發(fā)布日期：2024-2-23 10:32:50
引 言
管路系統(tǒng)是飛機(jī)的生命線，其性能好壞直接影響飛機(jī)的整體性能。如果把發(fā)動(dòng)機(jī)比作飛機(jī)的心臟，那么形形色色的管路就像飛機(jī)的血管網(wǎng)，源源不斷地把各種營(yíng)養(yǎng)輸送到飛機(jī)全身的各個(gè)角落。管路系統(tǒng)的可靠性和持久性是影響飛行安全、降低維修成本和滿足適航要求的重要因素，因此提高管路系統(tǒng)的技術(shù)水平對(duì)提高飛機(jī)性能是非常重要的。
鈦合金作為-種先進(jìn)的輕量化結(jié)構(gòu)材料，具有優(yōu)異的綜合性能，其密度小，比強(qiáng)度高，疲勞強(qiáng)度和抗裂紋擴(kuò)展能力好，抗蝕性能優(yōu)異，焊接性能良好等，因此在航空、航天、汽車、造船、能源等行業(yè)具有日益廣泛的應(yīng)用前景。鈦產(chǎn)量中約80%用于航空和航天工業(yè)。由于鈦合金管的研制和加工技術(shù)難度很大，加之鈦合金材料價(jià)格昂貴，使其在應(yīng)用方面受到限制，目前主要在工業(yè)耐腐蝕和船舶方面的應(yīng)用相對(duì)較廣，如海水裝置、核電、鹽堿行業(yè)以及艦船等。但國(guó)外，由于鈦合金管材的研制和配套應(yīng)用技術(shù)發(fā)展成熟，因此，鈦合金管材在發(fā)達(dá)國(guó)家的航空、航天等領(lǐng)域已有-定的應(yīng)用 ，如國(guó)外先進(jìn)飛機(jī)的引氣管路、液壓管路、燃油管路等都廣泛采用了鈦合金管。而我國(guó)，由于鈦合金管材研制、彎曲及管接頭技術(shù)尚未完全成熟，鈦合金管在民用飛機(jī)和軍用飛機(jī)上均還未獲得廣泛應(yīng)用。由于鈦合金管材的應(yīng)用涉及管材研制、彎曲成形、管端頭加工與連接等方面，因此，本文總結(jié)了鈦合金管材的研制技術(shù)、鈦合金管彎曲成形技術(shù)及鈦合金管端頭加工與連接技術(shù)等方面的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，分析了鈦合金管材在我國(guó)飛機(jī)上的應(yīng)用情況及與國(guó)際先進(jìn)水平的差距，并指出了鈦合金管材在我國(guó)飛機(jī)管路系統(tǒng)的應(yīng)用前景，從而為鈦合金管材在我國(guó)先進(jìn)飛機(jī)上逐步的廣泛和成熟應(yīng)用提供指導(dǎo)。
1、相關(guān)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外研究狀況
1.1 鈦合金管材研制的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀
在鈦合金管制造方面，世界各國(guó)-直致力于提高鈦合金管的可靠性和柔韌性，擴(kuò)大產(chǎn)品系列。
目前，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的鈦及鈦合金無(wú)縫管的制造技術(shù)已比較成熟。對(duì)于低強(qiáng)度、低合金化的鈦及鈦合金無(wú)縫管制造均采用冷軋真空退火工藝，而管坯制備主要采用鉆孔擠壓和斜軋穿孔兩類工藝，其中鉆孔擠壓方法的金屬消耗量大，工藝廢料高達(dá)10%~15%，但管坯壁厚均勻；而采用斜軋穿孔方法的金屬消耗量小，工藝廢料為1%~3%，軋制變形的溫度、速度范圍較寬，道次變形量可達(dá)20%～90%，可減少加熱次數(shù)和鈦合金的氧化損失，提高成品率，但缺點(diǎn)是管坯厚度公差稍大。目前，斜軋穿孔是無(wú)縫管生產(chǎn)的主要方法。對(duì)中、高強(qiáng)鈦合金無(wú)縫管，則采用溫軋技術(shù)，即在軋管機(jī)上安裝感應(yīng)加熱裝置，-般溫度控制在再結(jié)晶溫度以下100℃左右。采用溫軋技術(shù)可生產(chǎn)中等規(guī)格的Gr5(Ti-6Al-4V)鈦合金管材。另外，K.Srinivasan等研究了采用開式模具擠壓商業(yè)純鈦管的可行性。結(jié)果表明，采用開式模反向擠壓制造純鈦管的質(zhì)量較高，消耗的潤(rùn)滑劑少，且模具結(jié)構(gòu)較擠壓制管方式簡(jiǎn)單，但這種方式只適用于比較短的管件的制造。
