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188bet.com网  2015-11-10  阅读:


  钛合金具有低密度、高比强度、运用温度规划宽(-269~600℃)、耐蚀、低阻尼和可焊等许多长处,是航空航天飞翔器轻量化和前进归纳功能的最佳用材,其运用水平是表现飞翔器先进程度的一个重要方面。前进飞翔器的归纳力学功能并降低本钱,是推动钛合金在航空航天范畴运用的重要措施。


  跟着航空航天技能的展开,钛合金在航空航天范畴的运用规划不断扩展,钛合金结构件也越来越呈现出大尺度、薄壁曲面、变厚度和全体结构的趋势,进一步前进了航空航天飞翔器的功能、结构刚性,减轻了分量,钛合金精细成形技能将是航空航天制作技能的研讨要点。


  精细成形是指零件成形后挨近或到达零件精度要求的成形技能,它是建立在新资料、新设备、新工艺、计算机辅佐工艺规划等技能成果的根底上,展开了传统的成形技能,完成产品高效、高功能、低本钱的少无余量制作技能,精细成形的零件具有高的几许精度和外表粗糙度、精确的外形及优秀的机械功能。钛合金精细成形技能广泛运用于航空航天范畴,它的运用能明显前进各类作战飞机、航空发动机、战略战术导弹、运载火箭等航空航天产品的归纳功能和保证才能。针对精细成形技能中精细热成形(包含精细铸造、超速成形/分散衔接、精细旋压和激光直接快速成形)技能的运用展开进行剖析,这些技能能够完成近净形出产,资料利用率高达70%~90%,现已在航空航天范畴凸显出宽广的展开远景和杰出的运用价值。


  钛合金精细铸造技能


  美国于20世纪60 时代开端研讨运用钛合金精细铸造技能,处于国际领先水平,开发出了熔模陶瓷铸型技能、机加石墨铸型技能和热等静压技能。国外先进国家已成功研发了F-100、CFM-56、CF6-80、F-119等航空发动机的大型薄壁全体钛合金中介机匣、电扇、高压压气机机匣等铸件,最大直径现已大于1000mm、最小壁厚小于3mm、尺度精度到达CT6~CT7 级水平,冶金质量高。


  美国F-22战斗机在垂尾方向舵作动筒支座与其他要害承力部位很多选用钛合金精细铸件,约占其全体结构分量的7.1%。德国钛铝精铸公司选用近α 型钛合金IMI834 出产了燃气涡轮航空发动机的零部件。现在,大型杂乱的发动机中介机匣式电扇结构底子选用 Ti-6Al-4V 及Ti6242 精铸件。


  我国的钛精铸技能起步于20世纪60 时代,是学习和引入国外技能展开起来的,经过多年展开开发出了钛合金熔模铸造技能、捣实型铸造技能、石墨加工型铸造技能等。钛合金熔模精细铸造技能结合离心浇铸工艺技能,完成了尺度900mm、全体壁厚2.5 mm 的薄壁杂乱钛合金结构件浇铸成型,尺度精度到达CT6~CT8 级,铸件外表黏污层厚度削减到0.3mm。关于中小型铸件尺度精度能够到达CT6~CT7 级,外表粗糙度到达R a3.2mm,最小壁厚1.5μm,到达国际先进水平。北京航空资料研讨院曾成功浇铸出尺度630mm×300mm×130mm、最小壁厚仅为2.5mm 的杂乱框形结构。


  跟着航空航天配备升级换代,对构件的大型化、杂乱化和高精度提出了更高要求,钛合金精细铸造技能结合先进熔炼技能、计算机仿真技能、热等静压技能、数字化检测技能等是往后的首要展开方向。现在,与欧美发达国家比较,我国在技能根底、设备、进程操控、成形改性一体化、工艺仿真和数字化检测等方面存在必定的距离,霸占大型薄壁杂乱全体精铸件铸造要害技能,满意先进航空航天配备研发的需要是往后工作的要点。


  钛合金超塑成形/ 分散衔接技能(SPF/DB)


  超塑成形/分散衔接(SPF/DB)是一种把超塑成形与分散衔接相结合用于制作高精度大型零件的近无余量加工办法,在现代航空航天工业展开的推动下,经过30多年的开发研讨和验证实验,已进入了实用阶段。


