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钛合金管材研制及其在航空领域应用的现状与前景

发布时间:2024-07-05 15:27:12 浏览次数 :

引言

管路系统是飞机的生命线,其性能好坏直接影响飞机的整体性能。如果把发动机比作飞机的心脏,那么形形色色的管路就像飞机的血管网,源源不断地把各种营养输送到飞机全身的各个角落。管路系统的可靠性和持久性是影响飞行安全、降低维修成本和满足适航要求的重要因素,因此提高管路系统的技术水平对提高飞机性能是非常重要的[1]。

钛合金管

钛合金作为一种先进的轻量化结构材料,具有优异的综合性能,其密度小,比强度高,疲劳强度和抗裂纹扩展能力好,抗蚀性能优异,焊接性能良好等,因此在航空、航天、汽车、造船、能源等行业具有日益广泛的应用前景[2-8]。钛产量中约80用于航空和航天工业[9]。由于钛合金管的研制和加工技术难度很大,加之钛合金材料价格昂贵,使其在应用方面受到限制,目前主要在工业耐腐蚀和船舶方面的应用相对较广,如海水装置、核电、盐碱行业以及舰船等[10-11]。但国外,由于钛合金管材的研制和配套应用技术发展成熟,因此,钛合金管材在发达国家的航空、航天等领域已有一定的应用,如国外先进飞机的引气管路、液压管路、燃油管路等都广泛采用了钛合金管。而我国,由于钛合金管材研制、弯曲及管接头技术尚未完全成熟,钛合金管在民用飞机和军用飞机上均还未获得广泛应用r1引。由于钛合金管材的应用涉及管材研制、弯曲成形、管端头加工与连接等方面,因此,本文总结了钛合金管材的研制技术、钛合金管弯曲成形技术及钛合金管端头加工与连接技术等方面的国内外现状与发展趋势,分析了钛合金管材在我国飞机上的应用情况及与国际先进水平的差距,并指出了钛合金管材在我国飞机管路系统的应用前景,从而为钛合金管材在我国先进飞机上逐步的广泛和成熟应用提供指导。

1、相关领域国内外研究状况

1.1钛合金管材研制的国内外现状

在钛合金管制造方面,世界各国一直致力于提高钛合金管的可靠性和柔韧性,扩大产品系列。

目前,国外发达国家的钛及钛合金无缝管的制造技术已比较成熟。对于低强度、低合金化的钛及钛合金无缝管制造均采用冷轧真空退火工艺,而管坯制备主要采用钻孔挤压和斜轧穿孔两类工艺[13-15],其中钻孔挤压方法的金属消耗量大,工艺废料高达10%~15%,但管坯壁厚均匀;而采用斜轧穿孔方法的金属消耗量小,工艺废料为1~3,轧制变形的温度、速度范围较宽,道次变形量可达20~90,可减少加热次数和钛合金的氧化损失,提高成品率,但缺点是管坯厚度公差稍大。目前,斜轧穿孔是无缝管生产的主要方法。对中、高强钛合金无缝管,则采用温轧技术,即在轧管机上安装感应加热装置,一般温度控制在再结晶温度以下100℃左右。采用温轧技术可生产中等规格的GR5(Ti-6Al-4V)钛合金管材[13]。另外,K.Srinivasan等[16]研究了采用开式模具挤压商业纯钛管的可行性。结果表明,采用开式模反向挤压制造纯钛管的质量较高,消耗的润滑剂少,且模具结构较挤压制管方式简单,但这种方式只适用于比较短的管件的制造。

10年前,美国RMI公司的R.W.Schutz就给出了一种高效率、低成本生产Gr5、Gr23、Gr29和Gr28无缝管的热穿TLSL制工艺,所生产的无缝钛管的直径达610mm、壁厚达26mm、长度达12m,已被成功应用于能源行业的地热盐井,深水海上钻井升管、钻杆等方面[4]。

提高管材的性能和承载能力一直是钛管研制领域的热门课题,世界各钛管生产制造商不断提高钛合金管的强度极限。在美国,通过采用去应力退火方式已经可以安全、可靠地实现860MPa级的高强钛合金管Gr9的制造。虽然高强度有助于提高钛管的抗拉、扭转等能力,扩大其抗拉伸、耐高压、复合疲劳等的适应性,但强度提高的同时也会导致塑性、韧性降低,增大裂纹敏感性,并增加后续的弯曲、管端头成形的难度。因此,随着钛管应用的不断扩大,除了材料强度以外,还应更加关注钛管性能的其他方面,包括塑性、韧性、疲劳寿命、显微组织以及焊接性能等,以达到综合性能的良好匹配。