10年前，美國(guó)RMI公司的R.W.Schutz就給出了-種高效率、低成本生產(chǎn)Gr5、Gr23、Gr29和Gr28無(wú)縫管的熱穿TLSL制工藝，所生產(chǎn)的無(wú)縫鈦管的直徑達(dá)610mm、壁厚達(dá)26mm、長(zhǎng)度達(dá)12m，已被成功應(yīng)用于能源行業(yè)的地?zé)猁}井，深水海上鉆井升管、鉆桿等方面。
提高管材的性能和承載能力-直是鈦管研制領(lǐng)域的熱門課題，世界各鈦管生產(chǎn)制造商不斷提高鈦合金管的強(qiáng)度極限。在美國(guó)，通過(guò)采用去應(yīng)力退火方式已經(jīng)可以安全、可靠地實(shí)現(xiàn)860MPa級(jí)的高強(qiáng)鈦合金管Gr9的制造。雖然高強(qiáng)度有助于提高鈦管的抗拉、扭轉(zhuǎn)等能力，擴(kuò)大其抗拉伸、耐高壓、復(fù)合疲勞等的適應(yīng)性，但強(qiáng)度提高的同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致塑性、韌性降低，增大裂紋敏感性，并增加后續(xù)的彎曲、管端頭成形的難度。因此，隨著鈦管應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，除了材料強(qiáng)度以外，還應(yīng)更加關(guān)注鈦管性能的其他方面，包括塑性、韌性、疲勞壽命、顯微組織以及焊接性能等，以達(dá)到綜合性能的良好匹配。
由于鈦無(wú)縫管加工工序多、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、效率低、成本高，使得其應(yīng)用受到限制。而基于鈦帶軋制、焊接工藝為主的鈦焊管，由于材料利用率高、生產(chǎn)效率高，而且其擴(kuò)管、彎曲性能也與無(wú)縫管幾乎無(wú)差別，所以國(guó)內(nèi)外鈦焊管的用量在逐年增加，各國(guó)也都在發(fā)展自己的鈦焊管生產(chǎn)體系，并在電站冷凝器中日益得到應(yīng)用 。
表1為目前國(guó)外生產(chǎn)制造鈦合金管的主要廠家及產(chǎn)品情況。其中，90%左右的鈦管是材質(zhì)為工業(yè)純鈦(Grl和BT1-0)的無(wú)縫管和焊管，其次是Gr9(Ti-3A1-2.5V)、Gr5/BT6(Ti-6Al-4V)和Ⅱ 7M(Ti-2A1-2.5Zr)等鈦合金無(wú)縫管。
在低強(qiáng)、低合金化鈦合金無(wú)縫管制造方面，我國(guó)同樣采用冷軋真空退火工藝，該技術(shù)在我國(guó)已經(jīng)成熟。然而，由于受中、高強(qiáng)鈦合金管材冷變形能力的限制，必須采用溫軋技術(shù)，但目前我國(guó)的中、高強(qiáng)鈦合金管材溫軋生產(chǎn)技術(shù)尚不夠成熟，高強(qiáng)度鈦合金薄壁管TA18M(對(duì)應(yīng)Gr9)的研制目前尚處于探索試制階段。表2為國(guó)內(nèi)生產(chǎn)制造鈦合金管的主要廠家及其產(chǎn)品情況 。
