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国外航空航天领域钛合金制造技术研究应用新进展

发布时间:2021-06-29 15:53:34 浏览次数 :

钛及钛合金具有比强度高、抗腐蚀性好和耐高温等一系列突出优点,能够进行各种方式的零部件成形、焊接与机械加工,可较好的满足飞机、航天器等装备对高强度和轻量化的要求,因此受到了国防工业的高度关注。美国国防部最新发布的《Ma nTech 战略计划》中,将钛粉末及钛合金加工技术等内容列为其在金属材料领域的重点发展方向之一。美国航空航天领域率先大量使用钛合金降低结构件重量。钛合金在武器装备上的应用量甚至已成为衡量一些武器系统先进性的一个重要指标。

武器装备中采用最多的是α-β型钛合金。如美国第四代战斗机F-22 的钛合金使用量占飞机结构重量的38.8%,F-35“闪电II”隐身战斗机钛结构重量约占飞机结构重量的25%,武装直升机Ra h -66 的钛用量占12.7%,航空发动机TF31 的钛用量占33%,阿波罗飞船钛用量达到1180kg 。

TC4钛合金板

随着钛合金用量的逐渐增大,复杂结构和大尺寸钛合金零部件的制造问题也越来越突出。如飞机发动机部件和机身主结构件等尺寸庞大,必须开发更大型的数控机床才能满足加工需求;又如钛合金因其固有特性导致切削加工性较差,刀具磨损严重, 因此需进一步优化钛合金加工工艺,并重视刀具的选择与运用;此外,钛合金本身价格昂贵,因此急需对传统的加工方法进行改进,开发既能够满足机械性能的要求,又能够大幅提高材料利用率的低成本制造技术。比如,在F-35 联合攻击机的制造过程中,洛马公司认为钛合金加工是其中重要的成本影响因素。这些挑战不断推动钛合金加工、成形、以及焊接等制造技术的快速发展。

目前, 国外航空航天领域钛合金工艺技术研发的热点主要集中在钛合金加工工艺创新与优化、新型焊接与成形工艺开发与应用研究, 以及复杂构件增材制造技术等方面,近年来新工艺新技术成果不断涌现,为解决上述钛合金加工与应用的难题,显著降低钛合金的应用成本,扩大钛合金在航空航天领域的应用范围提供了诸多技术途径。

1、钛合金低温加工技术取得突破

钛合金属于难加工材料,其特点是在加工过程中材料的强度不会因工件温升而降低,但刀具磨损严重。MAG IAS 公司、Cre are公司以及洛马公司等通过联合攻关开发出一种创新型低温钛合金加工主轴中心冷却和刀具中心冷却系统,可显著提高切削速度,延长刀具寿命,提高金属去除量,其液态氮(-321°F) 冷却系统可与微量润滑加工相结合, 以减 少刀具磨损及切屑粘着。蠕墨铸铁件加工测试结果表明,使用硬质合金刀具可使其切削速率提高60%,使用聚晶金刚石刀具则可提高4 倍, 若配合微量润滑技术则可将硬质合金刀具的切削速率进一步提高3 倍。该技术已完成测试和性能演示验证,并获批可用于F-35“闪电II”隐身战斗机以改进其经济可承受性和生产效率,在航空航天等需大量使用钛合金 材料的领域具有广泛应用前景。

2、大型钛合金加工设备性能不断优化

钛合金在飞机主结构件中的应用日益增多, 其中不乏发动机吊舱、高载荷机翼和机身部件等大尺寸结构件, 这也对加工设备提出了更高要求。瑞士斯达拉格海科特公司最新推出的BTP50 00是大型钛合金卧式数控铣床中的典型代表。该设备可专门用于大型航空航天钛合金结构件加工,最显著的特点是高刚性框架结构和高加工精度,其X轴行程500 0mm ~ 600 0mm,Y轴行程200 0mm,Z 轴行程1 200mm,能够完成钛合金结构件从粗加工到精加工的全过程。此外,该公司推出的由多台STC1 250 五轴卧式加工中心组成的柔性制造系统(FMS)也可圈可点。这种柔性制造系统一旦收到零件生产相关数据指令,就会对每台加工设备当前的作业量进行检查,从而以最合理的方式安排零件的生产任务,以适应不同零件不同批量的生产需求。BAE 系统公司在新建的钛加工厂的高度自动化的计算机集成制造系统中就采用了两套由8台STC12 50 加工中心组成的柔性制造系统,主要用于完成机身、垂直尾翼和水平尾翼等关键结构件的加工。

TC11钛合金棒

减少加工过程中震颤的产生也是当前提升钛合金加工机床性能面临的主要挑战。MAG 公司新推出的XTi 多主轴龙门式仿形数控铣床由于采用增大横梁的设计有效提高了机床的结构强度与刚性,减震性能卓越, 且创造了钛合金加工去除率的最新记录,代表了钛合金数控加工设备研发领域取得的重大突破。2012年,在将首批两台XTi5 轴数控铣床交付给航空动力国际(ADI)公司之前进行的测试中,钛合金的去除率达到15 00 cm3/min 。该仿形铣床各主轴上的旋转轴可以独立校准和控制,从而达到更高的加工精度,并简化安装。基于该设备在钛合金加工方面的优异性能,ADI公司表示,购入8 台这种新型5轴XTi 龙门仿形数控铣床后,其钛合金加工能力有望提高40%。

