在飛機及發(fā)動機結(jié)構(gòu)中,承力 、 傳力結(jié)構(gòu)的重要件和關(guān)鍵零件一般需要進行鍛造。 航空鍛件在鍛壓行業(yè)中屬于技術(shù)含量最高 、 質(zhì)量要求最嚴 、 價格最為昂貴的一類鍛件。 其中大型航空鈦鍛件所用材料和成形技術(shù)是彰顯國家綜合國力的標志之一 。

1、大型航空鍛件材料應(yīng)用現(xiàn)狀

航空鍛件一般選用高比強度 、 比剛度的材料,大型航空鍛件用材料主要包括鈦合金 、 超高強度鋼 、 鋁合金三大類 。

1.1 大型航空鍛件用鈦合金

鈦合金由于其高比強度 、 比剛度 、 耐蝕性等優(yōu)異性能 ， 在航空工業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用 ， 對飛機結(jié)構(gòu)減重和零件的使用壽命提高都有顯著效果 。

特別是對于軍用飛機 ， 一些重要的結(jié)構(gòu)部件如翼梁 、 隔框 、 起落架等廣泛采用鈦合金鍛件加工而成 ， 單件重量高 ， 尺寸和截面積大 。 例如波音B747 飛機主起落架支架梁 8 個件號采用TibAb V鈦合金鍛件 ， 單件重 1724 kg, 長度6.2 叫投影面積 4.1 m' 。 空客 A380 飛機兩個六輪三軸小車式主起落架載重梁采用 Ti-1023鈦合金鍛件 ， 長4.255m ， 重量3210kg 。 美國洛克希德公司研發(fā)的第四代戰(zhàn)斗機F22 隔框采用TibAobV ELI 鍛件 ， 單件重量達771kg以上 ， 投影面積4.06 m²。

目前航空用鈦合金主要牌號有 TC4 、 TC18 、TC21 、 TA15 、 TB6 ( 美 Ti-1023 合金 ) 等 。 其中TC18 由于淬透性最大 ， 適合制造大型鍛件 ， 目前國內(nèi)應(yīng)用最多 。 俄羅斯根據(jù)波音和空客等民機需求 ， 在 TC18 合金基礎(chǔ)上 , 通過降低易偏析元素 Fe的含量 ， 開發(fā)了 Ti-55531 鈦合金 。 Ti-55531 強度較高 , 而且具有優(yōu)越的淬透性和更寬的加工窗口 ,

目前已在 A380 飛機吊掛接頭和起落架支柱等零件上使用 ， 國內(nèi) C919 飛機也開展了國產(chǎn)材料研制工作 ， 國內(nèi)重型直升機也正在利用此材料研發(fā)大型直升機槳轂中央件 。 目前收集到的數(shù)據(jù)表明 : Ti-55531 與 TC21 、 TC18 相比 ， 抗拉強度較高 ，塑性和斷裂韌性較低 ， 但 Ti-55531 在 =11 MPa - 條件下的抗裂紋擴展能力明顯優(yōu)于TC21 和 TC18 合金 ， 說明其裂紋萌生壽命較長 ， 疲勞極限較高 ， 適合長壽命設(shè)計 。

1.2 大型航空鍛件用超高強度鋼

室溫條件下抗拉強度大于1400 MPa 、 屈服強度大于1200 MPa 的鋼稱為超高強度鋼 ， 通常還要求具有良好的塑韌性 、 優(yōu)異的疲勞性能 、 斷裂韌性和抗應(yīng)力腐蝕性能 。 航空用超高強度鋼主要用于起落架 、 傳動齒輪 、 主軸承和對接螺栓等關(guān)鍵構(gòu)件 。

中國于 20 世紀 50 年代初研制成功30CrMnSiNi2A 超高強度鋼， 抗拉強度為 1700MPa。 20 世紀 70 年代初 ， 結(jié)合中國資源條件 ， 研制成功 32Si2Mn2MoVA 和 40CrMnSiMoVA 鋼 。

1980 年以來 ， 從國外引進新技術(shù) ， 采用真空冶煉新工藝 ， 先后研制出 34SMMnCrMvVA ( 406A ) 、35CrNMMoA 、 40CrNMSiMvVA(300M) 和 18Ni 馬氏體時效鋼 。 超高強度鋼的研發(fā)為中國航空工業(yè)發(fā)展打下了堅實基礎(chǔ)⑷ 。

