高質量的航空鍛件主要有航空發(fā)動機風扇和壓氣機系統(tǒng)的盤、機匣、整體葉盤、盤軸、葉片鍛件以及飛機結構的框、梁、接頭、起落架鍛件等。隨著航空發(fā)動機和飛機結構設計的技術進步,航空鍛件向大型化、整體化、精密化方向發(fā)展,推動著鍛壓設備及其配套裝備的發(fā)展與技術進步。為適應優(yōu)質精密航空鍛件及難變形材料的鍛造需要,發(fā)展了如等溫鍛造、熱模鍛造、分段鍛造等新工藝技術及相應的模具設計制造和質量控制技術。
航空系統(tǒng)內從事航空大、中、小型鈦合金鍛件的生產企業(yè)主要有:中航重機旗下的陜西宏遠、貴州安大、景航航空鍛鑄、無錫卓越以及集團旗下的部分飛機和發(fā)動機公司。在航空系統(tǒng)內部,大型鈦合金鍛件生產用的模鍛設備除專業(yè)化鍛造廠有80~100MN液壓機外,近年來,陜西宏遠裝備了一臺200MN等溫鍛壓機和200MN離合器式電動螺旋壓力機,其中200MN等溫鍛壓機具有“恒應變速率”控制功能和雙工作臺,工作臺尺寸為6000mm×4000mm,最大凈空距為3600mm,等溫鍛時滑塊速度可控制在0.005~0.5mm/s,普通熱模鍛時滑塊速度可控制在0.5~10mm/s;200MN電動螺旋壓力機在精密化、數字化、智能化方面有了長足進步,最大打擊能力達到360MN,尺寸控制精度達到±0.6mm,可控變形速度為0.2~0.5m/s,能實現模具自動控溫。貴州安大于2017年裝備了一臺250MN等溫鍛+模鍛壓機,可用于難變形材料大型鍛件的等溫鍛生產。同時,貴州安大擁有多條系列環(huán)形件生產線,可以實現鈦合金、高溫合金等難變形材料復雜異形截面環(huán)件的精密軋制。
航空系統(tǒng)外從事航空鈦合金鍛件特別是大型鍛件生產的國有企業(yè)主要有二重萬航、無錫透平,建立了用于大型飛機結構件、大型發(fā)動機風扇葉片和盤鍛件用的鍛造設備,如二重萬航的800MN模鍛壓機和具多向模鍛功能的200MN等溫鍛壓機、無錫透平的355MN離合器式螺旋壓力機。
十余年內我國涌現了一大批從事航空鍛件生產的民營企業(yè),裝備了先進的鍛壓設備,如南山鍛造、三角防務、昆侖重工、中鈦青鍛、貴州航宇、無錫航亞、無錫派克等。這些企業(yè)裝備了大噸位的模鍛和環(huán)軋設備,并配套了相應的制坯自由鍛壓機。如南山鍛造500MN和125MN模鍛壓機,三角防務400MN模鍛壓機和在建的300MN等溫鍛+模鍛壓機,昆侖重工300MN模鍛壓機,中鈦青鍛680MN多功能壓機(具有模鍛和擠壓雙重功能),可生產航空發(fā)動機和飛機大型結構件鍛件。貴州航宇4.5m環(huán)軋機(徑向/軸向壓力分別為700/700t)及相應脹形設備、無錫派克的先進環(huán)軋設備均配置了自動控制系統(tǒng),為生產優(yōu)質的發(fā)動機鈦合金機匣環(huán)件提供了很好的硬件條件,脹形工藝的應用可提高環(huán)件的尺寸精度,并提高材料利用率,脹形會改變環(huán)件內部殘余應力的大小和方向,促進殘余應力的均勻分布。無錫航亞具備生產鈦合金精鍛葉片的全套裝備和技術能力,除配合國內重點型號發(fā)動機葉片生產外,還積極投身國際市場,為GE、Safran公司生產Ti-6Al-4V鈦合金壓氣機葉片等。
大涵道比航空發(fā)動機朝“大風扇、小心臟”方向發(fā)展,致使風扇部件如風扇盤和風扇葉片的尺寸相應增大,高推重比軍用航空發(fā)動機的整體葉盤(blisk)和整體葉環(huán)(bling)等整體輕量化結構設計,這些設計變化對相應的鈦合金鍛件的控形(尺寸精密化)和控性(低倍流線、顯微組織、組織均勻性、微織構、殘余應力、力學性能、超聲檢測、冶金缺陷控制)提出了更高要求,既要做到精確控形,又要做到精確控性。
為了改善鈦合金模鍛件的低倍流線和組織均勻性,降低鍛件內部的殘余應力,促進模鍛成形過程中金屬的流動,某些關鍵的航空發(fā)動機和飛機鈦合金鍛件,如航空發(fā)動機用TC11、TC25、TC17、Ti60鈦合金盤類件和整體葉盤鍛件及直升機用TB6鈦合金槳轂鍛件等,采用等溫模鍛成形或近等溫模鍛成形技術,通過鍛件的精化以實現“綠色”鍛造,節(jié)省寶貴的鈦資源,降低生產成本。為了提高鈦合金零件的損傷容限性能,某些TC17(Ti-17)、TC19(Ti-6246)鈦合金盤鍛件采用了β模鍛工藝,得到網籃組織狀態(tài)使用。對于一些厚大截面的鍛件,如TC4鈦合金風扇盤鍛件,采用強韌化熱處理代替?zhèn)鹘y(tǒng)的普通退火,以提高鍛件的強度和熱強性。在生產大型鈦合金鍛件時,要特別注意控制變形溫度和變形速率,特別是對于β鍛的鍛件,防止鍛件在變形過程中心部因變形能集聚引起溫度陡升,造成鍛件心部產生過熱組織,即形成清晰晶或粗大的單個晶粒,引起抗拉強度和疲勞性能的顯著惡化。