另外，上海長(zhǎng)隆金屬鈦材廠還探索出了自行車用Ti-3Al-2V無(wú)縫管和Ti-3Al-2.5V異型管生產(chǎn)工藝。其中，常州法力諾長(zhǎng)城焊管公司是法國(guó)VALTIMET公司在中國(guó)投資的全資子公司，其產(chǎn)品主要為焊管，經(jīng)過(guò)10年的發(fā)展，該企業(yè)已發(fā)展成為國(guó)內(nèi)焊接管材生產(chǎn)的龍頭企業(yè)， 占有國(guó)內(nèi)市場(chǎng)70%左右的份額。寶雞鈦業(yè)股份有限公司所生產(chǎn)的鈦及鈦合金管的外徑介于6mm~210mm，壁厚介于0.5mm~12mm之間。由于寶雞鈦業(yè)股份有限公司還與常州法力諾長(zhǎng)城焊管有限責(zé)任公司、法國(guó)VALTIMET公司和美國(guó)Timet Asia公司合資組建了西安寶鈦美特法力諾焊管有限責(zé)任公司，因此該公司還具備生產(chǎn)鈦合金焊管的能力。西北有色金屬研究院下屬的西部鈦業(yè)股份有限公司所生產(chǎn)的鈦及鈦合金管的外徑介于3mm～130mm，壁厚介于0.2mm~4.5mm之間。江蘇宏寶集團(tuán)有限公司所生產(chǎn)的鈦及鈦合金管的外徑介于6mm~159mm，壁厚介于0.5mm~15mm之間。
對(duì)比表1、表2可以看出，國(guó)內(nèi)在純鈦和中、低強(qiáng)度、低合金化的鈦及其合金管生產(chǎn)能力方面與發(fā)達(dá)國(guó)家相當(dāng)，如表3所示。但國(guó)內(nèi)尚不能生產(chǎn)高強(qiáng)TA18M管(Gr9)。并且美國(guó)RMI生產(chǎn)的鈦及其合金管的長(zhǎng)度可達(dá)6000ft～ 10000ft(1830m～3050m)，并可以線圈形式供貨，而國(guó)內(nèi)尚無(wú)法達(dá)到此水平 。
1.2 鈦合金管材彎曲及彎管機(jī)械的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀
鈦合金管彎曲工藝，特別是冷彎曲工藝，是-項(xiàng)十分復(fù)雜的工藝過(guò)程，受到管材本身性能、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。
由于鈦合金在室溫下成形具有各向異性顯著、變形抗力大、塑性差、延伸率有限、成形困難、回彈顯著等特點(diǎn)，因此，適合在室溫下冷彎曲成形的國(guó)內(nèi)外鈦合金導(dǎo)管材料的牌號(hào)有 TA1、TA2、TA3等延展性稍好的商業(yè)純鈦和Ti-3A1-2.5V(TA18)等近a鈦和Ti-6Al-4V(TC4)等α+β鈦。并且，國(guó)外有人認(rèn)為彎曲半徑與管徑之比大于2，且管徑小于75μm壁厚0.4mm~0.9mm)的純鈦管，在室溫下可順利彎曲成形。而在多數(shù)情況下，鈦合金管都需要加熱彎曲，加熱溫度以150℃～260℃為宜，加熱方式為電熱元件加熱，并以熱電偶控制溫度 。
在國(guó)外，鈦合金管數(shù)控彎曲技術(shù)已經(jīng)比較成熟、完善，部分純鈦管采用數(shù)控冷彎技術(shù)，部分鈦合金管采用數(shù)控?zé)釓澒に嚕伜辖鸸芤呀?jīng)大量應(yīng)用在飛機(jī)后機(jī)身各管路系統(tǒng)，極大提高了飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性能 。但鑒于鈦管彎曲及應(yīng)用問(wèn)題的戰(zhàn)略性，國(guó)外對(duì)其嚴(yán)格保密，公開的文獻(xiàn)較少。Sunmoo Hur等l2 ]對(duì)Ti-6Al-4V大口徑管(62.37mmX 4.4mm)進(jìn)行冷彎曲時(shí)，管件內(nèi)部加填充料，成形管件圓度較好，橢圓率僅為1.28%，但未對(duì)填充料類型、彎曲方式、彎曲工藝等內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)報(bào)道。毛軍鋒等編譯了-些宇航鈦管彎曲的資料，從彎曲類型及種類、模具設(shè)計(jì)及模具材料、潤(rùn)滑劑的選擇、彎曲速度、調(diào)模方法等方面作了介紹，運(yùn)用筒式電加熱器對(duì)模具加熱，并且對(duì)加熱部位作了簡(jiǎn)單介紹。