隨著超高強度鋼的不斷研究發(fā)展 ， 大型航空鍛件用超高強度鋼主要有以下幾個發(fā)展方向 ：

(1) 2200 MPa 級以上超高強度鋼 。 在保證強度的前提下 , 塑性 、 韌性 、 疲勞性能 、 裂紋擴展速度和抗應(yīng)力腐蝕等綜合性能優(yōu)于廣泛應(yīng)用的 300M 鋼水平 。 

( 2) 超高強度不銹鋼 ， 作為下一代艦載飛機起落架的備選材料 。

( 3) 低成本超高強度鋼 ， 用于性能要求不高的場合 , 例如民用飛機 、 大型無人機等 。

1.3 大型航空鍛件用高強度鋁合金

鋁合金由于具有密度低 、 比強度高 、 耐腐蝕性好 、 塑性和加工性能好 、 成本低等一系列優(yōu)點 ， 在航空方面一直是飛機機體結(jié)構(gòu)的主要材料之一岡 。 當今世界各國航空鍛件用鋁合金主要是2XXX 系 ( 2024 、 2224 、 2324 、 2424 、 2524 等 ) 和超高強度系的 7XXX 系 (7075 、 7475 ,7050,7150,7055 、7085 等 )o 2 XXX 系鋁合金屬于 Al-Cu-Mg 系合金 , 被稱為高強度硬鋁 ， 是用途最廣泛的鋁合金之一 ， 抗拉強度為 400 ~500 MPa, 比 7XXX 系鋁合金的室溫強度低 ， 但耐熱性 、 疲勞特性 , 特別是抗疲勞裂紋擴展性都優(yōu)于 7XXX 系鋁合金 。 典型代表2124 廣泛應(yīng)用于 F22 、 F35 的主體結(jié)構(gòu) 。 7 XXX 系鋁合金屬于 Al-Cn-Mg-Cu 系合金 ， 這類合金具有高的比強度和硬度 、 較好的耐蝕性和較高的韌性 、優(yōu)良的加工性能 。 典型代表是 7050 鋁合金 ， 在大型航空鍛件方面主要用于加強框 、 承力梁及接頭等主承力結(jié)構(gòu) 。

我國通過微合金化以及熱處理制度等方式研制了 7A85 鋁合金 ， 與國外 7085 鋁合金性能相當 。

7A85 鋁合金較 7075 、 7175 、 7050 合金大幅度提高了 Zn 的含量 ， 降低 Mg 的含量 ， 并對 Fe 、 Si 等雜質(zhì)元素含量進行了嚴格的控制 ， 使得 7A85 合金在保持較高強度水平下 ， 還具有韌性好 、 疲勞強度高和抗應(yīng)力腐蝕性能好等優(yōu)良綜合性能 。 與7050M7452 鍛件比較 ,7A85 鍛件具備了更高的淬透性 ， 淬透層深度可達到 305 mm, 而 7050 淬透層厚度為 203 mm, 更適合制造厚大截面航空零件 。

國外 7085 合金已在大型民用飛機 A380 客機的機翼主梁 、 肋等結(jié)構(gòu)獲得成功應(yīng)用 ， 該機翼主梁長6.4 m 、 寬 1.9 叫重達 3.9 t, 是目前世界上最大的鋁合金鍛件之一 。

2、大型航空鍛件成形技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

大型航空鍛件成形技術(shù)主要包括等溫鍛造 、多向鍛造和普通熱模鍛鍛造  。因等溫鍛造 、 多向鍛造受外部客觀約束條件較多 , 未在國內(nèi)廣泛應(yīng)用 ， 因此 ， 本文主要介紹普通熱模鍛鍛造技術(shù) 。

