力学性能、热物流性能的影响。当前的航天用材料主要集中在高强铝合金、钛及钛合金方面［10-13］，而航天用高强铝合金其耐高温温度一般低于448 K，该管件的工作温度在600 K（即327 ℃）左右，故对该类管件的选材集中在钛及钛合金材料的选择上，钛合金材料的耐高温温度一般在573-673K 左右，为满足使用要求及良好的成形性考虑，重点筛选比较了工业纯钛、TC1、TC2、TC4、TB5 的热膨胀性能及室温力学性能，具体如图1，2 所示。

从图1 中可以得出，从材料的膨胀系数考虑，在各类温度区间内TC1 和TC2 的热膨胀系数最低，其次为工业纯钛（TA1、TA2）；当温度超过200 ℃时，TB5 的热膨胀系数最大，除TB5 以外；在300～400 ℃的区间内，其余材料的热膨胀系数在（8.5～9.5）×10-6℃-1范围内波动。考虑到材料的室温下成型性能，从图2 中可以得出：TA1、TA2 的屈服强度在370～440 MPa，伸长率大于40%，冷成型性能较佳；TC1 的屈服强度在460 MPa，伸长率为25%，成形性尚可；而TC2，TC4 和TB5 的屈服强度较大，冷成型过程中面临较大困难。因此从室温下材料的冷成型性角度出发，应选用塑性好，屈服强度较低的成形材料，并综合材料高温下的膨胀系数等因素，最终选择工业纯钛（TA1）作为航天用大尺寸管件制备的目标材料。

2 成型工艺方法的比较

采用冷弯成形方法生产管件制品时，比较成熟的主要有直缝焊管、螺旋焊管两类产品的生产工艺［14-15］。当生产功能性管件时，螺旋咬合波纹管的生产工艺也是一种不错的选择。在直缝焊管的生产工艺中，常见的成型方法有UO（UOE），RB（RBE）和JCO（JCOE）等三类。对于UOE 工艺来讲，要在成型压力机上经历钢板预弯边、U 成型、O 成型等工序，而后在管件的内外壁进行焊接成形；但该成形工艺过程中由于残余应力较大，因此对质量要求高的焊管，一般采用JCO 的工艺方法，其最大的好处是将钢管的成型过程从UO 的两步成型工序变成多步，从而使得钢板在变形过程中均匀一致，残余应力小，尤其是制备的钢管在直径和壁厚规格的范围上有较大的灵活性。但由于在焊接过程中，由于受到复杂的热应力和组织应力的作用，会导致焊管的焊缝处及其热影响区处仍存在潜在的隐形缺陷。螺旋焊管在一些厚径的石油管道、核电管道方面已有很长的实际应用时间，其生产工艺的主要优点在于可利用宽度较小的窄板生产大直径的管件，且同种成型工作宽度的设备可实现不同规格型号产品的生产，其管径和圆度也可实现精确控制。但焊接控制不当时，会造成焊缝增大、错边缺陷存在不可修复的缺点；另外在螺旋焊管生产的过程中要经历带材分条-上卷接带-矫平-卷曲成形-管件内外氩弧焊接-水冷却-定径校形-在线探伤-切断等诸多工序，制作工序较为繁多，对于航天用大尺寸管件，直缝焊管或螺旋焊管的生产工艺并非最优的选择，关键问题在于航天用管的工作环境比较苛刻，尤其是需承受长时间的高低温循环，焊缝处是其最薄弱的地方，这样在长期的服役环境下，焊缝处会因为冷热不均而出现组织应力和内应力，最终造成螺旋焊管的开裂，以至出现严重的航天事故。为此考虑采用螺旋咬合波纹管的生产工艺来生产该类航天用管，因该类航天用管的技术要求主要集中在良好的通气密闭性、耐高温性能方面，采用螺旋咬合波纹管的工艺产生该类管件最大的优点是管件采用螺旋弯曲+机械咬合的成形方法实现了管体的一体化成型，最大程度地保证了管件的组织一致性，避免了由于应力不均而导致的管件开裂现象；其次在螺旋咬合成型过程中，由于特有的螺旋咬合口设计形式，无形中给螺旋咬合处加注了三道防线，起到加强管件整体刚度的效果。基于以上成型工艺的分析，最终选定采用以生产螺旋咬合波纹管的工艺方式来生产该类航天用大尺寸耐高温管件。

