鈦合金具有低密度膳沽、高比強(qiáng)度分苇、使用溫度范圍寬(-269~600℃)、耐蝕梢褐、低阻尼和可焊等諸多優(yōu)點(diǎn)旺遮，是航空航天飛行器輕量化和提高綜合性能的最佳用材，其應(yīng)用水平是體現(xiàn)飛行器先進(jìn)程度的一個(gè)重要方面盈咳。提高飛行器的綜合力學(xué)性能并降低成本耿眉，是推動(dòng)鈦合金在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的重要措施边翼。

 隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，鈦合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展溅鞠，鈦合金結(jié)構(gòu)件也越來越呈現(xiàn)出大尺寸徽七、薄壁曲面、變厚度和整體結(jié)構(gòu)的趨勢仙茴，進(jìn)一步提高了航空航天飛行器的性能蛹柔、結(jié)構(gòu)剛性，減輕了重量签梭，鈦合金精密成形技術(shù)將是航空航天制造技術(shù)的研究重點(diǎn)区酷。

精密成形是指零件成形后接近或達(dá)到零件精度要求的成形技術(shù)，它是建立在新材料翠蓄、新設(shè)備丛幌、新工藝、計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)等技術(shù)成果的基礎(chǔ)上抢纹，發(fā)展了傳統(tǒng)的成形技術(shù)懒碍，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品高效、高性能谚剿、低成本的少無余量制造技術(shù)缝驳，精密成形的零件具有高的幾何精度和表面粗糙度、精確的外形及優(yōu)良的機(jī)械性能归苍。鈦合金精密成形技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域用狱，它的使用能顯著提高各類作戰(zhàn)飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)拼弃、戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈夏伊、運(yùn)載火箭等航空航天產(chǎn)品的綜合性能和保障能力。針對精密成形技術(shù)中精密熱成形(包括精密鑄造吻氧、超速成形/擴(kuò)散連接溺忧、精密旋壓和激光直接快速成形)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行分析，這些技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)近凈形生產(chǎn)盯孙，材料利用率高達(dá)70%~90%鲁森，已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域凸顯出廣闊的發(fā)展前景和良好的應(yīng)用價(jià)值。

鈦合金精密鑄造技術(shù)

美國于20世紀(jì)60 年代開始研究應(yīng)用鈦合金精密鑄造技術(shù)振惰，處于世界領(lǐng)先水平歌溉，開發(fā)出了熔模陶瓷鑄型技術(shù)、機(jī)加石墨鑄型技術(shù)和熱等靜壓技術(shù)骑晶。國外先進(jìn)國家已成功研制了F-100痛垛、CFM-56、CF6-80迄帘、F-119等航空發(fā)動(dòng)機(jī)的大型薄壁整體鈦合金中介機(jī)匣修扁、風(fēng)扇、高壓壓氣機(jī)機(jī)匣等鑄件榔况，最大直徑已經(jīng)大于1000mm峡逆、最小壁厚小于3mm、尺寸精度達(dá)到CT6~CT7 級水平钩榄，冶金質(zhì)量高念弧。

美國F-22戰(zhàn)斗機(jī)在垂尾方向舵作動(dòng)筒支座與其他關(guān)鍵承力部位大量采用鈦合金精密鑄件，約占其整體結(jié)構(gòu)重量的7.1%武也。德國鈦鋁精鑄公司采用近α 型鈦合金IMI834 生產(chǎn)了燃?xì)鉁u輪航空發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件依播。目前，大型復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)中介機(jī)匣式風(fēng)扇框架基本采用 Ti-6Al-4V 及Ti6242 精鑄件耿逐，見表1娱必。

