大型航空模鍛件生產工藝研究

文/閆贊飛，劉衛·西安三角防務股份有限公司

大型航空模鍛件是指在大型模鍛壓力機上生產的航空模鍛件，而大型模鍛壓力機是指壓力必須是4萬噸級以上的模鍛壓力機，大型模鍛壓力機的鍛造特點是可通過大的壓力、長的保壓時間、慢的變形速度來改善變形材料的致密度，使鋁合金、鈦合金、粉末合金等難變形材料通過均勻的塑性變形來滿足設計要求。

大型航空模鍛件的制造行業是關系到國家安全和國家經濟命脈的不可或缺的戰略性行業，也是國家能力的重要組成，迄今為止，僅有中國、美國、俄羅斯、法國四個國家有類似設備，中國的8萬噸模鍛壓力機全世界最大。為提高航空產品的整體性能，大型航空模鍛件在航空制造領域的需求會越來越多。

大型航空模鍛件的特點

大型航空模鍛件在飛機機體、起落架、發動機和螺旋槳等受力構件中廣泛應用，整體模鍛件比以大量小零件組合的構件和自由鍛等毛坯制的整體零件都要優越，由于減少了接頭、消除了應力集中的來源——鉚接孔，因而具有較高的強度。

大型航空模鍛件整體模鍛時，采用的尺寸和重量都小于自由鍛件的預變形毛坯，這就能減少在鍛件內部出現各種缺陷的可能性，保證了鍛件纖維方向與零件輪廓形狀相符合，減少了裝配工作量和機械加工余量（減少40%～50%），使零件的使用壽命得以延長。

大型航空模鍛件大多為密度較小的有色金屬材料，因為減輕飛行器重量一直都是航空科技工作者的重要目標，所以鋁合金鍛件（圖1）和鈦合金鍛件（圖2）材料所占比例最多。

圖1 鋁合金鍛件

圖2 鈦合金鍛件

大型航空模鍛件的設備要求

美國、俄羅斯、法國之所以能在航空領域傲視全球，得益于其擁有大型的模鍛設備。1955年美國建造了兩臺4.5萬噸模鍛壓力機（圖3），該壓力機生產了波音747-787、F16、F35、F22等先進飛機上重要鈦合金隔框類鍛件；1976年法國安裝了一臺6.5萬噸模鍛壓力機（圖4），該壓力機造出了堪比美國波音的空客A320-A380客機、陣風F3等系列戰斗機鈦合金鍛件；1961年俄羅斯建造了兩臺7.5萬噸模鍛壓力機（圖5），該壓力機造出了全球最大的安-225大型運輸機、蘇27-34等先進戰機鈦合金結構件。

圖3 美國4.5萬噸壓力機

圖4 法國6.5萬噸壓力機

圖5 俄羅斯7.5萬噸壓力機

建國后，雖然我國大力發展重工業，但大型模鍛壓力機一直沒有能力制造，因此，航空工業發展非常緩慢。2012年，西安三角防務4萬噸大型模鍛壓力機（圖6）順利投產，2013年德陽二重8萬噸模鍛壓力機（圖7）熱試成功并投產，我們終于擁有了生產大型航空模鍛件萬噸模鍛壓力機。

大型航空模鍛件的鍛造工藝

模鍛用毛坯

大型航空模鍛件用毛坯不能直接使用鑄錠，通常是將鑄錠進行改鍛后形成組織均勻的荒形毛坯。主要原因是：第一，毛坯的形狀和尺寸能夠最大限度地符合模鍛件的要求，而鑄錠卻不能滿足這些要求；第二，鑄錠金屬不具有模鍛件質量所需的性能。

模鍛用毛坯的鍛造工藝包括下列工序：切斷鑄錠及切取宏觀組織用的試片（鋸床進行）；鑄錠扒皮（車床進行）；銑削端部（專用端面銑床）；加熱和鍛造（電爐加熱，且電爐需配強制空氣循環裝置）。

圖6 中國4萬噸壓力機

圖7 中國8萬噸壓力機

模鍛工藝

大型航空模鍛件工藝較為復雜，不僅對設備有較高要求，對材料特性、加熱控制、鍛件和模具設計等也有很高要求，下面從常用的鋁合金和鈦合金大型模鍛件生產工藝進行論述。

⑴鋁合金模鍛工藝。

鋁合金模鍛工藝由下列要點構成：坯料準備、加熱、變形速度和變形程度、鍛件設計、潤滑、清理及修傷。

1)坯料準備。裝爐前，檢查毛坯表面（毛坯表面應清潔，以免鍛入切屑、砂粒等，從而加速模具磨損，造成鍛件表面缺陷）。

2)加熱。鋁合金極易氧化，鍛造溫度范圍很窄，因此最好采用電阻爐進行加熱。裝爐時，鋁合金坯料應避免和鋼在一起加熱，鋁屑和氧化鐵屑混在一起容易產生爆炸。

3)變形速度和變形程度。變形速度對鋁合金工藝塑性沒有顯著影響，既能在低速下，又能在高速下進行模鍛。一般鋁合金的臨界變形程度為12%～15%，為了避免在再結晶時形成粗大晶粒，鋁合金每次變形量應大于12%～15%。

4)鍛件設計及工藝操作特點。選擇分模面時，不僅要考慮金屬充填模膛的能力，還要考慮變形的均勻、流線的分布。對于形狀復雜的鍛件，要采用多套模具，多次模鍛，使其由簡單的毛坯逐步過渡到復雜的形狀。設計鍛模時，鍛件難成形部分通常位于下模。為了增加金屬流動性，確保終鍛溫度，模具在工作前必須預熱12小時以上，預熱溫度為250～420℃。

