在(zai)飞(fei)机(ji)及发动(dong)机(ji)结构(gou)中,承(cheng)力、传(chuan)力(li)结构(gou)的(de)重(zhong)要件和(he)关键零件(jian)一般需要进行(xing)锻(duan)造⑴。航空钛(tai)锻件(jian)在(zai)锻压行(xing)业中属于(yu)技术(shu)含量(liang)最(zui)高、质量(liang)要求(qiu)最(zui)严、价格最为昂贵的(de)一(yi)类(lei)锻(duan)件(jian)⑷。其中大(da)型航空锻件所(suo)用(yong)材料和(he)成(cheng)形(xing)技术是彰显(xian)国(guo)家综(zong)合国力(li)的(de)标志(zhi)之一。
1、大型航(hang)空(kong)锻(duan)件材料应用现(xian)状(zhuang)
航空锻件(jian)一般(ban)选用高比(bi)强(qiang)度(du)、比刚(gang)度的(de)材(cai)料,大型(xing)航空锻件(jian)用材料(liao)主要包(bao)括(kuo)钛合金(jin)、超高(gao)强度钢(gang)、铝合金(jin)三(san)大(da)类(lei)。
1.1 大(da)型(xing)航(hang)空锻件(jian)用(yong)钛(tai)合金
钛(tai)合金由于(yu)其高(gao)比强度(du)、比刚度(du)、耐蚀(shi)性(xing)等(deng)优异(yi)性(xing)能(neng)，在(zai)航(hang)空工业(ye)得到(dao)了(le)广泛的应(ying)用，对飞机(ji)结(jie)构(gou)减(jian)重(zhong)和零(ling)件(jian)的使用(yong)寿命(ming)提高都(dou)有显著(zhu)效(xiao)果(guo)⑶。特别是(shi)对(dui)于军用飞机，一(yi)些(xie)重要的结(jie)构部件(jian)如(ru)翼梁(liang)、隔(ge)框、起落(luo)架等(deng)广(guang)泛采(cai)用钛合(he)金锻(duan)件(jian)加(jia)工(gong)而成，单件(jian)重量高(gao)，尺(chi)寸和(he)截(jie)面积(ji)大(da)。例如(ru)波音B747飞(fei)机(ji)主(zhu)起落(luo)架支架(jia)梁(liang)8个(ge)件号采(cai)用(yong)TibAbV钛(tai)合金锻(duan)件，单件(jian)重(zhong)1724kg,长度(du)6.2叫投(tou)影面(mian)积4.1m2。空客(ke)A380飞机两(liang)个六(liu)轮(lun)三轴小车(che)式主起落(luo)架(jia)载(zai)重(zhong)梁(liang)采用Ti-1023钛合(he)金锻(duan)件(jian)，长4.255m，重(zhong)量(liang)3210kg。美国洛(luo)克(ke)希(xi)德公司(si)研(yan)发(fa)的第四(si)代(dai)战(zhan)斗机(ji)F22隔框(kuang)采(cai)用(yong)TibAobVELI锻(duan)件(jian)，单件(jian)重量达771kg以(yi)上(shang)，投(tou)
影面积4.06m?⑷。目(mu)前航(hang)空(kong)用(yong)钛合(he)金(jin)主(zhu)要(yao)牌号有(you)TC4、TC18、TC21、TA15、TB6(美Ti-1023合(he)金(jin))等。其(qi)中(zhong)TC18由(you)于淬(cui)透(tou)性(xing)最大，适合(he)制(zhi)造(zao)大型(xing)锻件(jian)，目前国(guo)内应(ying)用最多(duo)。俄罗(luo)斯根据波(bo)音和(he)空(kong)客(ke)等民机需(xu)求(qiu)，在(zai)TC18合金(jin)基(ji)础(chu)上,通过降低(di)易偏(pian)析元素Fe的(de)含(han)量，开发了(le)Ti-55531钛合(he)金(jin)。