我國的鈦精鑄技術(shù)起步于20世紀(jì)60 年代，是借鑒和引進(jìn)國外技術(shù)發(fā)展起來的醇舶，經(jīng)過多年發(fā)展開發(fā)出了鈦合金熔模鑄造技術(shù)姻蚓、搗實(shí)型鑄造技術(shù)、石墨加工型鑄造技術(shù)等匣沼。鈦合金熔模精密鑄造技術(shù)結(jié)合離心澆鑄工藝技術(shù)狰挡，實(shí)現(xiàn)了尺寸900mm、整體壁厚2.5 mm 的薄壁復(fù)雜鈦合金結(jié)構(gòu)件澆鑄成型释涛，尺寸精度達(dá)到CT6~CT8 級加叁，鑄件表面黏污層厚度減少到0.3mm。對于中小型鑄件尺寸精度可以達(dá)到CT6~CT7 級唇撬，表面粗糙度達(dá)到R a3.2mm它匕，最小壁厚1.5μm，達(dá)到國際先進(jìn)水平窖认。北京航空材料研究院曾成功澆鑄出尺寸630mm×300mm×130mm超凳、最小壁厚僅為2.5mm 的復(fù)雜框形結(jié)構(gòu)。

隨著航空航天裝備升級換代耀态，對構(gòu)件的大型化轮傍、復(fù)雜化和高精度提出了更高要求，鈦合金精密鑄造技術(shù)結(jié)合先進(jìn)熔煉技術(shù)首装、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)抱典、熱等靜壓技術(shù)、數(shù)字化檢測技術(shù)等是今后的主要發(fā)展方向赊偿。目前绵另，與歐美發(fā)達(dá)國家相比，我國在技術(shù)基礎(chǔ)绅鉴、設(shè)備姨莽、過程控制厉源、成形改性一體化、工藝仿真和數(shù)字化檢測等方面存在一定的差距仲侈，攻克大型薄壁復(fù)雜整體精鑄件鑄造關(guān)鍵技術(shù)豆蝠，滿足先進(jìn)航空航天裝備研制的需要是今后工作的重點(diǎn)。

鈦合金超塑成形/ 擴(kuò)散連接技術(shù)(SPF/DB)

超塑成形/擴(kuò)散連接(SPF/DB)是一種把超塑成形與擴(kuò)散連接相結(jié)合用于制造高精度大型零件的近無余量加工方法秆惑，在現(xiàn)代航空航天工業(yè)發(fā)展的推動(dòng)下赛羡，經(jīng)過30多年的開發(fā)研究和驗(yàn)證試驗(yàn)，已進(jìn)入了實(shí)用階段哗蛋。

20 世紀(jì)70 年代早期词祝，美國洛克威爾公司首先將超塑成形技術(shù)應(yīng)用到飛機(jī)結(jié)構(gòu)件制造中，使鈦合金制造工藝發(fā)生了技術(shù)變革届谈。隨后枯夜，歐美將鈦合金SPF、SPF/DB 技術(shù)列為重點(diǎn)研究項(xiàng)目艰山，促使超塑成形整體鈦合金結(jié)構(gòu)件已獲得工程應(yīng)用卤档，并產(chǎn)生了巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益：聯(lián)合戰(zhàn)斗機(jī)(JSF)的后緣襟翼和副翼、F-22后機(jī)身隔熱板等重要結(jié)構(gòu)均采用了鈦合金超塑成形/ 擴(kuò)散連接的整體結(jié)構(gòu)程剥。英國羅·羅公司采用SPF/DB 技術(shù)研制出了第二代鈦合金寬弦無凸肩空心風(fēng)扇葉片劝枣，每個(gè)葉片實(shí)現(xiàn)減重35%~40%，處于世界領(lǐng)先地位织鲸。歐盟采用超塑成形的Ti-6Al-4V 合金高度控制儀氣瓶還應(yīng)用于阿里安Ⅴ火箭舔腾，國外一些導(dǎo)彈上用的鈦合金蜂窩結(jié)構(gòu)的翼面也采用SPF/DB技術(shù)成形。