該文是對(duì)鈦管彎曲的-個(gè)概述性質(zhì)的介紹，具有指導(dǎo)意義，但對(duì)于中、高強(qiáng)度鈦合金管的冷彎曲的論述還未涉及。
在我國(guó)，由于缺乏適合鈦合金管熱彎成形的設(shè)備，目前尚只能較為穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)純鈦(如TA1、TA2)和-些強(qiáng)度不是很高的鈦合金管材(如TA16M)以及中強(qiáng)鈦合金管(如TA18M)的數(shù)控冷彎曲成形。
國(guó)內(nèi)沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)公司已經(jīng)在美國(guó)伊頓公司生產(chǎn)的VD100數(shù)控彎管機(jī)上成功實(shí)現(xiàn)了TA16M鈦合金導(dǎo)管的數(shù)控冷彎曲和半自動(dòng)彎曲。由于TA16M鈦合金是-種低強(qiáng)度的α型鈦合金，故較適合應(yīng)用在對(duì)壓力要求不高的飛機(jī)的空調(diào)、燃油等管路系統(tǒng)中。另外，北京航空制造工程研究所主要采用推彎方法實(shí)現(xiàn)了鈦合金管彎頭的成形制造。根據(jù)先進(jìn)飛機(jī)研制的迫切要求，西北工業(yè)大學(xué)開展了TA18M鈦合金導(dǎo)管數(shù)控彎曲精確成形技術(shù)方面的研究。基于ABAQUS和ORACLE平臺(tái)， 目前已開發(fā)了鈦合金管數(shù)控彎曲模擬仿真及工藝管理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)制造了鈦合金管數(shù)控彎曲模具，并成功實(shí)現(xiàn)了TA18M鈦合金管的數(shù)控冷彎成形 。
西北有色金屬研究院也開展過(guò)鈦管熱彎成形研究，并進(jìn)行了牛角芯棒熱推彎成形的有限元模擬。吳建軍等采用有限元軟件ANSYS建立了大直徑薄壁純鈦管加熱彎曲成形過(guò)程有限元模型，通過(guò)模擬分析，得到了合理的加熱溫度區(qū)間。這些數(shù)值模擬工作可為鈦管的熱彎曲提供有益的指導(dǎo)。
上述彎曲工作主要是針對(duì)低、中強(qiáng)度鈦合金管材，而針對(duì)高強(qiáng)度鈦合金管彎曲方面的工作，國(guó)內(nèi)還未見(jiàn)有報(bào)道。
雖然鈦管在加熱條件下會(huì)產(chǎn)生大的延伸率，有利于彎曲成形，然而，模具膨脹、加熱條件下材料和模具的潤(rùn)滑、彎管機(jī)械部件的冷卻等問(wèn)題限制了鈦管熱彎曲的應(yīng)用范圍。因此，發(fā)展精密高效的鈦合金冷彎曲成形是當(dāng)前迫切需要解決的問(wèn)題。
在適合于鈦合金管材加熱彎曲的彎管機(jī)械方面，目前國(guó)內(nèi)外帶加熱裝置的彎管機(jī)形式主要有兩類，如表4所示。其中，在繞彎工藝上添加加熱裝置的方法，早在1987年，日本三菱公司Mizobe Hiroshi等 就申請(qǐng)了專利，并在三菱公司得到了應(yīng)用。
目前，國(guó)內(nèi)感應(yīng)加熱推彎彎管機(jī)比較普遍，主要是為適應(yīng)國(guó)內(nèi)石油管道建設(shè)而開展的中高頻感應(yīng)加熱彎管設(shè)備及工藝的研究。而對(duì)于鈦合金管材加熱繞彎所需的加熱裝置國(guó)內(nèi)鮮有資料，文獻(xiàn)對(duì)鈦合金導(dǎo)管熱彎成形作了介紹，并給出了加熱裝置示意圖。
