钛合金3-钛合金加工工艺.doc

钛合金的加工工艺钛合金有着与钛金属类似的大气高温污染（吸收氢氧氮）、强度高导致的刀具寿命短、导热性差导致的粘刀等等一系列麻烦。此外，热加工带来的金属相不均匀，晶粒粗大，残余应力，等等，也是钛合金热加工的难题。因此，工业纯钛和钛合金基材，在国际上基本是自由贸易（这与高性能碳纤维复合材料的禁运有很大的差异。详情见拙文浅析碳纤维复合材料在航空航天领域的应用/s/blog_56c70d4b010165l9.html）然而，买得起未必用得起，正是加工工艺的复杂，将绝大多数国家挡在了钛合金应用的门外。下面，我们来看*钛合金加工工艺的情况。一、下料切割工艺钛合金制件之前，先要将大块钛合金进行初步切割，做下料准备。钛合金的切割，不像一般金属，很难用火焰方法进行，否则高温污染会导致材料脆化。因此多用等离子切割、激光切割、铣切来进行。但是这些方法，要么是材料容易产生热应力离散变形（如激光切割）、或者成本太高无法满足大量生产（如离子束切割），要么是残料率高（如铣切）。因此，人们想出了另一种常温切割方式：高压水切割。水切割，就是水刀，呵呵。以前咱听说水滴石穿，那可要万年功夫。这次是水切钛断，立等可取啊。中国航空报载，沈飞公司工艺研究所的首席专家蒲永伟，对水切割技术有深厚积累，潜心研究此项技术的钛切割应用，获得成功，顺利实施了40100毫米厚的钛合金板材切割。由于是常温操作，切割质量好，且其效率是常规切割方法的50倍以上，材料费大大节约。至今，钛合金的水切割方式，在国内的应用已经接近10年。二、铸造工艺铸件加工，需要熔化钛合金进行浇注。同样，由于钛合金的化学活性，熔化的液态钛合金，几乎与所有的耐火材料起反应。因此其熔化和浇注必须在惰性气体（如氩气）保护或者真空环境下进行。国内应用方面：中国船舶新闻网报道，中国在消化吸收国外先进技术的基础上，掌握和发展了金属型、捣实型、机加工石墨型，以及氧化物面层陶瓷型壳等钛合金铸造技术，可以生产最大直径达1500毫米X400毫米，最小壁厚为0.8毫米，单重达到近800千克的整体钛合金铸件，每年铸造钛合金用量达5000吨，具备了钛及钛合金精密铸件的基本生产技术。根据热加工论坛的报道：我国航天用铸造钛合金的应用始于20世纪80 年代中期，现已有ZTi3，ZTiAl4，ZTiAl5Sn2. 5，ZTiAl6V4，ZTiAl6Zr2MoV等品牌（品牌的第一个字母Z，代表铸造）。2001年，由北航、华中理工研制的ZTC4 钛合金（即对TC4进行铸造加工后的合金件），利用热等静压和熔模精密铸造成型技术,研制了某型飞机用钛合金精铸件。该铸件外型尺寸为630mm 300mm 130mm ,最小壁厚2. 5mm ,为复杂的框形结构。中科院金属研究所网站报道：2011年5月，沈阳向中国科学院金属研究所研发的钛铝母合金制备技术，通过了英国罗罗公司（Rolls-Royce）的质量审核。2013年4月17日，罗罗航空发动机公司在沈阳，正式向该所颁发了钛铝涡轮叶片精密铸造技术质量认证证书。中国的铸造钛合金技术，是如何吸收国外先进技术以及如何应用的。大家从上文中，见仁见智吧，呵呵。三焊接工艺钛合金的焊接工艺包括熔化焊、扩散焊和紧固焊三大类数十种，应用最多的是熔化焊。这类工艺，又包括了电子束焊接、等离子弧焊接、TIG焊、MIG焊、激光焊、摩擦焊等十几种，技术发展迅速，创新工艺不断涌现，是焊接工艺的主力军和先锋队。咱们多费些笔墨，稍加详叙。并请大家记住一个名字：中航工业制造所中国高能束流加工领域的先行者。钛合金焊接，有优势也有劣势。优势在于合金密度小，导热慢，热膨胀系数低，因此焊缝变形极小，焊道均匀，热感应裂纹几乎不存在。劣势在于，钛合金的焊接，不适合采用传统意义上的乙炔焊、金属电弧焊和碳弧焊。原因还是在于大气的高温污染。判断钛合金焊接是否受到大气杂质的污染，手段之一是观察焊缝的颜色。一般的，如果焊缝是银白色或金黄色，恭喜你！这都是上佳的焊接。如果是紫色或者蓝色，点点头，也是合格的。如果是蓝白色、白色、暗灰、白色、黄白色，则证明受到了大气污染，焊缝变脆，延展性差。因此，钛合金焊接中，必须隔开大气与熔池。