鈦合金精密旋壓技術(shù)

旋壓成形技術(shù)制造的薄壁回轉(zhuǎn)體殼體構(gòu)件解決了在車削加工時(shí)存在的剛度低、顫動大、加工精度低等技術(shù)問題或根本無法加工的技術(shù)難題，應(yīng)用于航天領(lǐng)域具有諸多優(yōu)勢。

美國強(qiáng)力旋壓生產(chǎn)的φ3900mm大型導(dǎo)彈殼體，徑向尺寸精度達(dá)到0.05mm，表面粗糙度Ra為1.6~3.2μm，壁厚差≤0.03mm。美國鈦制造公司采用1.5m立式旋壓機(jī)旋壓φ1524mm的Ti-6Al-4V鈦合金導(dǎo)彈壓力容器封頭，每個(gè)封頭的旋壓時(shí)間為5min。民兵洲際導(dǎo)彈第二級固體發(fā)動機(jī)殼體采用了Ti-6Al-4V鈦合金，并用強(qiáng)力旋壓成形，成形后的鈦合金殼體重量減輕30%。圍繞航天型號對輕質(zhì)、高強(qiáng)、大型化航天需求，德國MT宇航公司采用旋壓工藝制備出φ1905mm的高強(qiáng)Ti-15V-3Cr合金推進(jìn)系統(tǒng)貯箱，并應(yīng)用于歐洲阿爾法通信衛(wèi)星巨型平臺，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星平臺的大幅度減重、增加有效載荷。

我國的旋壓工藝與設(shè)備的研究源于60年代初期，鈦合金的旋壓研究始于上世紀(jì)70年代，經(jīng)過40多年來的發(fā)展，基本形成了從設(shè)備的研制到工藝開發(fā)一套成熟的體系。國內(nèi)航天所用鈦合金及旋壓制品，如火箭發(fā)動機(jī)外殼、葉片罩、陀螺儀導(dǎo)向罩、內(nèi)蒙皮等，Ti8Al1Mo1V高鈦合金用于發(fā)動機(jī)葉片熱處理強(qiáng)化鈦合金旋壓成形;TB2鈦合金用于小型噴管旋壓等。

西安航天動力機(jī)械廠研制出國內(nèi)最大直徑的鈦合金筒形件;通過正反2道次普旋翻邊成功旋壓出φ500mm的薄壁半圓鈦圈，零件用于空間飛行器微動力姿態(tài)調(diào)整。

中國航天科技集團(tuán)公司第703研究所采用普旋與強(qiáng)旋相結(jié)合的技術(shù)，以TC3、TC42種鈦合金板材為坯料，熱旋壓制備出了2種鈦合金半球形(φ內(nèi)522mm×2.0mm)、圓柱形儲箱殼體(φ163mm×2.0mm×200mm的杯形件，φ163mm×2.0mm×360mm及φ112mm×6.0mm×1000mm的筒形件)。

近幾年來，隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬已廣泛應(yīng)用于金屬部件旋壓成形過程的分析。航天材料及工藝研究所對TC4筒形件進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，分析了旋輪攻角、旋輪運(yùn)動軌跡、普旋道次等工藝參數(shù)對旋壓成形的影響規(guī)律，成功旋制了高深徑比的TC4鈦合金筒形件。盡管鈦合金精密旋壓技術(shù)為航天領(lǐng)域提供了各類合金普旋成形高深徑比旋壓件，但從零件的工程化應(yīng)用和旋壓成形的復(fù)雜性分析，還需進(jìn)一步加強(qiáng)。總的來說，旋壓技術(shù)在國內(nèi)航天工業(yè)獲得廣泛應(yīng)用，但大直徑、薄壁整體鈦合金熱旋壓成形工藝尚無應(yīng)用實(shí)例，直徑2.25m貯箱箱底整體旋壓技術(shù)、直徑5m低溫貯箱箱底瓜瓣成形、鈦合金及高溫合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件成形等技術(shù)還處在工藝摸索階段。

鈦合金激光直接快速成形技術(shù)