  20 世纪70 时代前期,美国洛克威尔公司首先将超塑成形技能运用到飞机结构件制作中,使钛合金制作工艺发生了技能革新。随后,欧美将钛合金SPF、SPF/DB 技能列为要点研讨项目,促进超塑成形全体钛合金结构件已取得工程运用,并产生了巨大的技能经济效益: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选用了钛合金超塑成形/ 分散衔接的全体结构。英国罗·罗公司选用SPF/DB 技能研发出了第二代钛合金宽弦无凸肩空心电扇叶片,每个叶片完成减重35%~40%,处于国际领先地位。欧盟选用超塑成形的Ti-6Al-4V 合金高度操控仪气瓶还运用于阿里安Ⅴ火箭,国外一些导弹上用的钛合金蜂窝结构的翼面也选用SPF/DB技能成形。


  国内对SPF/DB技能的研讨开端于70 时代末,经过30 多年的展开,我国SPF/DB 技能取得了很大的前进。近年来,我国新机研发及改善机型中,前缘襟翼、鸭翼、全体壁板和腹鳍等大尺度钛合金构件选用SPF/DB技能。针对航天类型对金属防热结构的需求,航天资料及工艺研讨所展开了钛合金波纹板SPF 技能研讨,成功制备出TC4 钛合金防热瓦等热结构部件。


  SPF/DB 运用于航空航天具有两方面的优势,一方面是满意航空航天杂乱几许形状零件的要求,另一方面能够不必接头(紧固件或铆钉等)取得全体结构。SPF/DB 技能的运用方向为:大型结构件、杂乱结构件、精细薄壁件的超塑成形;高速超塑成形技能的研讨与开发。SPF/DB 技能运用标明:虽然钛合金本钱高,但本钱效益、牢靠性、长寿命和分量轻量化对航空航天的吸引力更大。


  钛合金精细旋压技能


  旋压成形技能制作的薄壁回转体壳体构件处理了在车削加工时存在的刚度低、颤抖大、加工精度低一级技能问题或底子无法加工的技能难题,运用于航天范畴具有许多优势。


  美国强力旋压出产的φ3900mm大型导弹壳体,径向尺度精度到达0.05mm,外表粗糙度R a 为1.6~3.2μm,壁厚差≤0.03mm。美国钛制作公司选用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,每个封头的旋压时刻为5min。民兵洲际导弹第二级固体发动机壳体选用了Ti-6Al-4V 钛合金,并用强力旋压成形,成形后的钛合金壳体分量减轻30%。环绕航天类型对轻质、高强、大型化航天需求,德国MT 宇航公司选用旋压工艺制备出φ 1905 mm 的高强Ti-15V-3Cr合金推动体系贮箱,并运用于欧洲阿尔法通信卫星巨型途径,完成了卫星途径的大幅度减重、添加有效载荷。


  我国的旋压工艺与设备的研讨源于60 时代初期,钛合金的旋压研讨始于上世纪70 时代,经过40 多年来的展开,底子形成了从设备的研发到工艺开发一套老练的体系。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。


  西安航天动力机械厂研发出国内最大直径的钛合金筒形件;经过正反2 道次普旋翻边成功旋压出φ 500mm 的薄壁半圆钛圈,零件用于空间飞翔器微动力姿势调整。


  我国航天科技集团公司第703 研讨所选用普旋与强旋相结合的技能,以TC3、TC4 2 种钛合金板材为坯料,热旋压制备出了2 种钛合金半球形(φ 内522mm×2.0mm)、圆柱形储箱壳体(φ 163mm×2.0mm×200mm 的杯形件,φ 163mm×2.0mm×360mm 及φ 112mm×6.0mm×1000mm 的筒形件)。


  近几年来,跟着计算机模仿技能的展开,数值模仿已广泛运用于金属部件旋压成形进程的剖析。航天资料及工艺研讨所对TC4筒形件进行了计算机模仿,剖析了旋轮攻角、旋轮运动轨道、普旋道次等工艺参数对旋压成形的影响规则,成功旋制了深邃径比的TC4 钛合金筒形件。虽然钛合金精细旋压技能为航天范畴供给了各类合金普旋成形深邃径比旋压件,但从零件的工程化运用和旋压成形的杂乱性剖析,还需进一步加强。总的来说,旋压技能在国内航天工业取得广泛运用,但大直径、薄壁全体钛合金热旋压成形工艺尚无运用实例,直径2.25 m 贮箱箱底全体旋压技能、直径5 m 低温贮箱箱底瓜瓣成形、钛合金及高温合金杂乱结构件成形等技能还处在工艺探索阶段。