由于钛无缝管加工工序多、生产周期长、效率低、成本高,使得其应用受到限制。而基于钛带轧制、焊接工艺为主的钛焊管,由于材料利用率高、生产效率高,而且其扩管、弯曲性能也与无缝管几乎无差别,所以国内外钛焊管的用量在逐年增加,各国也都在发展自己的钛焊管生产体系,并在电站冷凝器中日益得到应用[17]。

表1[4,13,18]为目前国外生产制造钛合金管的主要厂家及产品情况。其中,90左右的钛管是材质为工业纯钛(Gr1和BT1-0)的无缝管和焊管,其次是Gr9(Ti-3A1-2.5V)、Gr5/BT6(Ti-6Al-4V)和Ⅱ7M(Ti-2Al-2.5Zr)等钛合金无缝管。

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在低强、低合金化钛合金无缝管制造方面,我国同样采用冷轧真空退火工艺,该技术在我国已经成熟。然而,由于受中、高强钛合金管材冷变形能力的限制,必须采用温轧技术,但目前我国的中、高强钛合金管材温轧生产技术尚不够成熟,高强度钛合金薄壁管TA18M(对应Gr9)的研制目前尚处于探索试制阶段。表2为国内生产制造钛合金管的主要厂家及其产品情况[13,19-20]。

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另外,上海长隆金属钛材厂还探索出了自行车用Ti-3Al-2V无缝管和TTi-3Al-2.5V异型管生产工艺[21-22]。其中,常州法力诺长城焊管公司是法国VALTIMET公司在中国投资的全资子公司,其产品主要为焊管,经过10年的发展,该企业已发展成为国内焊接管材生产的龙头企业,占有国内市场70%左右的份额。宝鸡钛业股份有限公司所生产的钛及钛合金管的外径介于6mm~210mm,壁厚介于0.5mm~12mm之间。由于宝鸡钛业股份有限公司

还与常州法力诺长城焊管有限责任公司、法国VALTIMET公司和美国TimetAsia公司合资组建

了西安宝钛美特法力诺焊管有限责任公司,因此该公司还具备生产钛合金焊管的能力。西北有色金属研究院下属的西部钛业股份有限公司所生产的钛及钛合金管的外径介于3mm~130mm,壁厚介于0.2mm~4.5mm之间。江苏宏宝集团有限公司所生产的钛及钛合金管的外径介于6mm~159mm,壁厚介于0.5mm~15mm之间。

对比表1、表2可以看出,国内在纯钛和中、低强度、低合金化的钛及其合金管生产能力方面与发达国家相当,如表3所示。但国内尚不能生产高强TA18M管(Gr9)。并且美国RMI生产的钛及其合金管的长度可达6000ft~10000ft(1830m~3050m),并可以线圈形式供货,而国内尚无法达到此水平。

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1.2钛合金管材弯曲及弯管机械的国内外现状

钛合金管弯曲工艺,特别是冷弯曲工艺,是一项十分复杂的工艺过程,受到管材本身性能、管壁厚因子、弯曲工艺、模具设计制造水平等诸多因素的影响。

由于钛合金在室温下成形具有各向异性显著[22-24]、变形抗力大、塑性差、延伸率有限、成形困难、回弹显著等特点[25-26],因此,适合在室温下冷弯曲成形的国内外钛合金导管材料的牌号有TA1、TA2、TA3等延展性稍好的商业纯钛和Ti-3A1-2.5V(TA18)等近α钛和Ti一6Al一4V(TC4)等a+8钛。并且,国外有人认为弯曲半径与管径之比大于2,且管径小于75turn(壁厚0.4mm~0.9mm)的纯钛管,在室温下可顺利弯曲成形。而在多数情况下,钛合金管都需要加热弯曲,加热温度以150℃~260℃为宜,加热方式为电热元件加热,并以热电偶控制温度[26]。

