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精英人物合作互赢 实现航天技术大飞跃合作互赢 实现航天技术大飞跃访北京航空制造工程研究所 航空发动机工艺研究室主任李晓红女士作者：文章来源：点击数：566发布时间：2010-12-20新浪微博QQ空间人人网开心网更多航空发动机工艺研究室主任李晓红女士中航工业制造所是国内惟一专门从事航空制造技术和专用设备开发的综合性工艺研究所。其中树脂基复合材料技术、特种焊接技术、数字化柔性装配技术、高能束流加工技术、金属成形技术等构成了航空制造技术的基础，其成果绝大部分居国内领先地位，有些达到国际先进水平;拥有国内实力最强的集激光、电子束与等离子束为一体的高能束流加工技术国防科技重点实验室，航空连接重点实验室和航空数控制造技术重点实验室，树脂基复合材料构件制造技术研究开发中心以及国内首家准生产型科技北京柔性制造系统实验中心等。李月悦MM：请为我们简单介绍一下目前研究所的研发重点，在国家多个航天计划中，贵研究所主要参与了哪些研发工作?李晓红女士：长期以来，我所主要面向航空航天等武器装备制造领域，开展相关制造技术的重点研发工作，逐步建立了以特种焊接技术、高能束流加工技术、树脂基复合材料技术、金属成形技术等具有航空航天特色的先进制造技术体系。其中，在特种焊接技术研究方面一直处于国内领先地位，拥有高能束流加工技术国防科技重点实验室和航空连接重点实验室，研究工作包含钛合金、高温合金和不锈钢等材料的先进弧焊、电子束焊、激光焊、等离子焊以及钎焊和扩散焊、摩擦焊等，大部分成果已经应用于航空航天产品制造。2008年我所参与了我国“飞天”舱外航天服主体结构研制，承担了包括宇航服背包、挂包、头盔和气瓶等关键部件的研制任务，突破了航天服薄壁复杂整体焊接结构的精密焊接和接口尺寸控制等多项关键技术，满足了 “神七”飞行任务的需求，填补了国内空白，达到了国际先进水平。MM：一直以来，航空航天新材料焊接的研究和应用都是科研人员关注的重点，请为我们简单介绍一下目前的应用情况。李晓红女士：新一代航空和航天武器装备结构中采用了越来越多的新材料。这些新材料中，应用比较典型的有钛合金及其化合物、高温合金和复合材料等。钛合金具有低密度、高比强度、优异抗蚀性能以及可设计性强等优点，已经成为新一代飞机结构的主导材料之一。钛合金焊接结构在飞机机身和发动机中得到了广泛应用，其焊接方法包括氩弧焊、电子束焊、激光焊和钎焊、扩散焊、摩擦焊等。钛铝基金属间化合物(Ti3Al和TiAl)不但具有密度低、比强度高等特点，同时也具有良好的高温强度、抗蠕变和抗氧化性能，是一种极具应用前景的新型高温轻质材料，有望在航空和航天发动机的某些高温机匣结构中逐步取代镍基高温合金材料。然而钛铝基金属间化合物合金熔焊工艺性较差，焊缝和热影响区容易脆化，焊接冷裂敏感，因此控制冷速是该类材料熔焊工艺关键。目前钛铝基金属间化合物材料比较成熟的焊接工艺主要采用钎焊和扩散焊方法。定向凝固高温合金、单晶高温合金、粉末高温合金等新一代耐热镍基高温合金，具有更高的耐热性能，用于制作高压涡轮工作叶片和导向叶片，主要采用钎焊、扩散焊、摩擦焊等工艺。复合材料包括了金属基复合材料、陶瓷基复合材料、C/C复合材料、树脂基复合材料等类型，近年在航空和航天领域的应用范围日益广泛，针对复合材料的焊接技术几乎涵盖了所有焊接方法，因此势必成为未来新材料焊接的研究热点。MM：由于社会的飞速发展，特种材料的连接应用范围在不断扩大，材料连接技术要求也在不断提高，新型或特种材料及异种材料构件的连接也成为大家关注的重点，请为我们介绍一下相关焊接技术。李晓红女士：随着新型及特种材料焊接结构应用范围的扩大，与之相适应的焊接技术也陆续取得了一系列进展。简要介绍几项值得关注的技术：活性焊剂焊接技术、搅拌摩擦焊技术、线性摩擦焊技术、激光焊接技术及金属蜂窝钎焊技术等。活性焊剂焊接技术是一种新的弧焊技术，具有增加焊缝熔深，降低焊接热输入量，消除钛合金焊接气孔等优点。我所相继开发了针对钛合金和不锈钢材料的活性焊剂系列产品，目前已经在压力容器、石油管道以及航空、航天钛合金构件制造中获得应用。搅拌摩擦焊技术是轻合金材料连接方面极具前景的连接技术，国外已经将之应用于新型飞机、大型客机和运载火箭等飞行器构件焊接，为航空航天金属工业产品的设计和制造提供了全新方法。