由于數(shù)控彎管具有高效、精確等特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外都趨向于使用這種彎曲工藝來(lái)成形鈦合金彎管件，以有效避免起皺、破裂、截面畸變等缺陷，提高鈦管成形質(zhì)量。隨著鈦合金管在航空領(lǐng)域的逐漸推廣應(yīng)用，并且由于航空彎管的成形質(zhì)量要求高，因此可以預(yù)測(cè)，在不久的將來(lái)，國(guó)內(nèi)將會(huì)研制出有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、通過(guò)模具加熱的繞彎彎管機(jī)。
1.3 飛機(jī)液壓管路系統(tǒng)、導(dǎo)管端頭加工與連接的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀
液壓管路是飛機(jī)諸管路中工作壓力最高、可靠性要求最嚴(yán)格的-個(gè)部分，飛機(jī)管路系統(tǒng)技術(shù)水平的高低就集中體現(xiàn)在液壓管路系統(tǒng)中。對(duì)于液壓系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在同等功率條件下，工作壓力越高，所要求的作動(dòng)筒和油泵活塞底面積越小，所要求的管路流量越小，因而液壓系統(tǒng)的整體尺寸和重量都會(huì)相應(yīng)減小和減輕，而較低的介質(zhì)流速也減少了在管路 中流動(dòng)的功率損失。因此，不斷研究更高工作壓力的液壓系統(tǒng)及其標(biāo)準(zhǔn)件是航空工業(yè)發(fā)展的客觀需要。
美國(guó)的液壓管路系統(tǒng)從20世紀(jì)60年代就開始采用28MPa液壓系統(tǒng)，目前已被更高壓力的液壓系統(tǒng)所取代。28MPa液壓系統(tǒng)在俄羅斯也早已應(yīng)用。歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家主要使用的也是28MPa液壓系統(tǒng)。我國(guó)目前使用的主要還是21MPa的液壓系統(tǒng)。301所已經(jīng)開展了工作壓力為28MPa的液壓導(dǎo)管連接件標(biāo)準(zhǔn)方面的研究。
在飛機(jī)導(dǎo)管端頭加工與連接方面，導(dǎo)管連接件的結(jié)構(gòu)形式有許多種，擴(kuò)口連接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是-種應(yīng)用最廣泛且已成熟的連接形式，蘇-27飛機(jī)上的28MPa系統(tǒng)就是采用這種連接結(jié)構(gòu)形式。但是它的密封面面積大，生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的形狀誤差和表面粗糙度誤差所造成的間隙難以消除，因此密封性差；而且不具備自鎖能力，需要保險(xiǎn)絲鎖緊。而在-個(gè)擴(kuò)口連接點(diǎn)打保險(xiǎn)絲需要約10min時(shí)間，這對(duì)于外場(chǎng)維護(hù)非常麻煩，并對(duì)飛機(jī)的出勤率有-定的影響 。
為從根本上解決擴(kuò)口連接的密封問(wèn)題，世界各航空工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都對(duì)此進(jìn)行了研究，現(xiàn)已有多種密封性能遠(yuǎn)優(yōu)于擴(kuò)口連接的結(jié)構(gòu)形式。比如，卡套式無(wú)擴(kuò)口連接、擠壓式無(wú)擴(kuò)口連接、唇式連接等。另外，內(nèi)徑滾壓成形是導(dǎo)管無(wú)擴(kuò)口連接的-種精密成形方法，具有其他成形方法所無(wú)可比擬的諸多優(yōu)點(diǎn) 。