20 世紀 60 年代至 90 年代 , 國內(nèi)主要設(shè)備為錘擊設(shè)備 ， 如 1 MN 對擊錘 、 0. 4 MN 對擊錘 、 0. 16 MN錘 、 0. 10 MN 錘 、 0. 05 MN 錘等⑴ ］ , 圍繞設(shè)備原鍛造主要是靠傳統(tǒng)經(jīng)驗及試錯方式進行生產(chǎn)分段鍛件 ( 鍛件長度不超 2 m, 投影面積小于 0.7 m), 即設(shè)計 1 套模具靠多火次小變形來制造鍛件 ， 首批試制如成形不足和性能不滿足要求 ， 再通過修模進行二次或多次試制 , 直到滿足要求為止 , 該方式鍛件余量大 、 制造周期長 、 制造成本高 。 進入21世紀 ， 國內(nèi)出現(xiàn)以 800 MN 大型模鍛壓機為代表的大型鍛壓設(shè)備 , 同時配合數(shù)值模擬技術(shù) , 鍛造技術(shù)進入快速創(chuàng)新迭代階段 , 鍛造技術(shù)進入 “ 可預(yù)測 、 可創(chuàng)新 、 可重復(fù) 、 可追溯 ” 四可階段 ， 即技術(shù)人員用可控壓機設(shè)備和數(shù)值模擬軟件可提前預(yù)測鍛件成形和組織性能預(yù)判 , 精化鍛件余量 ， 縮短了生產(chǎn)周期 ， 降低了制造成本 ， 并進一步提高了鍛件質(zhì)量氏 ］ 。 形成了短流程綠色形性協(xié)同成形技術(shù) ， 并取得了一系列關(guān)鍵核心技術(shù) 。

(1) 提出了超大規(guī)格鈦合金整體鍛件短流程模鍛成形工藝新思路 : 以組織缺陷抑制與均勻流變的制造能場為邊界條件 , 采用整體化設(shè)計及多套模具工裝制造 , 整體框鍛坯采用短流程制造 ， 將傳統(tǒng)制造的鍛坯火次大大減少 ， 火次減少 50% 左右 ， 見圖 1。

(2) 研發(fā)出鈦合金鍛件保溫及控溫分流成形技術(shù) 、 大型整體鍛件擠壓擴孔降壓成形技術(shù) 、 鍛件局部變形死區(qū)改善及變形均勻分配技術(shù) 、 大型簡易制造綠色長壽命堆焊模具 ， 發(fā)明毛坯制坯件外形簡化設(shè)計匹配模鍛變形控制技術(shù) 。

(3) 大型整體鍛件擠壓擴孔降壓成形技術(shù) :通過優(yōu)化設(shè)計制坯件 ， 降低制坯件內(nèi)孔連皮 、 外廓飛邊材料消耗 ， 并匹配制坯件和預(yù)鍛件 ， 巧妙運用“ 力的分解 ” ， 實現(xiàn)在預(yù)鍛壓制初始階段制坯件 心 心與預(yù)鍛模具中 & 接觸時 ， 產(chǎn)生水平分力 ， 該力擠壓推動整體框制坯件孔部快速向外側(cè)整體移動 ，內(nèi)孔高效擴孔 ； 預(yù)鍛壓制后期階段再通過壓薄制 坯件 乩 進一步提供坯料 ， 保證預(yù)鍛件充滿成形 。

最終實現(xiàn)料工比由 2 ~2.5 降低至 1.6 ~2. 1 ， 提高每火次的變形量及變形均勻性 、 過程的可控性和一致性 ， 成型示意圖見圖 2 。

(4) 鍛件局部變形死區(qū)改善及變形均勻分配技術(shù) : 通過在預(yù)制坯件上下表面或工裝模具中設(shè)計 R R 凹槽 、 點陣凹槽 、 凸 R R 體 、 波浪型等輔助結(jié)構(gòu) , 可改善鍛件表面變形死區(qū) , 提高鍛件表層變形量與鍛件變形均勻性 ， 鍛件本體應(yīng)變由 0. 1 ~0. 6變?yōu)?0.2-0.4 ， 保證了鍛件組織性能均勻性 ， 改善前后示意圖見圖 3 、 圖 4 。 由圖可見 ， 改善前變形不均勻 ， 表面變形小 ， 心部變形大 ; 改善后表面到心部變形均勻 。

3、結(jié)語

大型航空鈦鍛件中有相當數(shù)量的關(guān)鍵零件 , 例如飛機主起落架 、 起落架活塞套筒 、 飛機大梁等,都是關(guān)系飛機可靠性與壽命的重要零件,必須嚴格控制材料質(zhì)量和鍛造工藝 。 因此 ， 必須根據(jù)不同材料特點,結(jié)合企業(yè)鍛造設(shè)備能力的實際情況 開發(fā)出相適應(yīng)的鍛造工藝 ， 并與飛機的特定需求相結(jié)合 , 才能發(fā)揮出最大的技術(shù)優(yōu)勢 ， 助力中國航空工業(yè)的發(fā)展 。

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