我所和英国焊接研究所合作成立了中国搅拌摩擦焊中心，加速了搅拌摩擦焊技术在中国的发展、推广和应用。截止当前，我所已为航天客户提供了6个系列的大型搅拌摩擦焊设备和相应的技术解决方案。目前，正在针对航天大直径运载火箭筒体结构、大型飞机机身结构、地板结构的搅拌摩擦焊制造等方面展开全面技术研究和工程攻关。线性摩擦焊技术是针对叶盘结构制造、修理发展起来的一种先进摩擦焊技术，是第四代航空发动机研制中的整体叶盘的叶片与轮盘关键连接技术。该技术应用于整体叶盘制造可以明显地减少制造周期，同时具有工艺简单、成本低、综合性能高的特点，有着广阔的应用前景。R?R和MTU公司从2000年开始用线性摩擦焊加工EJ200的13级风扇盘。PW公司也采用线性摩擦焊加工F119的带有空心叶片的I级风扇叶盘以及风扇2、3级，压气机1、2级的叶盘以及风扇2、3级，压气机1、2级的叶盘。此外，线性摩擦焊还用于F120的1级风扇叶盘、JSF升力风扇叶盘和JSF119的风扇叶盘的焊接。我所已经将线性摩擦焊技术应用于整体叶盘制造的预先研究，实现了低碳钢、高温合金和钛合金的有效连接，但仍需要深入的试验研究工作。激光加工技术是21世纪重要的先进制造技术之一。国外已经在飞机机身的制造中广泛采用激光焊接代替铆接结构，可以减轻结构重量，提高结构质量，如A330/340飞机壁板的蒙皮与筋条的连接就采用双束激光填丝焊接技术，不仅可以节省材料，降低成本，而且大大减轻了飞机的结构重量。我所针对航空零件开展激光焊接研究工作，包括钛合金激光焊、双光束激光填丝焊、激光电弧复合焊接等研究，部分成果已经在航空产品中获得应用。金属蜂窝夹层结构制造是钎焊技术的一个重要应用领域。金属蜂窝夹层结构具有重量轻，比强度、比刚度高，消音，隔热以及减震、防潮等优异性能，可以作为飞行器重要机身结构件。目前国外多个类型战斗机的发动机舱门、短舱和发动机机尾罩等均采用了钛合金、不锈钢以及高温合金蜂窝夹层结构。我所针对发动机和飞机的相关结构需求相继进行了蜂窝轻量化结构以及热保护结构等的研究，部分成果已经在新型号中得到应用。MM：在航空航天设备生产过程中，许多结构件需要采用焊接技术，其在焊接过程中主要面临的问题有哪些?如何解决?李晓红女士：航空发动机构件多采用焊接结构，目前针对这些结构的焊接仍存在着一些待需解决的问题，主要表现为：1. 新材料的焊接基础研究薄弱。新一代镍基高温合金、高温钛合金、钛铝基合金等材料逐渐成为航空发动机主要结构材料，然而这些材料普遍具有焊接裂纹敏感性高特点，需要更为苛刻的焊接工艺作为保证。目前针对这些新材料的焊接性、焊接裂纹机理以及相应基础焊接工艺研究尚需开展大量研究工作。2. 薄壁复杂构件的焊接变形问题。焊接应力和变形控制是焊接领域的永恒话题。我所在降低和消除薄壁构件的焊接应力和变形方面开展了大量研究工作，相继开发了预置温度场焊接技术、动态低应力焊接技术以及焊后滚压技术等降低和消除焊接应力和变形的方法。但针对复杂薄壁结构的焊接应力和变形控制一直是难题，还需针对实际薄壁构件应力变形控制技术开展系统的工程化应用做进一步研究。3. 熔焊接头的焊接区晶粒粗大问题。熔焊接头区为晶粒粗大的铸造组织，往往成为结构失效源。如何改善焊接接头组织也是长期存在的焊接难题。现有的解决方法有改善焊接热输入、改变熔池流动状态以及添加形核剂等方法，取得了一定效果，但仍需要在技术的工程化应用方面开展深入研究工作。另外，目前的焊接资源过于分散，利用效率较低，如何通过建立统一的焊接资源数据平台，提高资源的有效利用率，也是未来需要解决的重要问题。MM：贵公司与英国和俄罗斯各焊接研究所都建立了良好的合作关系，并致力于先进焊接技术应用研究方面的合作和交流，能否结合实际生产对相关技术做进一步的介绍?李晓红女士：我所与英国焊接研究所(TWI)、俄罗斯航材院以及乌克兰巴顿焊接所等国外知名研究机构保持长期良好的合作关系。在先进焊接技术方面，相继进行了飞机钛合金焊接壁板制造技术、搅拌摩擦焊技术、航空发动机涡轮叶片修复技术等多个合作项目。我所与英国焊接研究所共同申请了欧盟玛丽?居里项目：低应力无变形焊接技术工业化应用研究。该研究针对欧洲国家材料不锈钢、铝合金等，进行低应力无变形焊接方法的应用研究，储备了该技术应用的材料范围，扩大了该技术对不同材料、不同结构的应用范围，从而为在欧洲推广该技术奠定了技术及市场基础