國內(nèi)對SPF/DB技術(shù)的研究開始于70 年代末搂擦，經(jīng)過30 多年的發(fā)展稳诚，我國SPF/DB 技術(shù)取得了很大的進(jìn)步。近年來瀑踢，我國新機(jī)研制及改進(jìn)機(jī)型中扳还，前緣襟翼、鴨翼咱茂、整體壁板和腹鰭等大尺寸鈦合金構(gòu)件采用SPF/DB技術(shù)掰废。針對航天型號對金屬防熱結(jié)構(gòu)的需求，航天材料及工藝研究所開展了鈦合金波紋板SPF 技術(shù)研究缴碉，成功制備出TC4 鈦合金防熱瓦等熱結(jié)構(gòu)部件敢添。

SPF/DB 應(yīng)用于航空航天具有兩方面的優(yōu)勢，一方面是滿足航空航天復(fù)雜幾何形狀零件的要求叁乍，另一方面可以不用接頭(緊固件或鉚釘?shù)?獲得整體結(jié)構(gòu)季训。SPF/DB 技術(shù)的應(yīng)用方向?yàn)椋捍笮徒Y(jié)構(gòu)件、復(fù)雜結(jié)構(gòu)件则沃、精密薄壁件的超塑成形肝庸；高速超塑成形技術(shù)的研究與開發(fā)锡跺。SPF/DB 技術(shù)應(yīng)用表明：盡管鈦合金成本高，但成本效益吓死、可靠性渴甜、長壽命和重量輕量化對航空航天的吸引力更大。

鈦合金精密旋壓技術(shù)

旋壓成形技術(shù)制造的薄壁回轉(zhuǎn)體殼體構(gòu)件解決了在車削加工時(shí)存在的剛度低统岭、顫動(dòng)大蟋定、加工精度低等技術(shù)問題或根本無法加工的技術(shù)難題粉臊，應(yīng)用于航天領(lǐng)域具有諸多優(yōu)勢草添。

美國強(qiáng)力旋壓生產(chǎn)的φ3900mm大型導(dǎo)彈殼體，徑向尺寸精度達(dá)到0.05mm扼仲，表面粗糙度R a 為1.6~3.2μm远寸，壁厚差≤0.03mm。美國鈦制造公司采用1.5m 立式旋壓機(jī)旋壓φ 1524mm 的Ti-6Al-4V鈦合金導(dǎo)彈壓力容器封頭屠凶，每個(gè)封頭的旋壓時(shí)間為5min驰后。民兵洲際導(dǎo)彈第二級固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體采用了Ti-6Al-4V 鈦合金，并用強(qiáng)力旋壓成形矗愧，成形后的鈦合金殼體重量減輕30%灶芝。圍繞航天型號對輕質(zhì)、高強(qiáng)唉韭、大型化航天需求夜涕，德國MT 宇航公司采用旋壓工藝制備出φ 1905 mm 的高強(qiáng)Ti-15V-3Cr合金推進(jìn)系統(tǒng)貯箱，并應(yīng)用于歐洲阿爾法通信衛(wèi)星巨型平臺属愤，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星平臺的大幅度減重女器、增加有效載荷。

我國的旋壓工藝與設(shè)備的研究源于60 年代初期岗命，鈦合金的旋壓研究始于上世紀(jì)70 年代巨脚，經(jīng)過40 多年來的發(fā)展，基本形成了從設(shè)備的研制到工藝開發(fā)一套成熟的體系品救。國內(nèi)航天所用鈦合金及旋壓制品敢弟，如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外殼、葉片罩他景、陀螺儀導(dǎo)向罩喧撕、內(nèi)蒙皮等，Ti8Al1Mo1V 高鈦合金用于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片熱處理強(qiáng)化鈦合金旋壓成形式伶；TB2 鈦合金用于小型噴管旋壓等呀琢。