在国外,钛合金管数控弯曲技术已经比较成熟、完善,部分纯钛管采用数控冷弯技术,部分钛合金管采用数控热弯工艺,钛合金管已经大量应用在飞机后机身各管路系统,极大提高了飞机的机动性能[27]。但鉴于钛管弯曲及应用问题的战略性,国外对其严格保密,公开的文献较少。SunmooHur等[28]对Ti-6Al-4V大口径管(62.37mmX4.4mm)进行冷弯曲时,管件内部加填充料,成形管件圆度较好,椭圆率仅为1.28,但未对填充料类型、弯曲方式、弯曲工艺等内容进行详细报道。毛军锋等编译了一些宇航钛管弯曲的资料,从弯曲类型及种类、模具设计及模具材料、润滑剂的选择、弯曲速度、调模方法等方面作了介绍,运用筒式电加热器对模具加热,并且对加热部位作了简单介绍。该文是对钛管弯曲的一个概述性质的介绍,具有指导意义,但对于中、高强度钛合金管的冷弯曲的论述还未涉及。

在我国,由于缺乏适合钛合金管热弯成形的设备,目前尚只能较为稳定地实现纯钛(如TA1、TA2)和一些强度不是很高的钛合金管材(如TA16M)以及中强钛合金管(如TA18M)的数控冷弯曲成形。

国内沈阳飞机工业公司已经在美国伊顿公司生产的VD100数控弯管机上成功实现了TA16M钛合金导管的数控冷弯曲和半自动弯曲。由于TA16M钛合金是一种低强度的0型钛合金,故较适合应用在对压力要求不高的飞机的空调、燃油等管路系统中[29-30]。另外,北京航空制造工程研究所主要采用推弯方法实现了钛合金管弯头的成形制造。

根据先进飞机研制的迫切要求,西北工业大学开展了TA18M钛合金导管数控弯曲精确成形技术方面的研究。基于ABAQUS和ORACLE平台,目前已开发了钛合金管数控弯曲模拟仿真及工艺管理系统,设计制造了钛合金管数控弯曲模具,并成功实现了TA18M钛合金管的数控冷弯成形[31]。

西北有色金属研究院也开展过钛管热弯成形研究,并进行了牛角芯棒热推弯成形的有限元模拟[32-33]。吴建军等[34]采用有限元软件ANSYS建立了大直径薄壁纯钛管加热弯曲成形过程有限元模型,通过模拟分析,得到了合理的加热温度区间。这些数值模拟工作可为钛管的热弯曲提供有益的指导。

上述弯曲工作主要是针对低、中强度钛合金管材,而针对高强度钛合金管弯曲方面的工作,国内还未见有报道。

虽然钛管在加热条件下会产生大的延伸率,有利于弯曲成形,然而,模具膨胀、加热条件下材料和模具的润滑、弯管机械部件的冷却等问题限制了钛管热弯曲的应用范围。因此,发展精密高效的钛合金冷弯曲成形是当前迫切需要解决的问题。在适合于钛合金管材加热弯曲的弯管机械方面,目前国内外带加热装置的弯管机形式主要有两类,如表4所示。其中,在绕弯工艺上添加加热装置的方法,早在1987年,日本三菱公司MizobeHiroshi等[35]就申请了专利,并在三菱公司得到了应用。

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目前,国内感应加热推弯弯管机比较普遍,主要是为适应国内石油管道建设而开展的中高频感应加热弯管设备及工艺的研究。而对于钛合金管材加热绕弯所需的加热装置国内鲜有资料,文献[36]对钛合金导管热弯成形作了介绍,并给出了加热装置示意图。

由于数控弯管具有高效、精确等特点,国内外都趋向于使用这种弯曲工艺来成形钛合金弯管件,以有效避免起皱、破裂、截面畸变等缺陷,提高钛管成形质量。随着钛合金管在航空领域的逐渐推广应用,并且由于航空弯管的成形质量要求高,因此可以预测,在不久的将来,国内将会研制出有自主知识产权的、通过模具加热的绕弯弯管机。

1.3飞机液压管路系统、导管端头加工与连接的国内外现状

液压管路是飞机诸管路中工作压力最高、可靠性要求最严格的一个部分,飞机管路系统技术水平的高低就集中体现在液压管路系统中。对于液压系统来说,在同等功率条件下,工作压力越高,所要求的作动筒和油泵活塞底面积越小,所要求的管路流量越小,因而液压系统的整体尺寸和重量都会相应减小和减轻,而较低的介质流速也减少了在管路中流动的功率损失。因此,不断研究更高工作压力的液压系统及其标准件是航空工业发展的客观需要[1]。

美国的液压管路系统从2O世纪60年代就开始采用28MPa液压系统,目前已被更高压力的液压系统所取代。28MPa液压系统在俄罗斯也早已应用。欧洲发达国家主要使用的也是28MPa液压系统[1]。我国目前使用的主要还是21MPa的液压系统。301所已经开展了工作压力为28MPa的液压导管连接件标准方面的研究[1]。