一般采用的办法有两类：方法一：惰性气体保护焊TIG焊。采用氩气（纯度应99.99）。等惰性气体，让其流过焊枪，对电极和熔池进行保护。比如钛合金等离子TIG焊。方法二：真空焊接。在真空中进行焊接，完全防止大气高温污染。如电子束真空焊。比如F22的后机身前后梁，就采用了热等静压钛合金铸件的真空电子束焊接结构。此外，钛合金焊接，还有一整套繁复多样的工艺规则，规矩真是大了去了。比如：焊前先对制件及焊丝进行酸洗，焊工应佩戴洁净的白细纱布手套（严禁佩戴棉线手套）。焊接工作尽可能在室内进行，环境风速应0.5m/s，避免受穿堂风影响。焊接后真空炉退火消除残余应力，经处理的焊区严禁用手触摸和接触铁制物品。还有焊接坡口、焊流角等等，等等。国内使用方面：关于钛合金的先进焊接工艺，要从歼11生产线引进说起。北京航空制造工程研究所王亚军的文章指出，中国的歼11生产线广泛采用了电子束钎焊、扩散焊、激光焊、真空钎焊、等离子弧焊及凸焊等工艺。其机体的焊接零件近万，部件近千，甚至主承力结构都采用焊接技术。如起落架的电子束焊，钛合金隔框和梁的潜弧焊，油箱钛合金下壁板和进气道防护隔栅采用穿透焊，后机身的钛合金蒙皮壁板采用TIG焊和点、缝焊，铝合金、不锈钢、钛合金导管采用TIG焊、感应钎焊。SU27/歼11生产线引进和建设的副产品之一，就是震动了数十年铆接工艺无处不在的中国金属工艺界，确立了中国航空工业现代焊接技术体系，开创性了中国对先进焊接工艺的大规模研发和使用先河。以此为起点，中国逐步掌握了EBW、IFW、VB、自动氩弧焊、轨迹氩弧焊和弧焊机器人、SPF/DB、PAW及低应力无变形焊接技术，大大促进了钛合金焊接工艺的跨越式发展。根据中国航空新闻网、中国航空报、新华网等报道：承力结构焊接：2011年7月，中航工业制造所消除了大厚度截面深熔电子束焊缝气孔、空洞、未熔合及根部钉尖等焊接缺陷，形成了大型复杂结构低应力、小变形电子束焊接制造关键技术，实现了电子束焊接接头综合性能与母材水平相当。同时利用该技术，对某型钛合金60mm厚截面电子束焊缝进行质量控制，在国内首次成功实现大厚度T损伤容限型钛合金承力框结构的电子束焊接制造2012年3月，中航工业制造所向中航工业成飞交付电子束焊接设备及钛合金大型构件焊接工艺的仪式在成飞举行。中航工业制造所设计制造的65立方米高压电子束焊机，可完成最大达4米2米范围内任何焊缝的焊接，是目前我国最大的高压电子束焊接设备。最大焊接厚度可达105毫米；在大厚度焊缝成形、缺陷控制以及焊接变形抑制方面取得突破性进展，焊后零件整体精度控制在1.0毫米以内，焊缝成形和接头质量均满足相关要求。高温粉末合金焊接以上是钛合金结构件的焊接技术，如果粉末高温合金的焊接，就要用到线性磨擦焊（LFW）的工艺。 LFW工艺的效率高，质量好，焊缝区组织极细，焊接接头的静、动载力学性能达到甚至超过母材的水平，目前已用作航空发动机整体叶盘的生产工艺。欧洲战斗机“台风”发动机的3级低压压气机整体叶盘、美国第四代战斗机F-22和F-35发动机上整体叶盘，都是采用线性摩擦焊的顶级应用国内应用方面中国航空新闻网报道：2003年4月，中航工业制造所开始了20吨线性摩擦焊试验设备的自主研发。2006年8月，该所成功实现了第一件线性摩擦焊试件的焊接；2007年12月，该所成功实现国内第一件碳钢材料压气机整体叶盘模拟件焊接；2008年2月，该所成功实现国内第一件钛合金材料压气机整体叶盘模拟件焊接；2009年9月，该所成功实现国内第一件不锈钢材料风扇一级整体叶盘1:2缩比模拟件焊接从上面披露的信息看，中航工业制造所的LWF工艺，在2009年前局限于“模拟件”焊接，尚未走出工艺实验室进入型号流水线的正式生产。相信他们近几年已经取得了新的进展，军迷们望穿秋水，静候佳音。零件级和蒙皮类、型腔类及壁板类结构的对接拼焊这就要用到激光焊接激光焊接的能量密度高达106W/cm2以上，焊接速度快、对母材热损伤小，采用柔性光纤传输的1.06m的Nd:YAG激光，配以可灵活操作的机械手，可以实现空间曲线焊缝的自动焊接。在欧美等国在上世纪80年代末至90年代初，主要将激光焊接用于零件级和蒙皮类、型腔类及壁板类结构的对接拼焊。