在鈦合金鍛件質量檢驗及控制方面,雖然出現硬α夾雜物、裂紋和孔洞等缺陷的概率極低,但是一旦出現就有可能造成重大的飛機失效事件,必須嚴格控制鈦合金零件內在缺陷,而超聲檢測是檢出鈦合金各類缺陷的最有效手段。我國各主要鈦材生產商近年來建立了鈦合金大規(guī)格棒材的水浸超聲檢測裝置,通過分區(qū)聚焦超聲檢測,可以顯著提高檢測靈敏度,從而提高了缺陷的檢出能力。大部分鍛件生產商建立了適用于軸對稱的發(fā)動機盤類鍛件水浸超聲檢測裝置,可實現鍛件的自動化和數字化超聲檢測,并通過與接觸法探傷相互配合使用,提高缺陷的檢出能力。鈦合金α+β兩相區(qū)充分變形得到的球狀(等軸)組織雜波低,容易檢出缺陷;而β鍛或β熱處理得到的片狀組織或網籃組織,雜波高,易掩蓋缺陷反射波,降低檢測的準確性。因此,對于需要β加工的鍛件,應在α+β兩相區(qū)鍛的坯料狀態(tài)進行超聲檢測。另外,在關鍵鈦合金零件加工過程中,采用表面腐蝕、X射線、表面藍色陽極化、表面熒光滲透、渦流檢測等,提高零件表面和內部缺陷的檢出率。當然,航空級特別是發(fā)動機轉子級鈦合金,其相應的原材料海綿鈦也要求是航空級或者是轉子級的,并對其熔煉工藝及過程控制提出了嚴苛要求。
上述企業(yè)中,除傳統(tǒng)的幾個航空企業(yè)有五十余年生產航空鍛件的經驗外,其余大部分企業(yè)在生產航空鍛件方面處于起步階段,生產技術和經驗有待于積累和提高,借助于靈活的人力資源和設備技術等后發(fā)優(yōu)勢,在國家軍民融合的大背景下,將會迅速成長為具有強大市場競爭力的骨干企業(yè)。
優(yōu)質鈦合金原材料及鍛件標準建設
十余年來,我國在鈦合金的熔煉、鍛造、熱處理、機械加工等方面的裝備能力和工藝技術得到了長足進步,為生產大型鈦合金飛機框、梁、起落架結構件和航空發(fā)動機盤、葉片、機匣鍛件提供了良好的設備條件和工藝基礎。飛機和航空發(fā)動機的安全使用在很大程度上受制于原材料及鍛件的冶金質量、組織狀態(tài)、微觀織構及力學性能等,原材料及鍛件的質量除受制造工藝和設備條件所限外,質量控制的主要手段是通過建立相應的材料和鍛件標準、熱工藝和檢驗標準等。我國航空鈦合金材料從研制階段過渡到生產階段的過程中,逐步建立了相應的不同層次的材料標準和工藝規(guī)范,如企業(yè)標準、型號標準、航空標準、國軍標等,作為材料或鍛件生產和驗收的依據。
我國在役的大部分鈦合金材料以引進國外牌號為主。因此,在制定材料標準和鍛件標準時,基本上是以參考或等效采用國外相關標準的技術要求和規(guī)定為主。在應用材料或鍛件標準時,經常會遇到在化學成分范圍控制、雜質元素含量控制、熱工藝制度、高低倍組織、超聲檢測、力學性能指標要求等條款的理解和實際操作產生歧義的情況。
隨著我國航空裝備的建設,所用的鈦合金鍛件趨向于大型化、整體化、精密化和低成本化,相應所需的原材料規(guī)格和尺寸也不斷加大,某些規(guī)格尺寸和重量已超出了目前標準規(guī)定的范圍極限,如某廠正在生產的φ500mm鈦合金大棒材,而現行的標準中規(guī)定的大規(guī)格棒材最大尺寸僅為φ350mm;某型號鈦合金風扇盤鍛件的重量接近了500kg,尺寸大,截面厚,已大大超越以往生產的鈦合金盤鍛件的規(guī)格。因此,對于這類超大規(guī)格的鈦合金棒材和超大尺寸的鈦合金鍛件,如何對其高低倍組織、力學性能、超聲波探傷等技術要求做出科學合理且適度的規(guī)定,尚需針對性地加大研究工作,積累數據和經驗,不斷完善、補充和修訂材料及鍛件標準。
結束語
中國的鈦工業(yè)經過60余年的發(fā)展,具備了生產海綿鈦、鈦加工材、鍛件完整的生產設備和工藝技術,目前已成為世界第一大鈦生產國和消費國。在國家大飛機、兩機專項等新型航空裝備發(fā)展驅動下,我國裝備了世界上最大和最先進的各類鍛造設備,可生產大型鈦合金模鍛件、環(huán)軋件及葉片精鍛件。在生產大型鈦合金鍛件時,應關注相關的工藝技術如計算機數值模擬技術、先進超聲檢測等技術,材料和鍛件工藝標準的科學合理規(guī)定,成分、雜質、組織、織構的合理控制等,提高優(yōu)質鈦合金鍛件的組織均勻性、批次穩(wěn)定性及質量可靠性,同時,鍛件制造應朝著精密化、綠色方向發(fā)展,實現近凈成形,關注增材制造技術的綜合應用,加強鈦殘料的回收利用,為我國航空高端裝備建設做貢獻。