鈦合金旋壓技術在國內航天領域的應用及發展①

張 成，楊海成，韓 冬，王曉君，莫 蓉，陸小蕊，龔軍善

(1.西北工業大學現代設計與基礎制造技術教育部重點實驗室，西安 710072;2.西安航天動力機械廠，西安 710025;3.中國航天科技集團公司四院，西安 710025)

0 引言

鈦及鈦合金作為一種戰略資源金屬，具有比強度高、使用溫度范圍寬(－269～600℃)、抗蝕性、無磁性、低阻尼和高低溫性能好等特性，在航空航天、船舶、化工、醫療工程等領域被廣泛應用［1］。目前，國內鈦合金有近70種，列入國標的鈦及鈦合金近50種［2］。在室溫下，鈦合金的比拉伸強度為高強度結構鋼的1.26倍，高強度鋁合金的1.38倍。在400～500℃內，鈦合金比持久強度、比蠕變強度和比疲勞強度均明顯優于耐熱不銹鋼［3］。同時，鈦合金為難加工材料，切削加工性差，加工效率低，刀具磨損大。正因鈦及鈦合金的加工成本高等因素，開發應用相對較緩慢［4］。因此，發展先進塑性成形技術，提高塑性成形產品的精度和質量，對鈦合金推廣和應用具有重要意義。

金屬旋壓成形技術是近代金屬壓力加工中產生的先進成形技術之一，是綜合了鍛造、擠壓、拉伸、彎曲、環壓、橫軋和滾壓等工藝特點的少無切削加工的先進工藝［5－9］。旋壓被認為是加工鈦合金、高溫合金空心回轉體零件最有效的方法，并得到了廣泛應用［10－23］。

隨著國內航天事業的不斷發展，鈦金屬在航天領域的應用空間不斷拓展，所需鈦合金的旋壓零部件也不斷擴展，如太空調整姿態使用的鈦合金氣瓶、火箭發動機殼體及噴管、發動機儲箱、空間飛行器上的球形及環形貯氣罐、著地探測用月球車等零部件。從航天未來應用展望，復雜型面成形的薄壁零件、高精度零件和低成本化制造將是鈦合金旋壓技術的發展趨勢。

1 鈦合金旋壓技術在航天領域應用現狀

1.1 鈦合金旋壓成形技術應用

金屬旋壓工藝可分為普通旋壓和強力旋壓［23］。這兩類旋壓的成形件在國內外航天導彈、火箭、衛星和飛船上均得到應用。在火箭上兩相鈦合金 BT6c、BTl4、BT3-1、BT23、BTl6、BT9 等應用較多(主要在熱處理強化狀態下)，如高脈沖推重比發動機要求采用低溫強度和塑性高的鈦合金，使用退火狀態BT6c合金制造了工作溫度可達－200℃的φ600 mm的蓄壓器用的板材、承載托架和管接頭用的坯料。目前，美國利用強力旋壓技術，已研制出φ3.9 m，徑向尺寸精度0.05 mm、表面粗糙度 Ra 0.16～0.32、壁厚差小于 0.03 mm 的火箭發動機殼體，幾乎對包括鈦合金在內所有的金屬都能旋壓成形，宇宙神洲際導彈的Ti-6Al-4V鈦合金球形氣瓶就是通過旋壓成形實現的。俄羅斯在火箭中鈦合金所占質量為5% ～30%。在“能源-暴風雪”號、“和平-1”號、“進步”號、“金星”號、“月球”號航天器中也得到廣泛應用，如采用近α合金OT4合金板材制造液體燃料火箭發動機的燃燒倉和“和平-1”號軌道站對接件;采用OT4-1合金制造發動機吊架構件、燃料箱、管接頭和托架等。

國內航天所用鈦合金及旋壓制品，如火箭發動機外殼、葉片罩、陀螺儀導向罩、內蒙皮等，鈦8Al1Mo1V高鈦合金用于發動機葉片熱處理強化鈦合金旋壓成形;TB2鈦合金用于小型噴管旋壓等。圖1為幾種典型的鈦及鈦合金旋壓制件。