进入21世纪，双光束激光焊接技术采用两束激光对壁板结构T型接头两侧同步施焊，完成蒙皮与加强筋之间的连接，使焊接技术成功地实现了从零件级到部件级，甚至部件间连接的质的跨越。国内应用方面：中国航空报报道：1995年，在关桥院士的积极呼吁下，我国依托中航工业制造所，建立了高能束流加工技术重点实验室。该所高能束流加工技术重点实验室，先后建立了10kW光纤激光和3kW YAG激光以及4kW CO2激光焊接系统，以整体化焊接的钛合金、铝合金蒙皮类、型腔类及壁板类结构为研究对象，成功地将活性剂激光焊接技术应用于飞机钛合金蒙皮类和型腔类结构的对接拼焊。双光束激光焊接技术研究也获得重大突破，并应用于飞机钛合金壁板类结构蒙皮与加强筋之间的整体化焊接。（见下图：注意川崎重工的激光器机器人）图1：钛合金双向加筋壁板结构双光束焊接此外，中国百科网2013年报道，中国已将钛合金高纯净激光熔敷焊技术已经成功应用于航空发动机部件的再制造上，目前已修复某进口发动机中介机匣数个，防冰壳体和杯形件数百个。四、锻造工艺金属加工行业有一句俗话，叫铸不如锻，是说铸造的零件形状比锻造复杂，但是铸件的机械强度性能逊于锻件。航空武器装备中的重要承力构件都是由锻件制成的，如飞机机体的承力框、梁、接头、起落架，发动机的盘、轴、机匣壳体、叶片等。其中，大型锻件用于制造大型构件，属于机身结构中的关键件。这其中，当然少不了钛合金的身影：美国波音747787、A320380的钛合金起落架，F-16飞机钛合金机身隔框，D-10飞机的后支承环，915发动机机座，苏2733飞机钛合金大型结构件，GT25000舰用燃气轮机直径1.2米涡轮盘等都是在大型模锻水压机上模锻成形的。国内应用方面：钛合金锻件，特别是大型模锻件及其坯料的金相组织很不均匀，是业内长期未能解决的难题。中国高温钛合金的鼻祖曹春晓院士，根据钛合金热变形过程中再结晶和相变交叉进行的原理，产生了通过热变形温度的交替变换（高低高低）获得细小均匀的新晶粒的新思路，利用特定的相变模式优化了转变组织形态，从而创立了高低温交替热变形技术和BRCT工艺。与传统的+热处理工艺、热处理工艺相比，其热处理工艺在保持原有强度、刚性的情况下，提高断裂韧性50%以上，降低疲劳裂纹扩展速率一个数量级，提高使用温度20左右，可获高得多的疲劳强度和拉伸塑性。显著改善了大锻件组织性能的均匀性和稳定性，为空军装备更新换代做出了重要贡献。中国拥有钛及钛合金锻造生产线，合金挤压管、轧制和焊管生产线，包括万吨自由锻、10005400吨快锻机等先进设备，可生产直径为10600毫米的锻棒以及直径为2200毫米的薄壁及厚壁管材，最大长度可达15米。但是，中国的超大型模锻件的生产能力，曾经长期无法满足生产的需要，锻件几何尺寸、精度、重量、投影面积以及冶金质量，同国外相比有很大差距。根据辽宁经济信息网载文沈重总工的报告，中国的预警机，枭龙和歼10，都有多项大型锻件和原材料向法国订购。可是我们知道，法国由于大型模锻压机加工能力不足，A380多个部件都要利用俄罗斯750MN模锻压机加工。您说，中国的差距有多大？21世纪，改革开放20多年后的中国，积累和追赶的步伐，终于开始冲刺和超越。2003年，中国工程院由师昌绪院士组织了由全国31个企事业单位的五位院士和17位专家，组成了发展我国大型锻压装备研究-建设8万吨模锻液压机及其配套设备咨询组，建议在十一五期间建造一台8万吨级模锻液压机和一台1.5万吨难变形合金挤压机。国家发改委、科技部、国防科工委已将其列入中长期规划，并计划在十一五期间实施。2012年8月1日，中国新闻网报道，飞机超大型钛合金结构件，在西安阎良国家航空高技术产业基地锻造成功，该锻件由西安三角公司400MN（即4万吨）大型模锻液压机一次锻造成功。该锻压机由中国中冶所属中国二十二冶集团有限公司承包制造、清华大学机械工程系设计，是世界上最大的单缸模锻液压机。图2 四万吨大型模锻液压机试生产中的这个钛合金锻件用的是TC18，整体锻件投影面积1平方米，这是什么概念呢？