5)潤滑。模具潤滑是鋁合金模鍛工藝過程的一個重要組成部分，良好的工藝潤滑劑能有效地改善金屬流動，減少金屬與模具表面的粘附力，提高模具壽命?？墒褂?6.7%工業硬脂酸＋13.3%工業苛性鈉組成的潤滑劑，此潤滑劑在450℃以下不燃燒，也不分離出有害的析出物。

6)清理及修傷。鋁合金質地較軟，與鍛模的粘附力大，因而鍛件容易產生折疊、裂紋、起皮等缺陷。這些缺陷如不及時清除干凈，再次模鍛時就會繼續發展，致使鍛件報廢。

⑵鈦合金模鍛工藝。

鈦合金模鍛工藝要素：坯料準備、加熱、潤滑、鍛造、清理、模具設計、α＋β兩相鈦合金的β鍛造。

1)坯料準備。坯料表面必須經過粗加工或粗磨，棒材經車削或無心磨削，坯料切斷一般采用帶鋸床進行，切勿使用氣割下料。

2)坯料加熱。加熱前應清除爐底的爐渣和氧化皮，爐內氣氛應是氧化性的（對氫的飽和過程進行的很緩慢）。為減少鈦合金的氧化、對氫的保護、對氣體的污染及晶粒的長大，必須力求使其在加熱溫度下所停留的時間為熱透整個斷面所必需的最短時間。模具必須提前預熱，一般需在250～350℃保溫12小時以上。

3)潤滑。模具在鍛前應進行潤滑，潤滑能改善鈦合金流動性低的不足，同時也能防止鍛件粘模。潤滑劑采用膠狀石墨與水的混合物或石墨與MoS2（油基或水基）的混合物。

4)鍛造。模鍛變形量一般為40%～80%，模鍛件在最后一次加熱后，整個金屬應有均勻的變形，在變形的過程中各部分的變形溫度要均勻，防止在過低的溫度下變形而開裂。對于α相鈦合金給予足夠的變形量更為重要，因為α相鈦合金晶粒細化不能通過熱處理方法只能通過變形。

5)清理。鈦合金鍛造時表面形成的脆性氧化層能促使表層下的金屬在下一火次鍛造時發生開裂，因此在每一火模鍛之后應清除氧化層，一般采用吹砂法進行。

6)模具設計。鈦合金鍛件用模具設計時收縮率較鋼類鍛件模具的小，兩者之比為1∶1.87。

在采用同樣深厚和同樣復雜的模膛時，鍛造鈦合金的模具較鍛造鋼的模具厚50%，且要采用較大的圓角半徑，模膛表面光潔度要求也較高。

7)α＋β兩相合金的β鍛造。在全β相區時鍛造，能使鈦合金在高溫下的鍛造性能提高或使鍛件的缺口韌性提高，為了得到綜合性能高的鍛件，經β鍛后的合金顯微組織應是在轉變的β相中等軸α相控制在15%～30%范圍內的組織。等軸α相過多使缺口韌性降低，而等軸α相的不足使延伸率降低。α相過多的鍛件，其缺口韌性根據正常的熱處理實踐可以采用β相轉變以下（15～30℃）的溫度進行熱處理加以恢復。

大型航空模鍛件數值模擬

大型航空模鍛件單件成本在幾十萬元至幾百萬元不等，如果模具設計不合理、鍛件坯料尺寸不合適等因素導致鍛件報廢，將會造成巨大的經濟損失，使用數值模擬軟件不僅可以研究金屬成形過程中的流動規律及組織與性能的演變過程，而且可以獲得任意時刻成形件的位移場、速度場、應變場、溫度場及應力場等熱力學參量，從而可以模擬材料的整個模鍛過程。根據模擬結果可以設計出合理的鍛件圖和模具三維數模，不僅可以大大縮短新產品設計周期，也可以極大地降低鍛件生產過程工藝風險。

美國的Deform、法國的Forge、俄羅斯的QForm等軟件在大型航空模鍛件設計中發揮了巨大的作用。到目前為止，我國在鍛造領域還沒有開發出實際應用的數值模擬軟件，只能花費數十萬元，甚至數百萬元購買國外的軟件，隨著計算機技術的不斷發展，我國很快也會研發出類似的數值模擬軟件，在大型航空模鍛件生產方面形成自己的核心競爭力。

模鍛技術人才

美國、法國、俄羅斯在20世紀70年代以前就擁有了大型模鍛設備，并擁有較為成熟的鍛造工藝技術、職業教育體制和企業工資體制，保證了鍛造技術人員和技術工人的質量和數量。我國2012年才開始大型航空模鍛件的生產，人才嚴重缺乏，需要更多的專業技術人才加入進來，高校若能設立航空鍛造類專業獎學金鼓勵培養專業人才，企業能采用合理的工資制度、獎勵制度來保證留住人才，才能從根本上解決鍛造人才缺乏的問題。

結束語

大型航空模鍛件發展水平是衡量一個國家工業實力的重要標志，經過每一個航空人的不懈努力，我國在民用C919大型客機、某大型軍用運輸機、某大型水陸兩用飛機、某新型隱身戰機方面取得了巨大的成就，隨著國產4萬噸和8萬噸大型模鍛壓力機的成熟應用，我國一定會躋身于世界航空強國之列。