圖1 航天用典型旋壓鈦合金零件Fig.1 Typical spinning titanium alloy parts in aerospace field

1.2 鈦及鈦合金在航天領域的應用

航天飛行器等系統使用的鈦合金旋壓件除了具備鈦合金的鍛鑄造組織特性和優良的物理性能外，還應具有輕量精密化的特點，這就對材料和成形設備提出了很高要求。旋壓件的高可靠性質量需經得起多次試驗數據的考核，如高低溫變形、疲勞和強度試驗、抗腐蝕性試驗的檢測，對成形件的質量要求遠高于一般產品;定型產品的低成本化，對于諸如發動機噴管等鈦合金旋壓件在滿足上述條件外，降低成本增加效率是根本，旋壓制造的經濟性工程化應用是航天應用的最終目標。

在鈦合金板材復雜成形方面，航天703所以TC4鈦合金板材為坯料，采用普旋與強力旋壓相結合方法，制備出TC4鈦合金半圓球體，并以TC3、TC4鈦合金板材為坯料，熱旋壓制備出2種鈦合金半球形、圓柱形儲箱殼體的杯形件，解決了薄壁TC4板材普旋控制難度大的問題，為同類材料的復雜型面旋壓提供了有效的技術手段。另外，703所還進行了TA7鈦合金噴管的加熱旋壓成形研究，經3道次強力旋壓制備出帶底的變壁厚噴管。在薄壁異形件鈦合金旋壓方面，航天708所與211廠旋壓成形TC4鈦合金球形、橢球形氣瓶，產品主要應用于火箭發動機儲氣箱體。開展了鈦合金無模旋壓收口工藝研究，成功進行了φ150 mm×5.0 mm的TC4擠壓管坯旋壓收口成形，為無焊縫整體鈦合金球形、橢球形氣瓶制備提供了合格的坯料［24］。

哈工大張恒大用0.8 mm厚的薄壁TC4鈦合金板材通過普旋成形制備月球車用鈦合金輪圈，并對旋壓過程進行有限元模擬，獲得了鈦合金輪圈旋壓的應力-應變分布、變形流動和壁厚變化規律［24］，航空372廠以TA2鈦合金板材為坯料，制備出12、20 mm帶寬的翻邊錐形體部件［25］。西安航天動力機械廠開展大型銅箔攝生箔機鈦筒熱旋壓成形，研制出目前國內加工最大直徑的鈦合金筒形件［26］;同時，該廠與西交大技術合作，通過正反2道次普旋翻邊成功旋壓出φ500 mm的薄壁半圓鈦圈，零件用于空間飛行器微動力姿態調整［27］。

盡管國內學者采用鈦合金旋壓技術為航天領域提供了各類旋壓件，但從零件的工程化應用和旋壓成形的復雜性分析，還需進一步加強。目前，鈦合金旋壓的加熱手段簡單，基本為乙炔火焰加熱，加熱不穩定;旋輪等工裝在熱狀態下工作的可靠性和適宜性等。所以，鈦合金旋壓在航天技術應用多為試驗型課題或單件小批量生產，在考慮低成本化和工程化應用方面尚有一定差距。

西安航天動力機械廠聯合西北有色金屬研究院、西工大等共同開展了5種規格TA5及Ti-75鑄造組織毛坯旋壓成形工藝，通過合理設計工裝(旋輪傳動軸承部分設置水循環冷卻機構，芯模與設備連接設計隔熱保護措施)、開展工藝技術改進、采用感應加熱溫度控制等多項措施，成功旋壓出薄壁筒形工件，開辟了鑄態毛坯組織旋壓成形的先例，將鈦合金旋壓技術應用于高效率低成本的工程制造技術范圍［28－31］，如圖2所示。另外，Xu W和Shan D分別對TA15和Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V鈦合金筒形件旋壓微結構進行了分析［32－33］，為研究鈦合金旋壓的微觀力學結構打下了基礎。

圖2 Ti-75旋壓工裝及應力-應變曲線圖Fig.2 Ti-75 Spinning tooling and stress strain curves

2 鈦合金旋壓成形理論研究進展

2.1 鈦合金旋壓成形的特點

鈦具有密排六方晶格，屈強比高，在常溫下鈦合金的屈強比均在0.8以上，高強鈦合金的屈強比超過0.9，因此塑性成形范圍很窄。鈦的熱導率低(僅為鐵的1/4)，熱旋時工件表面易產生密集型裂紋。另外，鈦合金在高溫條件下與工具粘著性較大，流動性差，導熱和潤滑問題嚴重，制件表面質量較差，尺寸精度較難控制，產品質量不易得到保證。鈦合金的彈性模量較低，僅鋼的1/2，因此旋壓時鈦合金不易貼模，旋壓成形件回彈嚴重，難以保證形狀和尺寸公差。鈦合金具有六方晶系結構，各向異性嚴重。鈦材在受壓時穩定性較低，易失穩起皺。鈦合金熱旋時，易出現起皮、裂紋、表面鼓包及尺寸精度差等缺陷［4］。

