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航空用TA18高強(qiáng)鈦合金管材彎曲成形技術(shù)及研究進(jìn)展

TA18 鈦合金是從 TC4 鈦合金演變而來的低鋁當(dāng)量近 α 型的鈦合金,其名義成分為 Ti-3Al-2.5V。TA18 鈦合金在室溫和高溫下強(qiáng)度比純鈦高 20~50%,它不僅具有良好的室溫、高溫機(jī)械性能和耐蝕性能,而且具有優(yōu)異的冷、 熱加工工藝塑性、成形性和焊接性能。該合金對(duì)缺口不敏感,具有良好的抗蝕性,因此成為航空航天管路系統(tǒng)的首選材料。

  TA18 鈦合金的強(qiáng)化途徑主要是通過冷加工變形。冷加工后,通過不同的熱處理制度,可使管材達(dá)到不同的強(qiáng)度水平。最常用的有退火態(tài)中強(qiáng)級(jí)(Rp0.2≥620MPa)和去應(yīng)力退火態(tài)高強(qiáng)級(jí)(Rp0.2≥860MPa)兩種典型代表。其中,退火態(tài)中強(qiáng)級(jí)管材主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)管路系統(tǒng),去應(yīng)力退火態(tài)高強(qiáng)級(jí)管材主要用于飛機(jī)液壓等管路系統(tǒng)。

  航空航天飛行器的管路系統(tǒng)是飛行器的生命線,主要包括燃油管路、液壓油管路、滑油管路、氣源管路、壓縮空氣管路、引射水管路等。其數(shù)量繁多、結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜,加工質(zhì)量直接影響其連接的精確度和穩(wěn)定性。一直以來管材在彎曲成形中經(jīng)常出現(xiàn)各種缺陷,如:彎管截面變形、起皺、彎管變薄、彎曲回彈等,這不僅影響了產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)裝配進(jìn)度,還給飛行器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能帶來安全隱患。

  管路系統(tǒng)的可靠性和持久性是滿足適航要求、保障飛行安全和降低維修成本的重要因素,因此提高管材的彎曲成形技術(shù)水平對(duì)提高飛機(jī)性能是非常重要的。

  國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

  國外應(yīng)用現(xiàn)狀

  TA18 高強(qiáng)鈦管用于液壓管路系統(tǒng),不僅能夠滿足較高的強(qiáng)度要求,還能滿足航空航天等領(lǐng)域?qū)?gòu)件輕量化的需求,因此在國外早已得到重視和廣泛應(yīng)用。20 世紀(jì)中 期,美國為飛機(jī)管路液壓系統(tǒng)開發(fā)了 TA18 鈦合金,采用該合金制備的管材已在 F-14A、F-15、B-1 和波音 747、757、767 等飛機(jī)的液壓、燃油管路系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。世界各大航空公司,如波音、通用、麥道、普惠、羅羅、空客等,其軍用飛機(jī)和商用客機(jī)等運(yùn)輸工具上也大量使用 TA18 鈦合金管材。目前,TA18 鈦合金已被廣泛應(yīng)用于西方許多國家的軍事工程中管件部分(包括直升機(jī)),成為軍機(jī)和民機(jī)管路系統(tǒng)的首選材料。

  國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

  20 世紀(jì) 70 年代中期,以西北有色金屬研究院為首的相關(guān)單位開始對(duì)中強(qiáng)級(jí) TA18 鈦合金進(jìn)行深入地研究,并在航空航天飛機(jī)管路系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用,但高強(qiáng)級(jí) TA18 鈦合金管材的研制尚處于初級(jí)階段。目前由于鈦合金管材彎曲及管接頭技術(shù)尚未完全成熟,故鈦合金管材在民用飛機(jī)和軍用飛機(jī)上均未獲得廣泛應(yīng)用。在管材彎曲成形方面,由于缺乏相應(yīng)的設(shè)備,目前尚只能較為穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)純鈦(如 TA1、TA2)和一些強(qiáng)度不高的鈦合金管材 (如 TA16M)以及中強(qiáng)鈦合金管(如 TA18M)的數(shù)控冷彎曲成形。

  管材彎曲成型技術(shù)研究進(jìn)展

  管材彎曲成形方法

  最常見的管材彎曲成形方法主要有壓彎成形、推彎成形、滾彎成形及繞彎成形。

  壓彎成形是最早用于管材的彎曲方法,通過彎曲模具對(duì)管材施加載荷而完成彎曲加工。這種方法生產(chǎn)效率高, 模具調(diào)整簡單,在彎頭加工方面應(yīng)用較廣泛。但是壓彎時(shí)所加載荷集中在兩支承輥之間,管坯與彎模初始接觸處容易形成截面畸變,影響彎曲質(zhì)量。

  推彎成形一般用于彎頭的成形,在管材軸向施加載荷,管坯被推進(jìn)型腔實(shí)現(xiàn)彎曲。推彎成形過程中管材外側(cè)壁厚不會(huì)出現(xiàn)過度減薄,但需合理設(shè)計(jì)芯模并進(jìn)行管坯和模具型腔潤滑,否則易發(fā)生失穩(wěn)起皺。

