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⑴。航空鈦鍛件在鍛壓行業(yè)中屬于技術(shù)含量最高、質(zhì)量要求最嚴(yán)、價格最為昂貴的一類鍛件⑷。其中大型航空鍛件所用材料和成形技術(shù)是彰顯國家綜合國力的標(biāo)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⑶。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TibAbV鈦合金鍛件，單件重1724kg,長度6.2叫投影面積4.1m2。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TibAobVELI鍛件，單件重量達771kg以上，投
影面積4.06m?⑷。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=11MPa-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1400MPa、屈服強度大于1200MPa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⑹。中國于20世紀(jì)50年代初研制成功30CrMnSiNi2A超高強度鋼，抗拉強度為1700MPa。20世紀(jì)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)2200MPa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(dāng)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)o2XXX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400~500MPa,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)。7XXX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)⑼。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(dāng)。
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(yán)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305mm,而7050淬透層厚度為203mm,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6.4m、寬1.9叫重達3.9t,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「冋。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(jì)60年代至90年代,國內(nèi)主要設(shè)備為錘擊設(shè)備，如1MN對擊錘、0.4MN對擊錘、0.16MN錘、0.10MN錘、0.05MN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2m,投影面積小于0.7m),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(jì)，國內(nèi)出現(xiàn)以800MN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凹槽、點陣凹槽、凸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)?.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
大型航空鈦合金鍛件中有相當(dāng)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(yán)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。
參考文獻
[1]彭玲玲.航空工業(yè)需要協(xié)調(diào)發(fā)展—訪中國工程院院士馮培德[J].中國科技獎勵，2011(10)：33-34.
[2]李鳳梅，王樂安.大型模鍛件與航空工業(yè)[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2011(8):43-45.
[3]蔡建明.我國鈦合金材料及鍛件的研究與發(fā)展(上)[J].鍛造與沖壓，2020(11):20-27.
[4]金和喜，魏克湘，李建明，等.航空用鈦合金研究進展[J].中國有色金屬學(xué)報，2015,25(2):280-290.
[5]聶宏，魏小輝.大型民用飛機起落架關(guān)鍵技術(shù)[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2008(4):427-432.
[6]胡春東，孟利，董瀚.超高強度鋼的研究進展[J].材料熱處理學(xué)報，2016,37(11)：178-182.
[7]趙博，許廣興，賀飛，等.機起落架用超高強度鋼應(yīng)用現(xiàn)狀及展望[J].航空材料學(xué)報，2017,37(6):1-6.
[8]李成功，付志恒，于翹.航空航天材料[M].北京：國防工業(yè)出版社，2002.
[9]劉兵，彭超群，王日初，等.大飛機用鋁合金的研究現(xiàn)狀及展望[J].中國有色金屬學(xué)報，2010,20(9):1705-1715.
[10]張方，竇忠林，鄒彥博.航空鍛造技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].航空制造技術(shù)，2015(7):60-63.
[11]蔣鵬.我國鍛造技術(shù)裝備60年的進步與發(fā)展(上)[J].金屬加工(熱加工)，2010(11):1-4.
[12]劉民德.國產(chǎn)大型航空模鍛件挺進國際市場[J].中國設(shè)備工程，2019(24):4.
相關(guān)鏈接
