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鈦合金薄壁結(jié)構(gòu)是怎么制造出來的呢？ |
[ 來源:搜鈦網(wǎng) | 作者:本站 | 發(fā)布時(shí)間:2018-10-17 | 瀏覽:736次 ] |
近日，某央企的一則公開報(bào)道引起了大家的關(guān)注。報(bào)道稱，某工廠接到為某項(xiàng)目配套的S型排氣管的尾段的研發(fā)制造工作之后，克服了該零部件體型碩大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、內(nèi)膽內(nèi)腔成型要求高以及工裝剛性不足等諸多困難，最終圓滿完成了預(yù)定任務(wù)。
這是我國首次試制成功此類大型復(fù)雜零部件，不僅完成了某項(xiàng)目的配套任務(wù)，還顯著提升了我國在此領(lǐng)域的研發(fā)制造能力。該零部件的形狀和結(jié)構(gòu)大致如下圖所示。
這是典型的S型排氣管
那么如此龐大復(fù)雜的鈦合金薄壁結(jié)構(gòu)是怎么制造出來的呢？該報(bào)道只是語焉不詳?shù)奶岬搅恕跋戎圃斐龇侄?，再用激光焊連接成成品”，而對(duì)分段是如何制造只字未提。然而只要對(duì)公開資料稍加查閱便可知道，生產(chǎn)制造此類大型復(fù)雜鈦合金薄壁零部件，最高效而又廉價(jià)且能做到近乎無余量制造的方法便是“吹糖人”——也就是采用超塑成形/擴(kuò)散連接（以下用英文縮寫SPF/DB表示）技術(shù)。
所謂超塑成形(SPF)，就是利用材料的超塑性(superplasticity)，用模具擠壓材料，實(shí)現(xiàn)型腔成型的一種制造技術(shù)。早在上世紀(jì)20年代，人們便發(fā)現(xiàn)某些合金材料在特定溫度下有著異乎尋常的伸長率（也就是可以容忍非常巨大的變形而不發(fā)生破壞），而普通金屬材料在此情況下不是被拉斷，就是產(chǎn)生明顯的縮頸效應(yīng)而無法使用，這就是所謂的超塑性。
事實(shí)上，對(duì)于幾乎所有的金屬材料，只要具備特定的顯微組織，并且溫度和變形速率滿足一定的要求，超塑性是普遍存在的。但是對(duì)于大多數(shù)金屬而言，出現(xiàn)超塑性的溫度范圍太窄，無法實(shí)際應(yīng)用。但是鈦合金卻是一個(gè)例外，而它正好又是航空航天工業(yè)廣泛應(yīng)用的材料，因此從上世紀(jì)60年代開始，鈦合金的超塑成形技術(shù)就開始了蓬勃發(fā)展。
超塑成形原理示意圖
而所謂的擴(kuò)散連接(DB)，是指相互接觸的材料表面在溫度和壓力的作用下局部發(fā)生塑性變形，原子產(chǎn)生相互擴(kuò)散，在界面接觸處產(chǎn)生擴(kuò)散層，從而實(shí)現(xiàn)連接的技術(shù)。通俗一點(diǎn)說，包餃子或者包包子的收口工作就是典型的擴(kuò)散連接。而擴(kuò)散連接的這一特性，使得它成為了超塑成形技術(shù)的最好搭檔，比如當(dāng)制造多層結(jié)構(gòu)的時(shí)候，可以一層一層的超塑成形，然后每層之間使用擴(kuò)散連接固定在一起，這樣既能提高效率，又能有效降低整個(gè)結(jié)構(gòu)重量（我們的一個(gè)鄰國的航空航天產(chǎn)品之所以擺脫不了傻大笨粗的形象，一個(gè)關(guān)鍵的原因就是因?yàn)樗麄儧]有掌握大型復(fù)雜零部件的SPF/DB技術(shù)，從而無法大幅降低多層結(jié)構(gòu)的重量）。所以這兩種技術(shù)通常情況下是聯(lián)用的，SPF/DB也就成了一個(gè)專有名詞。
之所以要用“吹糖人”來形容SPF/DB，就是因?yàn)榇堤侨酥钥梢詫?shí)現(xiàn)，正是利用了麥芽糖在一定溫度下的超塑性，從而使得操作者可以隨意塑造出各種形象，并且利用擴(kuò)散連接原理把需要連接的地方粘合上。
當(dāng)然，鈦合金的“吹糖人”技術(shù)肯定比麥芽糖的要復(fù)雜很多，尤其是對(duì)于大型復(fù)雜零部件的制造更是如此，需要克服的技術(shù)難題包括但不限于超塑成形模具設(shè)計(jì)和制造、工裝設(shè)計(jì)、尺寸精度控制和表面質(zhì)量控制等。