美国生产钛合金锻件的专业公司Wyman-Gordon公司，利用美国最大的450MN模锻液压机制造了F-22中机身整体隔框闭式模锻件，整体锻件投影面积达到5.67平方米，是迄今为止世界上最大的航空用钛合金整体隔框锻件。有差距，是不是？补差的，来了2013年4月11日，成都商报报道，中国8万吨大型锻压机在二重集团大型压机车间试产成功，超过了世界最大的俄罗斯7.5万吨模锻压机。这无疑会对我国四代机、大运、大客的结构部件加工有巨大的战略价值。2013年11月，中航工业洪都“猎鹰”高级教练机翼身连接件钛合金大型框锻件精化”精益项目成功实施。中国钛合金超大锻件的工艺发展战略是跟随创新，即技术发展路线是跟随，具体技术工艺是创新。与世界先进水平的比肩已经指日可待五、激光立体成型（3D打印）工艺金属构件“近净成形”技术的分支激光成形技术（Laser Additive Manufacturing), 这是今年最热的军网话题，南北二马之一的北京航空航天大学材料学院材料加工工程系主任王华明，已经成为军迷的偶像。对此，中华网苍鹰的翅膀和多位大侠已有专帖。兵器迷大致回顾一下钛合金相关工艺的发展进程，不再赘述。中国航空报报道：1992年，美国解密其LAM研发计划，受到全球瞩目1995年，中国开始钛合金激光成形技术的跟踪研究。2005年7月，中国成功实现激光快速成形TA15钛合金飞机角盒，TC4钛合金飞机座椅支座及腹鳍接头，等4 种飞机钛合金次承力结构件在3种飞机上的装机应用。2001-2005年，北航与沈飞研制的LAM构件，疲劳、断裂韧性等主要力学性能达到钛合金模锻件水平。2006-2010年，北航与沈飞601所研制的LAM构件，缺口疲劳极限超过钛合金模锻件近50%、高温持久寿命较模锻件提高4倍(在500/480 MPa试验条件下的高温持久寿命,锻造TA15钛合金为48.6 h，激光直接成形钛合金长达235 h)、疲劳裂纹扩展抗力提高一个数量级，研制了迄今世界面积最大的飞机钛合金大型结构件激光快速成形工程化成套装备(零件激光熔化沉积真空腔尺寸达4000 mm3000 mm2000 mm)，具备了使用激光成形超过12平方米投影面积的复杂钛合金构件的技术和能力，2009年，王明华团队利用激光快速成形技术，制造出我国自主研发的大型客机C919的主风挡窗框，成本5万美元，不到欧洲锻造开模费的1/10。2010年，中国利用激光直接制造C919中央翼根肋，传统锻件毛坯重达1607千克，而利用激光成形技术制造的精坯重量仅为136千克，节省了91.5%的材料2010-2013年，成飞和沈飞利用LAM技术，组装出歼-20，歼-15、歼-16,和歼-31的部分组件，甚至包括起落架关键部件这是非常难得的进步。因为3D打印的稳定质量控制有相当难度，产品表面光洁度不高，产品内部强度抗疲劳特性存在问题。能够作为关键承力件产品在多型号应用，意义非同一般。2013年，西北工业大学凝固技术国家重点实验室下设的激光制造工程中心，为国产客机C919制造了钛合金翼梁。同年，中航重机控股子公司中航激光所，展示了获得2012年度“国家技术发明一等奖”的飞机钛合金整体关键构件（见下图）激光成形技术。图3 中国3D打印钛合金飞机部件2013年1月14日，美国Sciaky公司宣布使用电子束替代激光，进行钛合金3D打印，制造的零件尺寸可以达到5.8米1.2米1.2米。2013年，中国航空报报道，中航工业制造所从2006年在国内率先开展电子束快速成型技术的研究，经过多年艰苦努力，在国内实现了电子束快速成形技术在飞机制造上的首次应用。中国人赶超的脚步，没有最快，只有更快。国内钛合金加工领域，近年来捷报频传，可喜可贺。但另一方面，也应当看到，即使在钛工业大国中国，高温钛合金的加工，与镍基、铁基等所有高温合金加工一样，仍然是难上难。难到什么程度? 报载，中国材料大师师昌绪发明的某高温合金出来20多年，才终于有合适的工艺将之用在某型号发动机上。而大规模批产这样的合金用于该发动机，则依然是摆在冶金人面前的一道难题。加工钛合金工艺发展的现实，再一次提醒我们：航空航天工业的整体进步，需要理论大师，需要材料大师，同样的，也需要工艺大师和大工匠。否则，设计