西安航天動(dòng)力機(jī)械廠研制出國內(nèi)最大直徑的鈦合金筒形件；通過正反2 道次普旋翻邊成功旋壓出φ 500mm 的薄壁半圓鈦圈贡金，零件用于空間飛行器微動(dòng)力姿態(tài)調(diào)整壕归。

中國航天科技集團(tuán)公司第703 研究所采用普旋與強(qiáng)旋相結(jié)合的技術(shù)群娃，以TC3、TC4 2 種鈦合金板材為坯料癞季，熱旋壓制備出了2 種鈦合金半球形(φ 內(nèi)522mm×2.0mm)劫瞳、圓柱形儲(chǔ)箱殼體(φ 163mm×2.0mm×200mm 的杯形件，φ 163mm×2.0mm×360mm 及φ 112mm×6.0mm×1000mm 的筒形件)绷柒。

近幾年來志于，隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬已廣泛應(yīng)用于金屬部件旋壓成形過程的分析废睦。航天材料及工藝研究所對TC4筒形件進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬伺绽，分析了旋輪攻角、旋輪運(yùn)動(dòng)軌跡嗜湃、普旋道次等工藝參數(shù)對旋壓成形的影響規(guī)律奈应，成功旋制了高深徑比的TC4 鈦合金筒形件。盡管鈦合金精密旋壓技術(shù)為航天領(lǐng)域提供了各類合金普旋成形高深徑比旋壓件购披，但從零件的工程化應(yīng)用和旋壓成形的復(fù)雜性分析杖挣，還需進(jìn)一步加強(qiáng)「斩福總的來說惩妇，旋壓技術(shù)在國內(nèi)航天工業(yè)獲得廣泛應(yīng)用，但大直徑筐乳、薄壁整體鈦合金熱旋壓成形工藝尚無應(yīng)用實(shí)例撤掀，直徑2.25 m 貯箱箱底整體旋壓技術(shù)、直徑5 m 低溫貯箱箱底瓜瓣成形克酿、鈦合金及高溫合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件成形等技術(shù)還處在工藝摸索階段颅唇。

鈦合金激光直接快速成形技術(shù)

自20世紀(jì)90年代開始，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展限匕，激光直接制造技術(shù)逐漸成為制造領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)西练。激光直接快速成形技術(shù)中有2 種方法可以用于直接制造金屬零件，即區(qū)域選擇激光熔化(SelectiveLaserMelting, SLM)技術(shù)和近凈成形(Laser Engineered Net Shaping,LENS)技術(shù)困荤。國外有關(guān)大型鈦合金結(jié)構(gòu)件激光直接快速成形技術(shù)的研究主要集中在美國然板。美國AeroMet公司在2002~2005 年間實(shí)現(xiàn)了激光直接快速成形鈦合金結(jié)構(gòu)件在飛機(jī)上的應(yīng)用。2001 年Aero- Met 公司開始為波音公司F/A-18E/F 艦載聯(lián)合殲擊/ 攻擊機(jī)小批量試制發(fā)動(dòng)機(jī)艙推力拉梁捎鹤、機(jī)翼轉(zhuǎn)動(dòng)折疊接頭秃标、翼梁、帶筋壁板等機(jī)翼鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件亡荞。2002 年制定出了“Ti6Al4V鈦合金激光快速成形產(chǎn)品”宇航材料標(biāo)準(zhǔn)(ASM 4999)并于同年在世界上率先實(shí)現(xiàn)激光快速成形鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件在F/A-18 等戰(zhàn)機(jī)上的驗(yàn)證考核和裝機(jī)應(yīng)用篡话。在航天領(lǐng)域，NASA 馬歇爾航天飛行中心(NASA’s Marshall Space FlightCenter in Huntsville,Ala。)于2012 年將選區(qū)激光熔化成形技術(shù)應(yīng)用于多個(gè)型號航天發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜金屬零件樣件的制造镰矿。激光直接快速成形技術(shù)還常常被用于鈦合金零件或者模具的修復(fù)琐驴。