鈦合金管件內(nèi)徑滾壓連接成形技術(shù)是符合現(xiàn)代飛機(jī)對(duì)減重及高度機(jī)動(dòng)性等高性能標(biāo)準(zhǔn)的-種先進(jìn)的管件連接技術(shù)。與傳統(tǒng)焊接形式的鈦合金管件連接方式相比，具有制造成本低、生產(chǎn)效率高、易于操作、連接可靠、檢測(cè)便捷等優(yōu)點(diǎn)，所成形的管件具有良好的氣密性，可以承受高溫高壓。目前，國(guó)外已基本突破鈦合金管件內(nèi)徑滾壓成形技術(shù)，美國(guó)在過(guò)去幾十年中所開發(fā)的鈦合金連接管件內(nèi)徑滾壓成形技術(shù)已完全實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，成形零件精度高l3 ，在F15、F16、S76等飛機(jī)上得到廣泛應(yīng)用，并正在進(jìn)行高溫鈦合金連接管件滾壓成形技術(shù)的研究，逐步向飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)及航天領(lǐng)域擴(kuò)展。俄羅斯在這方面的研究也具有很高的水平，鈦合金內(nèi)徑滾壓成形連接管件已在多種型號(hào)飛機(jī)上得到廣泛采用，并研制了相關(guān)的專用成形設(shè)備。
我國(guó)目前生產(chǎn)的飛機(jī)，其液壓管路系統(tǒng)幾乎全都采用擴(kuò)口連接形式。雖然相關(guān)文獻(xiàn)認(rèn)為，鑒于鈦合金管在室溫下的延伸率較低，變形困難，因此不適合于擴(kuò)口連接形式，相比較而言，卡套式和擠壓式均可用于工作壓力為28MPa的鈦合金液壓導(dǎo)管連接，且擠壓式的性能相對(duì)更好-些。但耐壓試驗(yàn)和爆破試驗(yàn)表明，中強(qiáng)TA18M 管也可采用擴(kuò)口連接，并適合28MPa液壓管路系統(tǒng)。圖1所示為經(jīng)56MPa耐壓試驗(yàn)和112MPa爆破試驗(yàn)的各種規(guī)格TA18M鈦合金直管件和彎管件。
在采用機(jī)械方法連接管件方面，國(guó)內(nèi)的研究主要局限于鋁合金、不銹鋼等材料的擠壓成形，對(duì)鈦合金材料涉及較少。北京航空制造工程研究所開展的工藝研究表明，內(nèi)徑滾壓成形可以將鈦合金管和不銹鋼封嚴(yán)套緊密地連接在-起，并可承受很高的內(nèi)壓力。
關(guān)于飛機(jī)管路液壓系統(tǒng)，工作壓力的提高必然帶來(lái)導(dǎo)管及連接件的材料強(qiáng)度和連接件的結(jié)構(gòu)密封問(wèn)題。從性能而言，各種無(wú)擴(kuò)口連接形式均優(yōu)于擴(kuò)口連接形式，因此，發(fā)展和采用無(wú)擴(kuò)口連接形式是飛機(jī)管路連接的發(fā)展趨勢(shì)。
1.4 鈦合金管在飛機(jī)管路系統(tǒng)應(yīng)用的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀
我國(guó)高性能鈦材的研究在“九五”以前以仿制為主，“九五”以后以創(chuàng)新與仿制并舉，雖然取得了-定進(jìn)展，但由于應(yīng)用研究相對(duì)較薄弱，在實(shí)際應(yīng)用方面同國(guó)外先進(jìn)國(guó)家有較大差距，尤其是在鈦管材應(yīng)用方面。表5為鈦合金管材在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家飛機(jī)上的應(yīng)用情況[。 。而國(guó)內(nèi)鈦合金管雖然從20世紀(jì)70年代就開始研制，但未能在飛機(jī)上廣泛使用，系統(tǒng)零部件用鈦幾乎是空白。
