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钛合金增材制造 开辟航空航天产业新时代

2015-12-12 09:52
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  钛合金具有低密度、高比强度、使用温度范围宽(-269~600℃)、耐蚀、低阻尼和可焊等诸多优点,是航空航天飞行器轻量化和提高综合性能的最佳用材,其应用水平是体现飞行器先进程度的一个重要方面。提高飞行器的综合力学性能并降低成本,是推动钛合金在航空航天领域应用的重要措施。它的主要工艺如下:

  钛合金超塑成形/ 扩散连接技术(SPF/DB)

  超塑成形/扩散连接(SPF/DB)是一种把超塑成形与扩散连接相结合用于制造高精度大型零件的近无余量加工方法,在现代航空航天工业发展的推动下,经过30多年的开发研究和验证试验,已进入了实用阶段。

  20 世纪70 年代早期,美国洛克威尔公司首先将超塑成形技术应用到飞机结构件制造中,使钛合金制造工艺发生了技术变革。随后,欧美将钛合金SPF、SPF/DB 技术列为重点研究项目,促使超塑成形整体钛合金结构件已获得工程应用,并产生了巨大的技术经济效益:联合战斗机(JSF)的后缘襟翼和副翼、F-22后机身隔热板等重要结构均采用了钛合金超塑成形/ 扩散连接的整体结构。英国罗·罗公司采用SPF/DB 技术研制出了第二代钛合金宽弦无凸肩空心风扇叶片,每个叶片实现减重35%~40%,处于世界领先地位。欧盟采用超塑成形的Ti-6Al-4V 合金高度控制仪气瓶还应用于阿里安Ⅴ火箭,国外一些导弹上用的钛合金蜂窝结构的翼面也采用SPF/DB技术成形。

  国内对SPF/DB技术的研究开始于70 年代末,经过30 多年的发展,我国SPF/DB 技术取得了很大的进步。近年来,我国新机研制及改进机型中,前缘襟翼、鸭翼、整体壁板和腹鳍等大尺寸钛合金构件采用SPF/DB技术。针对航天型号对金属防热结构的需求,航天材料及工艺研究所开展了钛合金波纹板SPF 技术研究,成功制备出TC4 钛合金防热瓦等热结构部件。

  SPF/DB 应用于航空航天具有两方面的优势,一方面是满足航空航天复杂几何形状零件的要求,另一方面可以不用接头(紧固件或铆钉等)获得整体结构。SPF/DB技术的应用方向为:大型结构件、复杂结构件、精密薄壁件的超塑成形;高速超塑成形技术的研究与开发。SPF/DB 技术应用表明:尽管钛合金成本高,但成本效益、可靠性、长寿命和重量轻量化对航空航天的吸引力更大。

  钛合金精密旋压技术

  旋压成形技术制造的薄壁回转体壳体构件解决了在车削加工时存在的刚度低、颤动大、加工精度低等技术问题或根本无法加工的技术难题,应用于航天领域具有诸多优势。

  美国强力旋压生产的φ3900mm大型导弹壳体,径向尺寸精度达到0.05mm,表面粗糙度R a 为1.6~3.2μm,壁厚差≤0.03mm。美国钛制造公司采用1.5m 立式旋压机旋压φ 1524mm 的Ti-6Al-4V钛合金导弹压力容器封头,每个封头的旋压时间为5min。民兵洲际导弹第二级固体发动机壳体采用了Ti-6Al-4V 钛合金,并用强力旋压成形,成形后的钛合金壳体重量减轻30%。围绕航天型号对轻质、高强、大型化航天需求,德国MT 宇航公司采用旋压工艺制备出φ 1905 mm 的高强Ti-15V-3Cr合金推进系统贮箱,并应用于欧洲阿尔法通信卫星巨型平台,实现了卫星平台的大幅度减重、增加有效载荷。

  我国的旋压工艺与设备的研究源于60 年代初期,钛合金的旋压研究始于上世纪70 年代,经过40 多年来的发展,基本形成了从设备的研制到工艺开发一套成熟的体系。国内航天所用钛合金及旋压制品,如火箭发动机外壳、叶片罩、陀螺仪导向罩、内蒙皮等,Ti8Al1Mo1V 高钛合金用于发动机叶片热处理强化钛合金旋压成形;TB2 钛合金用于小型喷管旋压等。

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