Ti-55531强度(du)较(jiao)高,而且具有(you)优越(yue)的(de)淬(cui)透(tou)性(xing)和更宽的加(jia)工窗(chuang)口,目(mu)前已(yi)在A380飞机吊挂接头(tou)和(he)起落(luo)架(jia)支(zhi)柱等零件(jian)上(shang)使(shi)用(yong)，国(guo)内(nei)C919飞机也开(kai)展(zhan)了国产(chan)材(cai)料(liao)研制(zhi)工(gong)作(zuo)，国内重型直升机也(ye)正(zheng)在利(li)用此材料(liao)研(yan)发大(da)型直(zhi)升机(ji)桨(jiang)毂(gu)中(zhong)央(yang)件(jian)。目(mu)前收集(ji)到(dao)的数(shu)据表(biao)明(ming):Ti-55531与TC21、TC18相比，抗拉(la)强度较(jiao)高(gao)，塑性(xing)和断(duan)裂韧(ren)性(xing)较(jiao)低，但(dan)Ti-55531在(zai)=11MPa-条(tiao)件下的(de)抗裂纹扩展能力明显优于TC21和TC18合金(jin)，说明(ming)其裂纹萌(meng)生(sheng)寿命(ming)较(jiao)长(zhang)，疲(pi)劳极限较高(gao)，适合(he)长寿(shou)命设(she)计(ji)。
1.2 大型(xing)航空锻(duan)件用超高强(qiang)度(du)钢(gang)
室(shi)温(wen)条件(jian)下(xia)抗拉(la)强度大于1400MPa、屈服强(qiang)度大于1200MPa的钢(gang)称(cheng)为(wei)超(chao)高强(qiang)度钢(gang)，通常(chang)还(hai)要求具有良好的塑(su)韧(ren)性(xing)、优异(yi)的疲(pi)劳性能、断(duan)裂(lie)韧(ren)性和(he)抗应力腐(fu)蚀(shi)性能。航空(kong)用超高强(qiang)度钢主要用(yong)于(yu)起(qi)落架(jia)、传(chuan)动(dong)齿(chi)轮、主(zhu)轴(zhou)承(cheng)和对接螺栓等关(guan)键构件(jian)⑹。中国于20世纪(ji)50年代初(chu)研制成功(gong)30CrMnSiNi2A超(chao)高强度(du)钢，抗拉(la)强度(du)为(wei)1700MPa。20世(shi)纪(ji)70年(nian)代初(chu)，结合(he)中国(guo)资(zi)源(yuan)条件，研制(zhi)成(cheng)功(gong)32Si2Mn2MoVA和(he)40CrMnSiMoVA钢(gang)。1980年以来，从(cong)国外引进新(xin)技术(shu)，采(cai)用(yong)真空(kong)冶炼(lian)新(xin)工艺，先(xian)后研(yan)制(zhi)出34SMMnCrMvVA(406A)、35CrNMMoA、40CrNMSiMvVA(300M)和(he)18Ni马(ma)氏(shi)体时(shi)效钢(gang)。超高(gao)强度(du)钢的(de)研发为(wei)中(zhong)国航空(kong)工业发(fa)展(zhan)打下(xia)了坚(jian)实(shi)基础(chu)⑷。随着(zhe)超高(gao)强度钢的不(bu)断(duan)研究(jiu)发展(zhan)，大(da)型航(hang)空(kong)锻件用(yong)超高(gao)强度(du)钢主(zhu)要(yao)有(you)以下几个(ge)发(fa)展方向：
(1)2200MPa级以上(shang)超(chao)高强(qiang)度钢(gang)。在(zai)保(bao)证强度(du)的(de)前提下,塑(su)性、韧(ren)性(xing)、疲劳性(xing)能(neng)、裂(lie)纹扩(kuo)展速(su)度(du)和抗应(ying)力(li)腐(fu)蚀(shi)等综合(he)性(xing)能优于广(guang)泛应用的(de)300M钢(gang)水(shui)平。(2)超(chao)高强(qiang)度不(bu)锈钢(gang)，作(zuo)为下一代舰载(zai)飞(fei)机起(qi)落(luo)架(jia)的(de)备选材(cai)料。(3)低(di)成本(ben)超高(gao)强度(du)钢，用(yong)于性能要(yao)求(qiu)不高(gao)的场合,例(li)如(ru)民用飞(fei)机、大型无人机等(deng)。
1.3 大型(xing)航空锻(duan)件(jian)用(yong)高(gao)强度(du)铝合金(jin)