在飞机导管端头加工与连接方面,导管连接件的结构形式有许多种,扩口连接结构简单,是一种应用最广泛且已成熟的连接形式,苏~27飞机上的28MPa系统就是采用这种连接结构形式。但是它的密封面面积大,生产过程中所产生的形状误差和表面粗糙度误差所造成的间隙难以消除,因此密封性差;而且不具备自锁能力,需要保险丝锁紧。而在一个扩口连接点打保险丝需要约10min时间,这对于外场维护非常麻烦,并对飞机的出勤率有一定的影响[1]。

为从根本上解决扩口连接的密封问题,世界各航空工业发达国家都对此进行了研究,现已有多种密封性能远优于扩口连接的结构形式。比如,卡套式无扩口连接、挤压式无扩口连接、唇式连接等。另外,内径滚压成形是导管无扩口连接的一种精密成形方法,具有其他成形方法所无可比拟的诸多优点l_3。钛合金管件内径滚压连接成形技术是符合现

代飞机对减重及高度机动性等高性能标准的一种先进的管件连接技术。与传统焊接形式的钛合金管件连接方式相比,具有制造成本低、生产效率高、易于操作、连接可靠、检测便捷等优点,所成形的管件具有良好的气密性,可以承受高温高压。目前,国外已基本突破钛合金管件内径滚压成形技术,美国在过去几十年中所开发的钛合金连接管件内径滚

压成形技术已完全实现计算机自动控制,成形零件精度高l_[38],在F15、F16、S76等飞机上得到广泛应用,并正在进行高温钛合金连接管件滚压成形技术的研究,逐步向飞机发动机及航天领域扩展。俄罗斯在这方面的研究也具有很高的水平,钛合金内径滚压成形连接管件已在多种型号飞机上得到广泛采用,并研制了相关的专用成形设备。

我国目前生产的飞机,其液压管路系统几乎全都采用扩口连接形式。虽然相关文献[1]认为,鉴于钛合金管在室温下的延伸率较低,变形困难,因此不适合于扩口连接形式,相比较而言,卡套式和挤压式均可用于工作压力为28MPa的钛合金液压导管连接,且挤压式的性能相对更好一些。但耐压试验和爆破试验表明,中强TA18M管也可采用扩口

连接,并适合28MPa液压管路系统。图1所示为经56MPa耐压试验和112MPa爆破试验的各种规格TA18M钛合金直管件和弯管件。

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在采用机械方法连接管件方面,国内的研究主要局限于铝合金、不锈钢等材料的挤压成形[39-40],对钛合金材料涉及较少。北京航空制造工程研究所开展的工艺研究表明,内径滚压成形可以将钛合金管和不锈钢封严套紧密地连接在一起,并可承受很高的内压力[41-42]。

关于飞机管路液压系统,工作压力的提高必然带来导管及连接件的材料强度和连接件的结构密封问题。从性能而言,各种无扩口连接形式均优于扩口连接形式,因此,发展和采用无扩口连接形式是飞机管路连接的发展趋势。

1.4钛合金管在飞机管路系统应用的国内外现状

我国高性能钛材的研究在“九五”以前以仿制为主,“九五”以后以创新与仿制并举,虽然取得了一定进展,但由于应用研究相对较薄弱,在实际应用方面同国外先进国家有较大差距,尤其是在钛管材应用方面。表5为钛合金管材在国外发达国家飞机上的应用情况[。。而国内钛合金管虽然从20世纪70年代就开始研制,但未能在飞机上广泛使用,系统零部件用钛几乎是空白。

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虽然我国目前在钛合金管材的研究与航空应用方面与国外发达国家还存在较大差距,但若充分发挥现有材料的应用潜力,扩大钛合金的品种、规格,特别是系统管路用材和连接件,重点突破或完善配套有关工艺技术,抓住重大型号改进改型和新机设计的机遇,就能够实现中国航空人为之努力的方向之一,即钛合金管材应用研究技术的大跨度发展。

2、钛合金管材在我国自主研制飞机中的应用前景与发展方向

为提高飞机的整体飞行性能,满足飞机重量相对轻、寿命长、机动性能好等要求,大型客机和战斗机管路系统的工作压力将逐步提高,各种具有优异综合性能的钛合金管材必将逐步获得广泛应用。