3、钛合金高速切削技术研究活跃

为提高钛金属切削去除率,实现F135 和F1 36 钛合金发动机组件的高效低成本加工,美国空军研究实验室与Th ird Wa ve Syst ems(TWS) 公司在小企业创新研究(SBIR)计划的支持下开展了相关研究。考虑到刀齿的轨迹频率、产生的热量和切削力之间存在一定关系,TWS 公司将高速切削( SM)技术和高频刀齿( FT )技术恰当的结合起来,并运用先进金属切削仿真软件Ad va n tEd g e FEM2D/ 3D 对这种加工方法进行模拟,验证在保持刀具寿命的同时将金属去除率提高1 倍的可行性。预计该技术的应用每年将为航空航 天工业节省数百万美元。

澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)也积极研究采用热辅助加工(TAM)技术实现联合攻击战斗机(JSF)中Ti64 的高去除率。该项目将对不采用任何润滑剂的干铣削进行研究, 并通过适当形状和功率的激光束在切削之前对工件的表面进行预加热。

首先通过研究分析确定了加工单元必须的工艺参数,对所选刀具在各种激光功率的条件下进行试验测试, 研究Ti6 4 的切削性能,并采用高速摄像机来研究金属切屑的构成与机理, 通过热成像摄像机获取所产生摩擦热的情况及其对切削过程的影响。这项研究揭示,在预加热温度合适的情况下,有可能实现钛合金高速铣削。

4、钛合金焊接工艺成果不断

先进的激光焊接工艺经验证已能够用于生产Ti64 近净成形构件。通过冶金学试验和初步的机械性能评估发现, 自动化激光焊接钛合金接头的机械性能与母材非常接近,并且获得这种等效性能的同时将重量增加控制在最低限度。

Ti64 的搅拌摩擦焊(FSW)工艺研发也取得了较大进展。针对不同材料厚度和接头结构开发了搅拌摩擦焊工艺。这种固相焊工艺能够较好的保持母材微观结构的完整性,而这种特性对于机身主要结构件非常关键。大型钛合金构件搅拌摩擦焊件制造的难点在于确定无缺陷接头的工装设计与工艺参数。初步的机械测试数据表明,钛合金搅拌摩擦焊对接接头的疲劳特性几乎可与母材相比。

除此以外, 英国焊接研究所(TWI)围绕钛合金等低导热性材料的固定轴肩搅拌摩擦焊技术进行了深入研究。研究目标是通过对此项工艺进行优化,改进热输入控制,实现高效、低能耗的工艺过程,获得高质量钛合金焊接接头;延长搅拌头的使用寿命,提高经济性;通过增强工艺稳定性、减少轴肩的反应力来提高柔性。研究重点包括验证并评估钛合金固定轴肩搅拌摩擦焊工艺,开发有效的焊接工艺流程,改进工艺参数、搅拌头的设计和材料选择,评估焊缝性能和工艺稳定性,以及搅拌头的性能和寿命周期等,并对这种技术的经济性进行评估。TWI还针对钛合金线性摩擦焊技术进行应用研发,目前该技术已用于航空航天零部件的近净成形,提高了材料利用率,降低了制造成本。

钛环

5、增材制造技术受到航空航天工业的高度关注,应用范围迅速扩展

经过近10余年的飞速发展,增材制造技术的应用已经不仅停留在“ 非致密”的模具或样件的制造阶段, 而是加速向“ 致密”的高性能最终产品制造转移,可实现零部件的外形、装配和功能,尤其是金属件的生产。这项技术解决了许多过去难以实现的复杂结构零件制造问题,且结构越复杂,其在提升生产效率、产品质量等方面的效果越显著。

对于目前钛合金最大的应用领域而言,航空航天工业无疑对该技术给予了最广泛和迫切的关注,并将其作为未来最重要、最具有战略意义的制造技术重点发展。目前已有包括波音、洛克希德马丁、美国航空航天局(NASA)在内的多家大型军工企业和领先机构采用增材制造技术用于武器装备制造,并取得重大进展。波音公司已经在包括F-15、F-18 等

军用航空发动机在内的个产品平台中应用了多个通过增材制造技术成形的零部件;西亚基公司采用电子束增材制造成形了目前世界上尺寸最大的钛合金翼盒(5.7 9m×1.2 2m×1 .22m);GE在发动机制造中采用激光增材制造技术制造长1.22m 的钛合金零件,使每台发动机节省成本2 .5万美元;MER 公司采用等离子转移弧(PTA)增材制造技术为飞机

零部件制造商势必锐宇航系统公司成功生产出测试用Ti64 薄板坯板料,用于对采用PTA 工艺制造的飞机构件进行评估;NASA采用激光增材制造技术成形下一代重型火箭(SLS)的复杂金属零部件,将制造周期从数月缩短至数周甚至是数天,且由于焊缝数量减少,使结构强度和可靠性更高, 整个火箭也更加安全;NASA兰利研究中心开发的电子束自由成形技术(EBF3)工艺不仅能用于飞机结构件设计和低成本制造,也为宇航员在国际空间站或月球或火星表面加工备用件和新型工具提供了一种便捷的途径。

小结

钛合金因其独特的性能优势成为航空航天工业实现装备轻量化、高可靠、高性能、长寿命的最理想的结构材料选择。航空航天工业是钛合金最大的应用领域,其持续发展需求对钛合金制造技术不断提出新的挑战。系统、深入的研究钛合金制造技术, 破解钛合金加工难题, 积极探索新的钛合金制造方案, 降低钛合金加工成本, 对于航空航天工业未来发展意义重大。

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