2.2 旋壓成形分析方法及理論研究

由于航天飛行器用鈦及鈦合金旋壓件技術要求高于其他行業，國內相關高校和科研單位對鈦合金旋壓理論進行了廣泛研究。鈦合金成形方法和理論研究范圍很廣，分析軟件品種多樣，且各有側重，北京航天特種材料及工藝技術研究所通過在強旋設備上改裝拋物線型仿形樣板，解決了鈦合金普旋成形的關鍵問題，得出了旋輪沿拋物線型軌跡運動，凸緣大端使材料沿各個道次均勻變形，不會造成材料的堆積，而旋輪的直線型軌跡是導致普旋堆積的主要原因［34］。

文獻［35－39］認為，旋壓后采用合理的退火和淬火時效處理工藝，可使得TC4鈦合金組織性能提高，非金屬成分含量仍滿足標準要求，可滿足航天型號各種使用狀態的要求。

北京航空制造工程研究所對發動機用貯箱殼體用TC4合金進行了旋壓成形工藝試驗研究，對TC4合金的普旋和強旋成形進行了有效組合，完成了較大尺寸TC4合金復雜回轉體構件的整體成形，對成形過程中易出現的問題及成形后零件的組織和力學性能進行分析認為，在經過多次復合旋壓成形后，材料對有害氣體的吸附程度不很明顯，各項性能較旋壓前均有所提高［40］。由于鈦合金常溫塑性較差、變形抗力很大，在室溫條件下進行強旋加工較為困難，李繼貞等曾對TC4、Ti-15-3、TB2等材料進行過冷強旋試驗研究，但由于室溫下低塑性及各工藝參數的綜合影響，試驗件均存在開裂或其他缺陷［40］。

國內學者利用有限元數值模擬，針對鈦合金旋壓成形過程做了大量工作。李啟軍等采用Ansys/LS-DY NA軟件，以TC4合金預成型錐形件作坯料，旋制成功了高深徑比的TC4鈦合金筒形件［38］。中科院金屬所呂昕宇和北航制造工程所侯紅亮采用Marc軟件，對TC4鈦合金筒形件流動旋壓及錐形件剪切旋壓進行了三維彈塑性有限元模擬，分析了剪旋成形中出現的不貼芯模、旋輪前堆積現象的產生原因［36］。哈工大余汪洋建立了鈦合金半球形件溫旋的三維彈塑性有限元模型，采用動態顯示有限元程序Ansys/LS-DYNA對鈦合金半球形件溫旋過程進行模擬分析，獲得進給比、減薄率和材料參數等因素對溫旋工藝的影響規律［41］。呂昕宇等采用Marc軟件對TC4鈦合金筒形件流動旋壓及錐形件剪切旋壓進行了三維彈塑性有限元模擬，分析了TC4鈦合金三旋輪反旋壓成形筒形坯外表面的等效應力、應變，得出了筒形件反旋壓成形時的旋壓力［42］。西工大張敏聰開展了TC4鈦合金高壓容器強力旋壓成形過程的有限元模擬，給出了旋壓成形過程中的應力-應變分布情況及變形規律，得出旋壓溫度、旋輪形狀(外徑、成形角、頂端圓角半徑)、旋輪的進給比、壁厚減薄率、道次程序及潤滑條件、旋壓方式(正旋、反旋)對成形件精度的影響規律［43］。哈工大張恒大對0.8 mm薄壁TC4鈦合金板材制備月球車用鈦合金輪圈通過普旋成形過程進行了有限元模擬，獲得了鈦合金輪圈旋壓的應力-應變分布規律、變形流動規律和壁厚變化規律［44］。哈工大單德斌等應用Ansys/LSDYIN軟件，對鈦合金輪圈的旋壓過程進行有限元數值模擬，開展了TC4鈦合金熱旋翻邊的試驗，基于此確定了鈦合金輪圈熱旋壓成形方案，并開展了BT20鈦合金筒形件旋壓組織和擇優取向研究［45－48］。西工大李虎［49］及哈工大陳宇［47］開展鈦合金筒形件旋壓熱力耦合研究，西工大韓冬等利用Abaqus/ExPlicit分析模塊，建立了Ti-75合金雙輥輪旋壓有限元模型，通過研究不同旋壓條件下材料組織性能分析，完成了鑄態毛坯筒形工件的旋壓［28］。

