航空用鈦合金鍛件的新工藝方法

1、鈦合金鍛件大型化是必然趨勢

鈦合金強度高、密度低、耐腐蝕，是優良的宇航材料，在飛機上得到了越來越多的應用。如在蘇一27中鈦合金用量達飛機總重量的18％，在美國第四代戰斗機F一22上，鈦合金用量達41％。 作為我國國防的重要力量，第四代戰斗機和大型軍用運輸機中鈦合金用量必然很大。

為了進一步提高飛機的性能，必須盡一切可能降低每一克重量。以往采用由小鍛件連接的一些大部件將盡可能改用整體的結構形式，這可以明顯提高結構的剛性和減輕重量。如航空發動機的壓氣機盤和葉片通常用榫頭進行連接，新的設計改成整體結構，即把葉片和盤件做成一個整體，總重量可以減輕20％。但整體鍛件的投影面積和重量將增加一倍。尤其是鈦合金件，由于焊接技術難度很大，更希望做成大鍛件。制造鈦合金特大型鍛件隨著飛機的發展而更加迫切¨。

戰斗機機身的鈦合金框由6～7件組裝而成，其最大外形尺寸達1680mm×1450mm，總投影面積約為lm²，重量高達350kg。做成整體件，強度和剛度將比多件連接結構要高得多。大型運輸機中每架飛機鈦合金鍛件需要十幾噸，很多都是大鍛件，如起落架梁的長度達1700mm，厚度為320mm，投影面積也要1m²以上。

美國報道了帶有雙發動機艙孔的整體框架鍛件，材料是Ti一6Al一4V，投影面積達5.4m²，在45000t水壓機上生產。俄羅斯在大型飛機起落架上用的整體鈦鍛件也非常大，達3m多長，重達1.5t，在75000t水壓機上生產。

隨著我國航空工業的發展，鈦合金鍛件大型化是必然趨勢。特大型鈦合金鍛件的生產技術是必須解決的重大技術關鍵。

2、鈦合金大型鍛件生產的一種新途徑

特大型鈦合金鍛件投影面積將達到1.0～1.5m²，最大外形尺寸將達1.7m。按照經典鍛造概念，應該有足夠大的鍛壓機，譬如，建造1臺80000t的大型水壓機，這會給大鍛件生產創造良好的條件。當然這需要投資十幾億元，還需要充分考慮今后的市場是否有足夠的合同來維持該設備的正常運轉。由于設備使用費用高，大鍛件的制造費用也很高。

另一方法是直接用厚板加工出整體框零件。現我國可以生產厚板的軋機有很多，但具備生產鈦合金厚板的技術只有寶雞鈦業股份公司和上海寶鋼集團公司。在飛機設計初期，這個方法可以很快得到零件，可以加快研制進度，但這個方法的材料利用率很低，約是鍛件的1/4，用作生產很不經濟。而且厚板的力學性能不及模鍛件好，不能充分發揮材料的潛能，不利于飛行器的減重。

等溫鍛造是可以生產鈦合金特大型優質鍛件而投資少、生產成本低的一種很有希望的新方法。

等溫鍛造是利用鈦合金的超塑性特性發展起來的新技術。等溫鍛造可以生產精密鍛件，整個生產過程可以對鍛壓各主要參數精確控制。因此鍛件的質量更穩定、更可靠。特別是同樣鍛件，等溫鍛造所需要的鍛壓噸位只有普通鍛造的1/5～1/10，可以用相對小的壓力鍛造更大的鍛件。實踐表明，1.0～1.5m²的鈦合金鍛件用10000t的等溫鍛壓機是完全可以鍛造出來。

3、等溫鍛造生產的大型鈦合金鍛件

大型鈦合金鍛件通常都是用經典的普通模鍛方法生產的。由于鈦合金的變形抗力大，而鍛造溫度范圍窄，因此只能生產粗鍛件，無法生產精密鍛件。等溫鍛造解決了這個難題，生產出了精密鍛件，更重要的是生產出了大型精密鍛件。

(1)壓氣機盤

壓氣機盤是典型的軸對稱大鍛件，直徑500～600mm。等溫鍛造的鍛件比普通模鍛的精度高，重量減輕20％～30％。生產的葉盤直徑達到700mm，是我國目前最大的鈦合金盤件(圖1)。

(2)軸頸和大型管

軸頸(φ20×400mm)、大型管(φ140×850mm)用普通鍛造只能生產實心鍛件，而用等溫鍛造可生產空心薄壁件，冶金質量大大提高，重量減少40％～60％(圖2)。

(3)機匣

機匣(咖720×430mm)是我國生產的最大鈦合金鍛件(圖3)，投影面積為0.48m²。用普通鍛造是鍛不出的，此鍛件是用等溫鍛造方法生產的。

上述大型鍛件都是在最大壓力為3000t壓機上生產的，最大的投影面積有0.48m²。鈦合金大型鍛件的生產經驗給出了很多有用的數據，對于投影面積在1.0～1.5m²的特大型鍛件，預計壓機有8000～10000t的壓力就可以得到成形良好的模鍛件。

4、等溫鍛造在我國特大型鈦合金鍛件上的應用

鈦合金等溫鍛造的研究已有30年的歷史，等溫鍛造的大型鈦合金鍛件已經生產了幾十種，最大的鈦合金鍛件的投影面積達0.48m²。已經積累了相當豐富的生產經驗，這是發展特大型鈦合金鍛件最重要的基礎。

特大型鍛件的生產要有可以進行等溫鍛造的大型液壓機。國內6000t以上的等溫鍛造用液壓機已有多臺，最大10000t。

特大型鍛件重量為1t以上，所需鈦合金錠在5t以上。國內有8～15t鈦合金冶煉爐多臺，可以提供足夠大的鈦合金錠。2000t以上的快鍛機有多臺，最大的4000t；還有1300 t徑鍛機，可以將大錠開坯，提供鍛坯。

鈦合金等溫鍛造的模具用高溫合金鑄件必須在真空感應爐中澆注。我國大型真空感應爐有多臺，最大12t，為特大型的高溫合金模具鑄造提供了良好的條件。

上述各方面表明，采用等溫鍛造生產特大型鈦合金鍛件已經具備了相當好的基礎，可以生產投影面積達1.5m²的特大型鈦合金鍛件。

5、生產特大型鈦合金鍛件還需解決的關鍵技術

特大型鈦合金鍛件，一種類型是外形尺寸大，壁薄。如飛機整體框架，是近似于環形件的異形件，直徑1.4～1.7m，壁板厚度只有2～3mm。另一種類型是又粗又大的鍛件，如飛機起落架梁，最大外形處尺寸達1.7m×1.0m，厚度也有350mm，重量1000kg；又如俄國生產的Til023起落架尺寸為3368mm×451mm×488mm，重量1486kg。

由此可知，研制特大型鍛件還需解決下列關鍵技術：(1)特大型鍛件模具的設計、制造技術；(2)特大型鍛件的組織控制，1～2t鍛件用的大坯料的組織要控制到細小均勻的技術；(3)整體框鍛件是不均勻環形件，預制坯技術；(4)特大型鈦合金鍛件的等溫鍛造工藝技術；(5)特厚鍛件的熱處理工藝技術。

6、結束語

隨著航空新技術的發展，鈦合金鍛件大型化是必然趨勢。在各種鍛造方法中，等溫鍛造技術的高質量、低成本優勢明顯地優于其他方法。在成功生產大型鈦合金等溫鍛件的基礎上，建立更大的壓機和配套設備生產特大型鈦合金鍛件，等溫鍛造是一條很好的新途徑。

參考文獻

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