  滾彎成形通常用于厚壁管彎曲。滾彎是在三個(gè)或以上驅(qū)動(dòng)輥輪的作用下,將管坯置于輥輪之間,通過控制輥輪的間距和驅(qū)動(dòng)方式來實(shí)現(xiàn)管材的彎曲成形。滾彎成形由于沒有芯棒的支撐,管材的截面質(zhì)量不易控制,但采用多輥滾彎可以提高管材彎曲精度,降低截面畸變,提高管材彎曲變形均勻程度。

  繞彎成形是目前最常使用的一種彎管方法,該工藝與現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)相結(jié)合形成了管材數(shù)控繞彎成形技術(shù)。彎曲 時(shí)將管坯的一端置于夾模,彎曲模在數(shù)控程序的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)管材彎曲成形。數(shù)控繞彎不僅能提高管材彎曲的成形質(zhì)量,還可以通過程序控制實(shí)現(xiàn)連續(xù)彎曲,完成復(fù)雜的空間彎管。

  研究進(jìn)展

  管材數(shù)控彎曲成形技術(shù)是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工藝過程, 受到材料性能、管壁厚因子、彎曲工藝、模具設(shè)計(jì)制造水平等諸多因素的影響。管材彎曲成形易出現(xiàn)各種缺陷,如外側(cè)壁厚減薄、內(nèi)側(cè)壁厚增厚、界面畸變、起皺和破裂等,這嚴(yán)重制約著我國航空航天管路系統(tǒng)的發(fā)展。針對(duì)目前的管材彎曲成形技術(shù),研究學(xué)者主要從以下幾個(gè)方面做了大量的工作,并取得了一定的成績。

  在理論分析研究方面,研究學(xué)者主要從管材橫截面收縮率、壁厚減薄率、中性層偏移量、管材送給長度、彎矩和截面畸變率等各方面進(jìn)行了大量的理論公式推導(dǎo)及表征公式的模型建立,并且理論解析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果吻合良好。但是在理論分析過程中,采用了大量的假設(shè)和公式簡化,并且忽略了一些因素的影響,因此公式的精度和應(yīng)用范圍受到一定的限制。

  在數(shù)值模擬分析方面,研究學(xué)者運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)管材彎曲成形過程進(jìn)行了模型建立,并在不同程度上進(jìn)行了算法的二次開發(fā)。通過有限元仿真分析,研究了管材彎曲成形過程中材料流動(dòng)規(guī)律、應(yīng)力應(yīng)變分布狀態(tài)、管材壁厚變化、彎管回彈規(guī)律、彎曲成形缺陷的產(chǎn)生機(jī)理及變化規(guī)律等,揭示了彎曲成形工藝參數(shù),如芯棒參數(shù)、摩擦參數(shù)、彎曲速度和管模間隙等,對(duì)管材成形過程的影響規(guī)律。

  在試驗(yàn)研究方面,目前的試驗(yàn)主要集中在高校及科研院所對(duì)理論分析及數(shù)值模擬結(jié)果的試驗(yàn)驗(yàn)證,研究學(xué)者對(duì)彎曲加工的工藝參數(shù)及熱處理制度對(duì)管材的組織形態(tài)及機(jī)械性能的影響進(jìn)行了一定的研究,但關(guān)于批量化生產(chǎn)的工藝及均勻性控制的研究鮮見報(bào)道。

  存在的問題

  我國關(guān)于高強(qiáng) TA18 鈦合金管材的彎曲成形研究雖然取得了很大的進(jìn)步,但尚處于初期階段,未形成批量化的生產(chǎn)工藝及控制方法,仍然面臨新的挑戰(zhàn)。

  首先,理論研究和數(shù)值模擬分析與生產(chǎn)試驗(yàn)研究脫節(jié),高校等研究機(jī)構(gòu)由于設(shè)備及生產(chǎn)試驗(yàn)條件的限制,大量的研究主要集中在理論分析及數(shù)值模擬方向,生產(chǎn)單位具備一定的試驗(yàn)試制條件,但由于現(xiàn)有的運(yùn)行機(jī)制,尚未投入大量的研究工作。

  其次,在工藝技術(shù)方面,TA18 高強(qiáng)鈦合金管材冷折彎過程中,需要設(shè)備噸位較大,角度控制精度較低,易出現(xiàn)回彈及起皺等缺陷;熱校形時(shí),合模時(shí)易出現(xiàn)“咬邊”缺陷,且長時(shí)加熱易產(chǎn)生高溫蠕變,導(dǎo)致產(chǎn)品截面的圓整度難以控制。

  最后,目前采用的冷折彎+熱校形兩步成形周期較長, 成本較高。

  結(jié)束語

  TA18 鈦合金管材已經(jīng)成為航空航天管路系統(tǒng)的首選材料,在國外被廣泛應(yīng)用,但在國內(nèi)尚處在起步階段。由于目前航空產(chǎn)品精益化的需求,未來鈦合金管材高效率、高精度、高成品率、低成本成形技術(shù)研究已經(jīng)迫在眉睫。為實(shí)現(xiàn)鈦合金管材數(shù)控彎曲精確成形,亟待研究建立一套較為全面的鈦合金管材彎曲成形工藝體系及數(shù)值模擬系統(tǒng)。

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