對鈦合金旋壓成形理論的研究發現，鈦合金適于加熱旋壓，熱場穩定性決定旋壓成形的穩定性;建立彈塑性有限元力學模型，可對其成形的工藝參數進行數值模擬，分析旋壓受力狀態和缺陷原因;經過旋壓的鈦合金材料組織細化綜合性能不同程度的提高。但對較復雜型面的薄壁零件旋壓成形分析及低能耗低成本的旋壓成形分析，還有待進一步研究。

3 影響鈦合金旋壓成形及質量的因素

3.1 加熱溫度控制

控制鈦合金熱穩定性和熱強性是強力熱旋成形的關鍵。坯料加熱溫度和均勻性是質量控制的重要因素。溫度偏低，金屬的變形抗力大，塑性差，在旋壓時易產生裂紋;溫度過高，易產生堆積隆起，且變形后金屬晶粒增大，表面氧化加劇，降低旋壓件的綜合性能。坯料受熱不均，溫度梯度過大，從而鈦合金(導熱性差)變形不均，工件表面易產生密集型裂紋［26］;不同牌號、工件形狀的合金旋壓溫度也不盡相同，見表1。

表1 不同鈦合金旋壓件的旋壓溫度選取Table 1 Choosing spinning temperature for different Titanium alloy spinning pieces

3.2 旋壓工藝參數對制品質量的影響

鈦合金在旋壓工藝中，由于受到坯料狀態、工藝參數等因素影響，易出現起皮、裂紋等缺陷。因此，在坯料狀態確定的條件下，采用合理的工藝參數，可有效防止旋壓缺陷的產生。

裂紋是鈦合金旋壓件的缺陷之一。引起旋壓件裂紋的主要原因為材料缺陷、工藝參數及變形不均等因素。溫度梯度也是裂紋產生的重要原因;另外，普旋失穩最終會產生起皺開裂。起皮是鈦合金熱旋產生的魚鱗狀毛刺，一般與流動旋壓過程中材料的隆起有密切關系。由于旋壓過程中旋輪前隆起的材料被壓入旋輪下產生折迭，毛坯材料在旋輪前形成局部隆起，可用隆起系數表示。其中為工件變形處實際壁厚為工件變形處名義壁厚。隆起系數隨壁厚減薄率、進給比和旋輪工作角的增大而增大。在其他參數相同的條件下，正旋的隆起比反旋要小;另外，加熱溫度過高也易產生起皮缺陷。堆積形成的主要原因是工件加熱溫度過高強度過低，旋輪工作角相對過大導致。失穩是由于道次減薄率過大，金屬成型復雜引起，普旋失穩與板料直徑和壁厚有關。

3.3 旋壓工裝及潤滑方式

旋壓工裝主要含芯模及旋輪。對于鈦合金熱旋壓方式，芯模采用熱作模具鋼。通過旋壓試驗和經驗認為，熱作模具鋼5CrNiMo為芯模材料較適宜，考慮到熱成形，調質硬度不宜過高。旋壓芯模受熱傳遞，旋壓機主軸箱體容易受熱膨脹，影響其使用壽命。因此，需在芯模和設備主軸連接處加石棉墊隔熱。旋輪軸承部位需通入循環水冷卻，防止旋輪“抱死”現象出現。

鈦合金旋壓需要耐高溫材料作潤滑劑，常溫下旋壓使用的二硫化鉬及石墨干粉均不能滿足鈦合金旋壓，高溫潤滑劑中玻璃潤滑是理想的耐高溫防腐潤滑材料［50］。

4 結束語

國內已基本掌握了小型鈦合金簡單零件的旋壓工藝技術，但在鈦合金及高溫合金復雜結構件成形技術還處在工藝摸索階段，在航天工程所需的帶有復雜內筋的薄壁零件、非對稱回轉體零件的旋壓加工方法還處于研究階段。另外，國內使用的近70種鈦合金在航天工程應用中也十分有限，鈦合金一些優良性能還未充分得到驗證。對于鈦合金旋壓的低成本試驗，包括粉末冶金毛坯、鑄造組織毛坯以及板材卷焊成形毛坯的旋壓是未來突破性進展和大規模應用的方向。同時，隨著我國航天技術發展，高性能輕量化鈦合金精確旋壓成形技術在火箭、導彈、衛星和飛船上具有廣闊的應用發展空間。

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