雖然我國(guó)目前在鈦合金管材的研究與航空應(yīng)用方面與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家還存在較大差距，但若充分發(fā)揮現(xiàn)有材料的應(yīng)用潛力，擴(kuò)大鈦合金的品種、規(guī)格，特別是系統(tǒng)管路用材和連接件，重點(diǎn)突破或完善配套有關(guān)工藝技術(shù)，抓住重大型號(hào)改進(jìn)改型和新機(jī)設(shè)計(jì)的機(jī)遇，就能夠?qū)崿F(xiàn)中國(guó)航空人為之努力的方向之-，即鈦合金管材應(yīng)用研究技術(shù)的大跨度發(fā)展。
2、鈦合金管材在我國(guó)自主研制飛機(jī)中的應(yīng)用前景與發(fā)展方向
為提高飛機(jī)的整體飛行性能，滿足飛機(jī)重量相對(duì)輕、壽命長(zhǎng)、機(jī)動(dòng)性能好等要求，大型客機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)管路系統(tǒng)的工作壓力將逐步提高，各種具有優(yōu)異綜合性能的鈦合金管材必將逐步獲得廣泛應(yīng)用。
鑒于液壓管路系統(tǒng)在飛機(jī)管路系統(tǒng)的重要性，首先開展鈦合金管材在新飛機(jī)液壓管路系統(tǒng)的應(yīng)用是可行的。從比強(qiáng)度、比剛度、耐腐蝕性和冷彎曲成形能力以及材料的成熟度考慮，采用TA18M(Ti-3Al-2.5V)鈦合金導(dǎo)管是目前-種較理想的選擇。
TA18M鈦合金是從TC4(Ti-6Al—4V)合金演變而來(lái)的低鋁當(dāng)量近a型鈦合金，是作為可冷加工的管材應(yīng)用而研制的，具有良好的冷成形和焊接性能，可以制造多種無(wú)縫管材、焊接管材和蜂窩結(jié)構(gòu)，通過(guò)熱處理可以實(shí)現(xiàn)良好的強(qiáng)度和塑性匹配。該合金的室溫強(qiáng)度比工業(yè)純鈦高20%~50%，對(duì)缺口不敏感，在許多介質(zhì)中具有良好的抗蝕性。因此，適于制造各種飛機(jī)上的導(dǎo)管。TA18M 鈦合金管材已在美國(guó)高科技軍用和民用多種飛機(jī)上作為液壓、燃油等管路系統(tǒng)應(yīng)用。例如，20世紀(jì)70年代中期開始作為航空導(dǎo)管在F-14A、F-15和波音757、767等機(jī)種上應(yīng)用。TA18M導(dǎo)管在我國(guó)航空及民用方面也有-定的應(yīng)用基礎(chǔ)，在我國(guó)運(yùn)輸機(jī)上作為空調(diào)管路應(yīng)用過(guò)，并將在航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路系統(tǒng)中應(yīng)用。
由于TA18M鈦合金密度小，較不銹鋼管可有效減重，更可貴的是，其良好的焊接性能使后續(xù)的管端頭易于連接，而且其與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度具有優(yōu)良的匹配性能，可以進(jìn)-步獲得很好的減重效果。因此，TA18M 是目前最適合于制作先進(jìn)飛機(jī)上耐高壓輕質(zhì)導(dǎo)管的理想材料。
近年，隨著鈦合金生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，先后開發(fā)出幾種適合于室溫下進(jìn)行塑性加工的高強(qiáng)口型鈦合金。