3 管件螺旋冷弯成形工艺制备过程

成型管件的原材料采购来自西安宝钛集团生产的工业成品钛材，钛材牌号为TA1，退火态，带材厚度为1 mm，宽度为137 mm 的卷材，其屈服 强度为187 MPa，抗拉强度为276MPa，延伸率为86.5%，弹性模量为114 GPa，弯曲角大于140°，杯突平均值为10.7 mm。从以上数据可以看出钛材的塑性良好，屈服强度较低，且弯曲性能良好，非常适合冷弯成形，成形设备选用大直径的螺旋风管机来制作完成，螺旋风管机设备如图3 所示。

该类型螺旋风管机主要用来生产带厚为0.4～1.2 mm 的镀锌板、不锈钢板，其中以带厚0.8 mm 以下的板材居多。带材螺旋冷弯过程中，螺旋冷弯模具至关重要，其关系到带材螺旋冷弯的成败。为确保带材冷弯效果，在安装螺旋冷弯模具前，需要对模具的螺旋内表面进行贴膜处理，务必保证内表面无划伤、无气泡、无破损现象。带材在卷制成管件的过程中，需先经过一组冷弯成型辊，生产出两侧的凹凸咬合边，当带材进入冷弯模具头后，需人工辅助完成引带过程；当具有成型截面的带材沿模具旋转一周至模具最底端时，带材的凹凸两个咬合边在勾刀与内压辊的作用下完成咬合压实动作，从而实现带材的螺旋成管稳定生产。由于钛材塑性良好，屈服强度低，且弹性模量仅为钢的1/2，导致材料在螺旋冷弯过程中容易出现较大的回弹现象，当工艺参数不恰当时会导致制备的管件出现褶皱、局部凹陷、咬合缝扭曲、未扣合等现象，如图4 所示。经过多次对成型辊组转速、带材卷曲行进速度、内压辊压力值等综合试验，当实验带材厚度为1 mm，成型辊组转速在102～107 mm/s、带材卷曲行进速度8～10 mm/s、内压辊压力值在20～50MPa 时，可实现稳定的螺旋咬合管的连续生产，最终制备出了壁厚为1 mm、直径为500 mm、长度为6000 mm 的大尺寸、耐高温钛合金管件，制备出的成品如图5 所示。

4 杆件质量及性能检测

该航天用高温管交货要求主要涉及外观质量及管件的整体力学性能，经外观质量检测制备的直径为500 mm 钛合金圆管咬合缝扣合情况良好，无开裂、扣不齐、厥口等缺陷，管件的外表面光洁度良好，没有出现褶皱、波浪、破损等明显缺陷，制备的管件圆整度在500±0.5 mm，咬合缝尺寸在9.5±0.3 mm，均符合技术要求。对于管件的力学性能检测，从制备良好的管件外壁分别取纵向、横向、45°方向的试样进行测试，测试结果如表1 所示。相对于原始带材，制备出TA1 成品高温管件的力学性能略有提升，考虑管件在制备过程中存在加工硬化的现象，由于选用材料为TA1，其强化效果应该是冷成型过程中的孪晶塞积所致；同时对管件的环刚度和密闭性水压测试进行试验，技术参数完全符合航天用耐高温管件的技术要求，充分说明了采用冷弯螺旋咬合工艺制备该高温管件是完全可行的。

表1 制备的TA1 管件室温力学性能测试

5 结束语

通过对核动力航天器附属管件材料的筛选分析，确定了工业纯钛（TA1）作为航天用大尺寸管件制备的目标材料。通过常用的冷弯成形制管方法分析及管件的技术要求，选定了螺旋冷弯咬合的方式作为该高温管件的成形方法；通过在螺旋风管机的试验，最终成功制备出了壁厚为1 mm、直径为500 mm、长度为6000 mm 的大尺寸、耐高温钛合金管件，经质量和力学性能检测，各项参数均符合技术要求，为该类航天用耐高温管件提供了一种新型的、实用的成型工艺方法。该技术对于航天类的其他功能性管件的制备也具有很大的推广意义。