我國鈦合金結(jié)構(gòu)件激光直接快速成形技術(shù)的研究，從2001 年開始一直受到政府主要科技管理部門的高度重視秤标，在飛機(jī)绝淡、發(fā)動(dòng)機(jī)等鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形制造工藝研究、成套裝備研發(fā)及工程應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)等方面取得了較大進(jìn)展苍姜。

北京航空航天大學(xué)激光材料加工制造技術(shù)實(shí)驗(yàn)室以飛機(jī)次承力鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件為對象牢酵，開展激光快速成形工程化應(yīng)用技術(shù)研究，先后制造出TA15 鈦合金角盒近200 件衙猪，完成了“激光快速成形TA15 鈦合金結(jié)構(gòu)件在某型飛機(jī)上的裝機(jī)評審”馍乙，首件激光快速成形TA15 鈦合金結(jié)構(gòu)件順利通過在某型飛機(jī)上的全部應(yīng)用試驗(yàn)考核，使我國成為繼美國之后世界上第二個(gè)掌握飛機(jī)鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件激光快速成形工程化技術(shù)并實(shí)現(xiàn)激光快速成形鈦合金結(jié)構(gòu)件在飛機(jī)上應(yīng)用的國家屈嗤。

北京航空航天大學(xué)王華明主持的“飛機(jī)鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)”項(xiàng)目研制生產(chǎn)出我國飛機(jī)裝備中迄今尺寸最大潘拨、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的鈦合金等高性能難加工金屬關(guān)鍵整體構(gòu)件吊输，并在我國大型飛機(jī)等多型飛機(jī)研制和生產(chǎn)中得到實(shí)際應(yīng)用饶号，從而使我國成為目前世界上唯一突破飛機(jī)鈦合金大型主承力結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)并實(shí)現(xiàn)裝機(jī)應(yīng)用的國家，如圖1季蚂。

相對于國內(nèi)的航空領(lǐng)域的研究應(yīng)用对轴，目前激光直接快速成形技術(shù)在我國航天領(lǐng)域的應(yīng)用研究基本上還是處于起步階段。實(shí)際上肥刻，航天液體和固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)難加工材料亮史、復(fù)雜型面的結(jié)構(gòu)件及武器型號難加工材料輕質(zhì)防熱結(jié)構(gòu)件可以很好地采用選區(qū)激光熔化技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度加工。

采用激光直接快速成形技術(shù)制造航空航天用的整體鈦合金結(jié)構(gòu)件具有材料利用率高茄溢、加工余量小哩敞、周期短和柔性高等優(yōu)點(diǎn)。但激光快速成形過程中零件變形開裂預(yù)防蝉狭，內(nèi)部質(zhì)量(內(nèi)部缺陷点级、晶粒及顯微組織等)及力學(xué)性能控制依舊是制約大型整體鈦合金關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件激光直接快速成形技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。

結(jié)束語綜合所述撞恰，鈦合金精密熱成形技術(shù)在獲得不斷進(jìn)步的同時(shí)宽缴，也遇到了一些技術(shù)難題，大型整體鈦合金構(gòu)件的工程化應(yīng)用范圍還比較小审服，但隨著航空航天產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展趾迈，鈦合金精密熱成形技術(shù)必定步入一個(gè)新的發(fā)展期，鑒于鈦合金和精密熱成形技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)烤惊，二者的結(jié)合在未來航空航天工業(yè)中的貢獻(xiàn)作用將更為顯著乔煞，今后其主要發(fā)展方向是：(1)大型或者超大型復(fù)雜(薄壁)結(jié)構(gòu)件的整體精密成形、低成本、工程化應(yīng)用渡贾；(2)計(jì)算機(jī)模擬(仿真)技術(shù)喇完、CAD/CAM技術(shù)、數(shù)控技術(shù)等與精密成形技術(shù)的結(jié)合剥啤，為航空航天新構(gòu)件的成形提供技術(shù)途徑锦溪。

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