鉴于液压管路系统在飞机管路系统的重要性,首先开展钛合金管材在新飞机液压管路系统的应用是可行的。从比强度、比刚度、耐腐蚀性和冷弯曲成形能力以及材料的成熟度考虑,采用TA18M(Ti-3Al-2.5V)钛合金导管是目前一种较理想的选择。

TA18M钛合金是从TC4(Ti-6Al-4V)合金演变而来的低铝当量近α型钛合金,是作为可冷加工的管材应用而研制的,具有良好的冷成形和焊接性能,可以制造多种无缝管材、焊接管材和蜂窝结构,通过热处理可以实现良好的强度和塑性匹配[12]。该合金的室温强度比工业纯钛高20~50%,对缺口不敏感[43],在许多介质中具有良好的抗蚀性[44-45]。因此,适于制造各种飞机上的导管。TA18M钛合金管材已在美国高科技军用和民用多种飞机上作为液压、燃油等管路系统应用。例如,20世纪70年代中期开始作为航空导管在F-14A、F-15和波音757、767等机种上应用。TA18M导管在我国航空及民用方面也有一定的应用基础,在我国运输机上作为空调管路应用过,并将在航空发动机管路系统中应用。

由于TA18M钛合金密度小,较不锈钢管可有效减重,更可贵的是,其良好的焊接性能使后续的管端头易于连接,而且其与复合材料结构的强度和刚度具有优良的匹配性能,可以进一步获得很好的减重效果。因此,TA18M

是目前最适合于制作先进飞机上耐高压轻质导管的理想材料。

近年,随着钛合金生产技术的发展,先后开发出几种适合于室温下进行塑性加工的高强口型钛合金。其中近J3型的Ti一15-3(名义成分为Ti一15V-3Al-3Cr-3Sn)是较有应用前景的钛合金之一[46-51],可以在固溶状态下采用冷成形方法进行加工,其冷加工性能与工业纯钛相当,甚至比工业纯钛还好,并可以通过热处理方法(时效)进行强化(其强度可达1400MPa~1500MPa),且该合金还具有较好的焊接性能和性能均匀性,使得Ti-15-3生产成本大为降

低,制件精度和性能大幅度提高,从而有力地促进了Ti-15-3在航空、航天等工业中的应用。使用该合金代替飞机上大量应用的30CrMnSiA结构钢,可以获得明显的减重效果:代替某些热成形钛合金零件可以降低制造成本。因此,Ti-15-3合金是一种较为理想的航空结构材料。采用该合金制造飞机零件是提高飞机结构效益和可靠性的重要措施之一。该合金特别适宜制造飞机和火箭发动机推进剂贮存箱和导管等部件,最高工作温度为290℃。另外,

高强钛合金TA18管材在我国尚处于研制阶段,目前迫切需要解决的,是如何在提高强度的同时,能够保持足够的塑性,以便使得后续冷弯曲和端头加工能够顺利开展。如果能突破该制造瓶颈,估计钛合金管材在先进飞机中的应用将大大提高。

因此,以国外先进飞机上成熟可靠使用过的、且在我国航空领域有较好应用基础的低合金化、耐高压钛合金管材TA18M和Ti一15—3为切人点,开展相关耐高压管材研究与应用的试验验证工作,充分发挥传统钛合金材料的应用潜力,完善、改进已经研制的新材料,探索和研究综合性能更好的新型材料,形成适合我国国情的钛合金管材材料体系,重点突破或完善相关配套工艺技术,并逐步推广钛合金在大客飞机及其他管路系统的应用,必将实现钛合金管材应用研究技术在我国先进飞机上由点到面,并逐步深入与细化的大跨度发展。

3、结论

近年,钛合金材料的研制不断向高性能化、功能化、低成本化方向发展。与此相适应,国内外钛合金管制造的发展趋势,一方面是降低原材料的成本,即发展不含或少含贵金属元素,取而代之添加铁、氧、氮等廉价元素的合金,或开发新的低成本的海绵钛生产工艺。另一方面是通过各种工艺途径降低钛合金管材的加工、制造成本,如开发低加工

成本的可冷变形的钛合金管材,并不断扩大钛合金管材在飞机上的应用范围。而为了提高飞机的整体性能,减重、节能和降耗,国外飞机液压系统目前普遍使用的是28MPa系统,并开始逐步采用更高的系统压力。国内目前采用较多的是21MPa系统,采用28MPa液压系统将成为发展趋势。对于与高压液压管路系统配套的成形与连接技术,国外的钛合金管数控弯曲与内径滚压无扩口连接工艺已较成熟和完善,仍将成为今后持续发展和普遍应用的工艺和技术。

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