铝(lv)合金(jin)由(you)于(yu)具有(you)密度低(di)、比(bi)强度高、耐(nai)腐(fu)蚀(shi)性好、塑(su)性(xing)和(he)加(jia)工性(xing)能好、成本(ben)低等(deng)一系列(lie)优点，在航(hang)空方(fang)面一(yi)直(zhi)是飞(fei)机机体结构(gou)的(de)主(zhu)要(yao)材(cai)料之一岡(gang)。当今世界(jie)各(ge)国航(hang)空(kong)锻件(jian)用铝(lv)合(he)金(jin)主(zhu)要是2XXX系(2024、2224、2324、2424、2524等(deng))和(he)超高(gao)强(qiang)度系的7XXX系(xi)(7075、7475,7050,7150,7055、
7085等)o2XXX系铝(lv)合(he)金属于Al-Cu-Mg系合(he)金(jin),被称为高(gao)强度硬铝，是用途(tu)最(zui)广泛的铝(lv)合(he)金(jin)之一(yi)，抗(kang)拉强(qiang)度(du)为(wei)400~500MPa,比7XXX系铝合金的室(shi)温(wen)强度(du)低(di)，但(dan)耐热性(xing)、疲(pi)劳(lao)特(te)性(xing),特(te)别(bie)是抗疲劳裂(lie)纹(wen)扩(kuo)展性(xing)都优于7XXX系(xi)铝(lv)合金。典(dian)型(xing)代(dai)表2124广(guang)泛(fan)应(ying)用(yong)于(yu)F22、F35的主体(ti)结构。7XXX系铝(lv)合金(jin)属(shu)于(yu)Al-Cn-Mg-Cu系合金(jin)，这类(lei)合(he)金具有(you)高的比强度(du)和硬度(du)、较好的耐(nai)蚀(shi)性(xing)和(he)较(jiao)高的韧性(xing)、优良的(de)加(jia)工性(xing)能(neng)。典(dian)型代表是(shi)7050铝合金，在大(da)型航(hang)空锻(duan)件(jian)方面主(zhu)要用(yong)于加(jia)强(qiang)框(kuang)、承(cheng)力梁及(ji)接(jie)头等主承(cheng)力结构⑼。我国(guo)通过微合金化以及(ji)热处理制度(du)等方式(shi)研制了7A85铝(lv)合(he)金(jin)，与(yu)国(guo)外7085铝(lv)合金(jin)性(xing)能(neng)相(xiang)当。
7A85铝合金较7075、7175、7050合金(jin)大(da)幅(fu)度提高(gao)了(le)Zn的(de)含(han)量，降低Mg的含(han)量，并对(dui)Fe、Si等(deng)杂质(zhi)元(yuan)素(su)含(han)量进(jin)行了严(yan)格(ge)的控(kong)制(zhi)，使得(de)7A85合(he)金在保(bao)持较高(gao)强(qiang)度(du)水(shui)平(ping)下(xia)，还具(ju)有(you)韧性好(hao)、疲(pi)劳(lao)强度(du)高(gao)和抗(kang)应力(li)腐蚀性(xing)能(neng)好(hao)等优良(liang)综合(he)性能(neng)。与7050M7452锻(duan)件比(bi)较(jiao),7A85锻件(jian)具(ju)备了更高(gao)的(de)淬(cui)透性(xing)，淬透层深(shen)度(du)可达(da)到(dao)305mm,而7050淬透层厚度(du)为203mm,更适合(he)制(zhi)造厚大截面航(hang)空(kong)零件。国(guo)外7085合(he)金(jin)已(yi)在(zai)大(da)型(xing)民用(yong)飞机A380客(ke)机(ji)的机翼(yi)主(zhu)梁、肋(le)等(deng)结(jie)构(gou)获得成(cheng)功(gong)应(ying)用(yong)，该(gai)机翼主(zhu)梁(liang)长(zhang)6.4m、宽(kuan)1.9叫(jiao)重达3.9t,是(shi)目前世(shi)界上最大(da)的铝合金(jin)锻(duan)件(jian)之一。
2、大型航(hang)空锻(duan)件成形(xing)技术应(ying)用(yong)现(xian)状(zhuang)