因此，真正掌握該技術(shù)的國家寥寥無幾。美國和英國在上世紀(jì)70年代就掌握了該技術(shù)，F(xiàn)-15和F-22等多種型號(hào)的飛機(jī)上都大量使用了鈦合金SPF/DB零部件，美國和英國的多型先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦合金風(fēng)扇葉片也采用了SPF/DB工藝。而我國從上世紀(jì)70年代開始便致力于SPF/DB技術(shù)的研發(fā)及其產(chǎn)業(yè)化工作，先后有十幾所高校和科研機(jī)構(gòu)投身其中，最終，哈爾濱工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)的SPF/DB技術(shù)成功產(chǎn)業(yè)化，成為了我國制造技術(shù)進(jìn)步的重要推手。
雖然起步稍晚，但經(jīng)過四十余年的長足發(fā)展，我國的SPF/DB技術(shù)已經(jīng)躋身世界先進(jìn)行列。如航天科工集團(tuán)飛航技術(shù)研究院下屬的航星公司已經(jīng)能做到一模兩件的生產(chǎn)模式，在生產(chǎn)效率翻番的情況下，生產(chǎn)成本降低了30%以上，并且因?yàn)镾PF/DB成型時(shí)間較短，受熱時(shí)間也較短，因此產(chǎn)品基本上不會(huì)出現(xiàn)晶粒粗化，并且可以有效控制回彈變形，尺寸1500mm左右的大型薄壁零部件的尺寸精度可控制在0.3mm以內(nèi)。
為了滿足某高新飛行器的研發(fā)制造配套要求，航星公司還牽頭研發(fā)了國內(nèi)首臺(tái)大工作臺(tái)面超高溫柔性數(shù)控三工位超塑成形設(shè)備并于2017年取得成功。
該設(shè)備的工作臺(tái)尺寸達(dá)3000mm×2000mm（世界第二，僅次于美國的3600×2400mm），最高工作溫度達(dá)1200℃，最大成型公稱力達(dá)20MN。此前此類大型核心設(shè)備只有美國掌握（英國用美國設(shè)備），且對(duì)我禁運(yùn)，因此這一設(shè)備的研發(fā)成功使得我國的SPF/DB設(shè)備達(dá)到了世界一流水平，打破了美國在該領(lǐng)域的壟斷。
航星公司自主研發(fā)的超塑成形設(shè)備（圖片轉(zhuǎn)載自航天科工集團(tuán)飛航技術(shù)研究院官方微信公眾號(hào)）
而此次我國成功制造出大型鈦合金S型噴管，則標(biāo)志著我國的SPF/DB技術(shù)再上層樓，擁有了對(duì)更復(fù)雜的零部件的加工能力。
更為值得一提的是，SPF/DB技術(shù)不光在航空航天制造領(lǐng)域大放異彩，在民用制造領(lǐng)域也同樣可以大顯身手。我國高鐵車體的鋁合金“瓦楞紙”三層結(jié)構(gòu)便是SPF/DB的杰作，這樣的結(jié)構(gòu)在保證強(qiáng)度的情況下大幅降低了結(jié)構(gòu)重量，從而做到了整個(gè)車體的輕量化。在此需要指出的是，鋁合金的超塑性溫度范圍遠(yuǎn)比鈦合金的要窄，因此鋁合金的SPF/DB技術(shù)一直是國際工業(yè)界的難點(diǎn)和痛點(diǎn)。這就是目前世界上只有我國有能力制造出如此輕量級(jí)的高鐵車體的原因。
而在為某“一帶一路”沿線國家的首都定制地鐵車輛的項(xiàng)目中，對(duì)方提出車廂內(nèi)的復(fù)雜形狀裝飾品要使用鈦合金制造（以彰顯該國的經(jīng)濟(jì)實(shí)力），其他競標(biāo)企業(yè)對(duì)此都無能為力，唯有中車集團(tuán)憑借SPF/DB技術(shù)輕松中標(biāo)，拿下了這一大單。
如今，從航空到航天，從高鐵到汽車，SPF/DB這一“吹糖人”技術(shù)正在越來越多的助力我國的產(chǎn)業(yè)升級(jí)。這一系列重大成就，讓我們對(duì)我國的SPF/DB技術(shù)從世界先進(jìn)水平發(fā)展到世界領(lǐng)先水平的那一天充滿期待。
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