国外航空航天领域钛合金制造技术研究应用新进展.pdf

5 3第5期|d fmfty 国外航空航天领域 钛合金制造技术研究应用新进展 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mantech 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 - 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 rah- 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。 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 北方科技信息研究所 胡晓睿 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、creare 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 201 . 10e e nsea nu a cturing e chnolog 6 d fmfty |3第5期 coverstory 封面故事 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 btp5000 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 5000mm 6000mm，y轴行程 2000mm，z 轴行程 1200mm，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 stc1250 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 stc1250 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。 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 1500 cm 3/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 f136 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third wave systems （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 advantedge fem 2d/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 ti64 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 e ensea nu ac turinge chnolog201 .10 h hp 3第5期|d fmfty 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。 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（5.79m1.22m1.22m） ； 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