大型(xing)航(hang)空(kong)锻件(jian)成形(xing)技术(shu)主要包括(kuo)等温锻(duan)造、多向锻(duan)造(zao)和普通(tong)热模(mo)锻(duan)锻(duan)造(zao)「冋。因等(deng)温锻(duan)造、多向(xiang)锻造(zao)受(shou)外(wai)部(bu)客(ke)观约束条(tiao)件较(jiao)多(duo),未在国内广(guang)泛(fan)应(ying)用(yong)，因此(ci)，本(ben)文(wen)主(zhu)要介绍普(pu)通热模(mo)锻(duan)锻(duan)造(zao)技术。
20世纪(ji)60年代至90年代,国(guo)内主要设备为(wei)锤击设(she)备，如1MN对(dui)击锤(chui)、0.4MN对(dui)击锤、0.16MN锤(chui)、0.10MN锤、0.05MN锤(chui)等(deng)⑴］,围绕(rao)设备(bei)原(yuan)锻造主要是靠(kao)传统(tong)经验及试错(cuo)方式(shi)进行生产(chan)分(fen)段锻件(锻(duan)件长(zhang)度(du)不超(chao)2m,投影面(mian)积小(xiao)于0.7m),即(ji)设(she)计(ji)1套模(mo)具靠(kao)多(duo)火次小变(bian)形来(lai)制造(zao)锻(duan)件，首批试(shi)制(zhi)如成(cheng)形(xing)不足(zu)和(he)性能不满足(zu)要(yao)求(qiu)，再(zai)通(tong)过(guo)修(xiu)模进行二次或(huo)多次试制(zhi),直到(dao)满足(zu)要(yao)求(qiu)为(wei)止,该(gai)方式锻件余(yu)量大、制造周期长(zhang)、制造(zao)成(cheng)本(ben)高(gao)。进(jin)入(ru)21世纪(ji)，国内(nei)出(chu)现(xian)以800MN大(da)型模锻压(ya)机为代(dai)表(biao)的(de)大型锻压(ya)设(she)备,同(tong)时(shi)配合数(shu)值(zhi)模拟(ni)技术,锻造(zao)技(ji)术进入(ru)快(kuai)速创(chuang)新(xin)迭代阶段,锻造(zao)技术(shu)进入(ru)“可预(yu)测、可创新、可(ke)重复、可(ke)追溯”四可阶(jie)段，即(ji)技(ji)术人(ren)员(yuan)用(yong)可控压机(ji)设(she)备(bei)和数值(zhi)模(mo)拟(ni)软件(jian)可提前(qian)预测(ce)锻(duan)件成形和(he)组(zu)织性(xing)能预(yu)判,精(jing)化(hua)锻(duan)件余(yu)量，缩短了(le)生产周期(qi)，降(jiang)低了(le)制(zhi)造(zao)成(cheng)本(ben)，并(bing)进(jin)一步提(ti)高了(le)锻件质量氏。形(xing)成(cheng)了短流(liu)程(cheng)绿(lv)色(se)形(xing)性(xing)协同成形(xing)技(ji)术，并(bing)取(qu)得(de)了(le)一(yi)系列关(guan)键核心技术。
(1) 提(ti)出了(le)超大(da)规(gui)格钛(tai)合(he)金整(zheng)体锻(duan)件(jian)短流(liu)程(cheng)
模(mo)锻成(cheng)形(xing)工(gong)艺新思路(lu):以(yi)组(zu)织缺陷抑制(zhi)与(yu)均(jun)匀(yun)流(liu)变(bian)的制造(zao)能场为边(bian)界条(tiao)件(jian),采(cai)用(yong)整(zheng)体(ti)化(hua)设计及(ji)多套模(mo)具(ju)工装制造,整体(ti)框锻坯采(cai)用(yong)短流(liu)程(cheng)制造，将(jiang)传统制(zhi)造的锻坯(pi)火(huo)次大大减少(shao)，火次减(jian)少50%左(zuo)右(you)，见图1。
(2) 研(yan)发出(chu)钛(tai)合金(jin)锻件保(bao)温(wen)及(ji)控温(wen)分(fen)流(liu)成(cheng)形
技术(shu)、大型(xing)整(zheng)体锻(duan)件(jian)挤(ji)压(ya)扩(kuo)孔(kong)降(jiang)压成形(xing)技术(shu)、锻(duan)件(jian)局(ju)部变形(xing)死(si)区(qu)改(gai)善(shan)及变形(xing)均(jun)匀(yun)分配技术(shu)、大型(xing)简(jian)易制造绿(lv)色(se)长(zhang)寿(shou)命堆(dui)焊模(mo)具(ju)，发明毛坯制坯(pi)件(jian)外(wai)形简化(hua)设(she)计(ji)匹(pi)配(pei)模(mo)锻变(bian)形控制(zhi)技术(shu)。