  钛合金激光直接快速成形技能


  自20世纪90时代开端,跟着计算机技能的飞速展开,激光直接制作技能逐步成为制作范畴研讨的热门。激光直接快速成形技能中有2 种办法能够用于直接制作金属零件,即区域挑选激光熔化(SelectiveLaserMelting, SLM)技能和近净成形(Laser Engineered Net Shaping,LENS)技能。国外有关大型钛合金结构件激光直接快速成形技能的研讨首要会集在美国。美国AeroMet公司在2002~2005 年间完成了激光直接快速成形钛合金结构件在飞机上的运用。2001 年Aero- Met 公司开端为波音公司F/A-18E/F 舰载联合歼击/ 攻击机小批量试制发动机舱推力拉梁、机翼滚动折叠接头、翼梁、带筋壁板等机翼钛合金次承力结构件。2002 年拟定出了“Ti6Al4V钛合金激光快速成形产品”宇航资料规范(ASM 4999)并于同年在国际上首先完成激光快速成形钛合金次承力结构件在F/A-18 等战机上的验证查核和装机运用。在航天范畴,NASA 马歇尔航天飞翔中心(NASA’s Marshall Space FlightCenter in Huntsville,Ala.)于2012 年将选区激光熔化成形技能运用于多个类型航天发动机杂乱金属零件样件的制作。激光直接快速成形技能还常常被用于钛合金零件或许模具的修正。


  我国钛合金结构件激光直接快速成形技能的研讨,从2001 年开端一向遭到政府首要科技管理部门的高度重视,在飞机、发动机等钛合金结构件激光快速成形制作工艺研讨、成套配备研发及工程运用要害技能攻关等方面取得了较大展开。


  北京航空航天大学激光资料加工制作技能实验室以飞机次承力钛合金杂乱结构件为目标,展开激光快速成形工程化运用技能研讨,先后制作出TA15 钛合金角盒近200 件,完成了“激光快速成形TA15 钛合金结构件在某型飞机上的装机评定”,首件激光快速成形TA15 钛合金结构件顺畅经过在某型飞机上的悉数运用实验查核,使我国成为继美国之后国际上第二个把握飞机钛合金杂乱结构件激光快速成形工程化技能并完成激光快速成形钛合金结构件在飞机上运用的国家。


  北京航空航天大学王华明掌管的“飞机钛合金大型杂乱全体构件激光成形技能”项目研发出产出我国飞机配备中迄今尺度最大、结构最杂乱的钛合金等高功能难加工金属要害全体构件,并在我国大型飞机等多型飞机研发和出产中得到实践运用,从而使我国成为现在国际上仅有打破飞机钛合金大型主承力结构件激光快速成形技能并完成装机运用的国家,如图1。


  相关于国内的航空范畴的研讨运用,现在激光直接快速成形技能在我国航天范畴的运用研讨底子上仍是处于起步阶段。实践上,航天液体和固体火箭发动机难加工资料、杂乱型面的结构件及兵器类型难加工资料轻质防热结构件能够很好地选用选区激光熔化技能完成高精度加工[35]。


  选用激光直接快速成形技能制作航空航天用的全体钛合金结构件具有资料利用率高、加工余量小、周期短和柔性高级长处。但激光快速成形进程中零件变形开裂防备,内部质量(内部缺点、晶粒及显微安排等)及力学功能操控依旧是限制大型全体钛合金要害结构件激光直接快速成形技能展开和运用的技能瓶颈。


  结束语


  归纳所述,钛合金精细热成形技能在取得不断前进的一起,也遇到了一些技能难题,大型全体钛合金构件的工程化运用规划还比较小,但跟着航空航天工业的快速展开,钛合金精细热成形技能必定步入一个新的展开期,鉴于钛合金和精细热成形技能的杰出长处,二者的结合在未来航空航天工业中的奉献效果将更为明显,往后其首要展开方向是:(1)大型或许超大型杂乱(薄壁)结构件的全体精细成形、低本钱、工程化运用;(2)计算机模仿(仿真)技能、CAD/CAM技能、数控技能等与精细成形技能的结合,为航空航天新构件的成形供给技能途径。

 

 

 

 

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