其中近β型的Ti-15-3(名義成分為Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn)是較有應(yīng)用前景的鈦合金之- ，可以在固溶狀態(tài)下采用冷成形方法進(jìn)行加工，其冷加工性能與工業(yè)純鈦相當(dāng)，甚至比工業(yè)純鈦還好，并可以通過(guò)熱處理方法(時(shí)效)進(jìn)行強(qiáng)化(其強(qiáng)度可達(dá)1400MPa~1500MPa)，且該合金還具有較好的焊接性能和性能均勻性，使得Ti-15-3生產(chǎn)成本大為降低，制件精度和性能大幅度提高，從而有力地促進(jìn)了Ti-15-3在航空、航天等工業(yè)中的應(yīng)用。使用該合金代替飛機(jī)上大量應(yīng)用的30CrMnSiA結(jié)構(gòu)鋼，可以獲得明顯的減重效果：代替某些熱成形鈦合金零件可以降低制造成本。因此，Ti-15-3合金是-種
較為理想的航空結(jié)構(gòu)材料。采用該合金制造飛機(jī)零件是提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)效益和可靠性的重要措施之-。
該合金特別適宜制造飛機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑貯存箱和導(dǎo)管等部件，最高工作溫度為290℃。另外，高強(qiáng)鈦合金TA18管材在我國(guó)尚處于研制階段，目前迫切需要解決的，是如何在提高強(qiáng)度的同時(shí)，能夠保持足夠的塑性，以便使得后續(xù)冷彎曲和端頭加工能夠順利開展。如果能突破該制造瓶頸，估計(jì)鈦合金管材在先進(jìn)飛機(jī)中的應(yīng)用將大大提高。
因此，以國(guó)外先進(jìn)飛機(jī)上成熟可靠使用過(guò)的、且在我國(guó)航空領(lǐng)域有較好應(yīng)用基礎(chǔ)的低合金化、耐高壓鈦合金管材TA18M和Ti-15—3為切人點(diǎn)，開展相關(guān)耐高壓管材研究與應(yīng)用的試驗(yàn)驗(yàn)證工作，充分發(fā)揮傳統(tǒng)鈦合金材料的應(yīng)用潛力，完善、改進(jìn)已經(jīng)研制的新材料，探索和研究綜合性能更好的新型材料，形成適合我國(guó)國(guó)情的鈦合金管材材料體系，重點(diǎn)突破或完善相關(guān)配套工藝技術(shù)，并逐步推廣鈦合金在大客飛機(jī)及其他管路系統(tǒng)的應(yīng)用，必將實(shí)現(xiàn)鈦合金管材應(yīng)用研究技術(shù)在我國(guó)先進(jìn)飛機(jī)上由點(diǎn)到面，并逐步深入與細(xì)化的大跨度發(fā)展。
3、結(jié)論
近年，鈦合金材料的研制不斷向高性能化、功能化、低成本化方向發(fā)展。與此相適應(yīng)，國(guó)內(nèi)外鈦合金管制造的發(fā)展趨勢(shì)，-方面是降低原材料的成本，即發(fā)展不含或少含貴金屬元素，取而代之添加鐵、氧、氮等廉價(jià)元素的合金，或開發(fā)新的低成本的海綿鈦生產(chǎn)工藝。另-方面是通過(guò)各種工藝途徑降低鈦合金管材的加工、制造成本，如開發(fā)低加工成本的可冷變形的鈦合金管材，并不斷擴(kuò)大鈦合金管材在飛機(jī)上的應(yīng)用范圍。而為了提高飛機(jī)的整體性能，減重、節(jié)能和降耗，國(guó)外飛機(jī)液壓系統(tǒng)目前普遍使用的是28MPa系統(tǒng)，并開始逐步采用更高的系統(tǒng)壓力。國(guó)內(nèi)目前采用較多的是21MPa系統(tǒng)，采用28MPa液壓系統(tǒng)將成為發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)于與高壓液壓管路系統(tǒng)配套的成形與連接技術(shù)，國(guó)外的鈦合金管數(shù)控彎曲與內(nèi)徑滾壓無(wú)擴(kuò)口連接工藝已較成熟和完善，仍將成為今后持續(xù)發(fā)展和普遍應(yīng)用的工藝和技術(shù)。
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