(3) 大型(xing)整(zheng)体(ti)锻件挤压扩孔降(jiang)压成(cheng)形技(ji)术(shu)
通过(guo)优(you)化(hua)设(she)计(ji)制坯(pi)件，降低制坯(pi)件内(nei)孔(kong)连皮、外廓飞(fei)边(bian)材料(liao)消(xiao)耗，并(bing)匹配(pei)制(zhi)坯件(jian)和(he)预(yu)锻(duan)件，巧妙运(yun)用“力(li)的分(fen)解(jie)”，实(shi)现(xian)在预锻压制初始(shi)阶段制坯(pi)件(jian)心与(yu)预(yu)锻模具(ju)中&接(jie)触时(shi)，产生水平(ping)分力，该力(li)挤压(ya)推(tui)动整体框制坯(pi)件(jian)孔部快速向外侧整体(ti)移(yi)动(dong)，内孔高效扩(kuo)孔；预锻压(ya)制后期阶(jie)段(duan)再(zai)通(tong)过(guo)压(ya)薄(bao)制(zhi)坯件乩进一步提(ti)供(gong)坯(pi)料(liao)，保证预锻(duan)件充(chong)满(man)成形(xing)。最(zui)终(zhong)实(shi)现(xian)料工比由2~2.5降低至1.6~2.1，提高每(mei)火次的(de)变(bian)形量(liang)及(ji)变(bian)形(xing)均(jun)匀(yun)性、过(guo)程的可控性
和(he)一(yi)致性，成(cheng)型示意图(tu)见图2。
(4) 锻件(jian)局(ju)部变形(xing)死(si)区(qu)改(gai)善(shan)及(ji)变形(xing)均匀(yun)分(fen)配(pei)
技术:通(tong)过在(zai)预制坯件上下表(biao)面或(huo)工(gong)装(zhuang)模具中设计(ji)R凹槽、点阵凹槽(cao)、凸(tu)R体、波(bo)浪(lang)型(xing)等辅助(zhu)结(jie)构,可改善(shan)锻(duan)件表面(mian)变形(xing)死区,提(ti)高锻(duan)件(jian)表层变(bian)形(xing)量(liang)与(yu)锻(duan)件变形均(jun)匀性(xing)，锻(duan)件本(ben)体(ti)应变(bian)由0.1~0.6变(bian)为(wei)0.2-0.4，保(bao)证了(le)锻(duan)件组(zu)织(zhi)性(xing)能(neng)均匀(yun)性，改善(shan)前后示(shi)意图(tu)见图3、图4。由(you)图(tu)可(ke)见(jian)，改(gai)善前(qian)变形(xing)不(bu)均(jun)匀(yun)，表(biao)面(mian)变形小(xiao)，心部变(bian)形(xing)大;改(gai)善后(hou)表面到(dao)心(xin)部变形均匀。
3、结语
大型航(hang)空钛(tai)合(he)金锻(duan)件(jian)中(zhong)有(you)相当(dang)数量的关键零(ling)件,例如飞(fei)机主起(qi)落架(jia)、起(qi)落架活塞套(tao)筒(tong)、飞(fei)机(ji)大(da)梁(liang)等,都(dou)是(shi)关(guan)系飞机可靠(kao)性与寿命(ming)的(de)重要(yao)零(ling)件,必(bi)须(xu)严格控制材料质量(liang)和(he)锻(duan)造(zao)工艺。因(yin)此(ci)，必须根据(ju)不同(tong)材料特点(dian),结(jie)合企业锻造设备能(neng)力的(de)实(shi)际情况(kuang),开发出相适应(ying)的(de)锻造工(gong)艺(yi)，并与(yu)飞机(ji)的特(te)定(ding)需(xu)求相结(jie)合,才(cai)能(neng)发(fa)挥(hui)出(chu)最大(da)的(de)技(ji)术优势(shi)，助(zhu)力中(zhong)国航空(kong)工业的发展。
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