自20世紀(jì)90年代開始，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，激光直接制造技術(shù)逐漸成為制造領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。激光直接快速成形技術(shù)中有2種方法可以用于直接制造金屬零件，即區(qū)域選擇激光熔化(SelectiveLaserMelting,SLM)技術(shù)和近凈成形(LaserEngineeredNetShaping,LENS)技術(shù)。國外有關(guān)大型鈦合金結(jié)構(gòu)件激光直接快速成形技術(shù)的研究主要集中在美國。美國AeroMet公司在2002~2005年間實(shí)現(xiàn)了激光直接快速成形鈦合金結(jié)構(gòu)件在飛機(jī)上的應(yīng)用。2001年Aero-Met公司開始為波音公司F/A-18E/F艦載聯(lián)合殲擊/攻擊機(jī)小批量試制發(fā)動機(jī)艙推力拉梁、機(jī)翼轉(zhuǎn)動折疊接頭、翼梁、帶筋壁板等機(jī)翼鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件。2002年制定出了“Ti6Al4V鈦合金激光快速成形產(chǎn)品”宇航材料標(biāo)準(zhǔn)(ASM4999)并于同年在世界上率先實(shí)現(xiàn)激光快速成形鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件在F/A-18等戰(zhàn)機(jī)上的驗(yàn)證考核和裝機(jī)應(yīng)用。在航天領(lǐng)域，NASA馬歇爾航天飛行中心(NASA’sMarshallSpaceFlightCenterinHuntsville,Ala.)于2012年將選區(qū)激光熔化成形技術(shù)應(yīng)用于多個(gè)型號航天發(fā)動機(jī)復(fù)雜金屬零件樣件的制造。激光直接快速成形技術(shù)還常常被用于鈦合金零件或者模具的修復(fù)。

我國鈦合金結(jié)構(gòu)件激光直接快速成形技術(shù)的研究，從2001年開始一直受到政府主要科技管理部門的高度重視，在飛機(jī)、發(fā)動機(jī)等鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形制造工藝研究、成套裝備研發(fā)及工程應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)等方面取得了較大進(jìn)展。

北京航空航天大學(xué)激光材料加工制造技術(shù)實(shí)驗(yàn)室以飛機(jī)次承力鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件為對象，開展激光快速成形工程化應(yīng)用技術(shù)研究，先后制造出TA15鈦合金角盒近200件，完成了“激光快速成形TA15鈦合金結(jié)構(gòu)件在某型飛機(jī)上的裝機(jī)評審”，首件激光快速成形TA15鈦合金結(jié)構(gòu)件順利通過在某型飛機(jī)上的全部應(yīng)用試驗(yàn)考核，使我國成為繼美國之后世界上第二個(gè)掌握飛機(jī)鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件激光快速成形工程化技術(shù)并實(shí)現(xiàn)激光快速成形鈦合金結(jié)構(gòu)件在飛機(jī)上應(yīng)用的國家。

北京航空航天大學(xué)王華明主持的“飛機(jī)鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)”項(xiàng)目研制生產(chǎn)出我國飛機(jī)裝備中迄今尺寸最大、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的鈦合金等高性能難加工金屬關(guān)鍵整體構(gòu)件，并在我國大型飛機(jī)等多型飛機(jī)研制和生產(chǎn)中得到實(shí)際應(yīng)用，從而使我國成為目前世界上唯一突破飛機(jī)鈦合金大型主承力結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)并實(shí)現(xiàn)裝機(jī)應(yīng)用的國家。

相對于國內(nèi)的航空領(lǐng)域的研究應(yīng)用，目前激光直接快速成形技術(shù)在我國航天領(lǐng)域的應(yīng)用研究基本上還是處于起步階段。實(shí)際上，航天液體和固體火箭發(fā)動機(jī)難加工材料、復(fù)雜型面的結(jié)構(gòu)件及武器型號難加工材料輕質(zhì)防熱結(jié)構(gòu)件可以很好地采用選區(qū)激光熔化技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度加工。

采用激光直接快速成形技術(shù)制造航空航天用的整體鈦合金結(jié)構(gòu)件具有材料利用率高、加工余量小、周期短和柔性高等優(yōu)點(diǎn)。但激光快速成形過程中零件變形開裂預(yù)防，內(nèi)部質(zhì)量(內(nèi)部缺陷、晶粒及顯微組織等)及力學(xué)性能控制依舊是制約大型整體鈦合金關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件激光直接快速成形技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。

綜合所述，鈦合金精密熱成形技術(shù)在獲得不斷進(jìn)步的同時(shí)，也遇到了一些技術(shù)難題，大型整體鈦合金構(gòu)件的工程化應(yīng)用范圍還比較小，但隨著航空航天產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，鈦合金精密熱成形技術(shù)必定步入一個(gè)新的發(fā)展期，鑒于鈦合金和精密熱成形技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)，二者的結(jié)合在未來航空航天工業(yè)中的貢獻(xiàn)作用將更為顯著，今后其主要發(fā)展方向是：(1)大型或者超大型復(fù)雜(薄壁)結(jié)構(gòu)件的整體精密成形、低成本、工程化應(yīng)用;(2)計(jì)算機(jī)模擬(仿真)技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)、數(shù)控技術(shù)等與精密成形技術(shù)的結(jié)合，為航空航天新構(gòu)件的成形提供技術(shù)途徑。