鈦合金型材冷拉伸技術

在2011年10月20日，已退休的航空工業專家許季昌，在對過去科研實踐和經驗進行總結的基礎上，聯合中航工業雲馬廠用TC4鈦合金材料進行了冷拉型材試驗，並取得了初步成功。該試驗的成功，證明了鈦合金型材冷拉伸技術是可以實現的，也可以說在具有獨創性的鈦合金型材冷拉伸技術上，中國已經站在世界前列。

基本介紹

• 中文名稱：航空展
• 地理位置：西南
• 級別：一級
• 管理單位：高倉集團

鈦合金材料

航空領域常用的鋁合金由於焊接強度很低，不可能採用常規焊接方法將鋁合金型材與鋁合金薄蒙皮焊接成輕型的鋁合金整體壁板，因此通常採用機械加工方法，將厚鋁板整體切削成鋁合金整體壁板，這就導致結構重量較大，而且材料利用率特別低。與強度低、耐熱性差的鋁合金相反，鈦合金恰恰具有高強和耐高溫的優點，因此越來越多地取代鋁合金用作飛機材料。但是鈦合金材料價格昂貴，且加工難度大。

世界難題

60年代前後，由於工藝方面的限制，鈦合金整體壁板也是用厚鈦板機械加工而成，當時從價格和重量對比看，鈦合金都不具備優勢。之後，鈦合金熱成型技術得到發展，但是使用這種技術需要加熱及熱處理設備，加工精度差，生產效率低。因而，只有採用鈦合金冷成型技術才是理想的方法。但是，一直到今天，鈦合金型材件冷拉伸成形都是世界各國公認為不可能實現的技術。之所以有此觀點，主要原因就是作為冶金材料拉伸成形，鈦合金材料的屈服點強度與最大強度之間差距很小(均小於10%)，而一般拉伸工具機操作過程中其拉力變化至少在20%以上，所以採用拉伸工具機成形，鈦合金必斷無疑。世界上一直無法在常規型拉工具機上冷拉伸鈦合金型材件的緣故就在於此。而受國外“鈦合金不能冷拉成型”觀點的影響，長期以來，中國航空工藝部門也沒對鈦合金冷拉技術開展過專門的研究。今年10月在美國召開的世界鈦合金會議上，會議的報告目錄中仍未見有關於鈦合金冷成形內容的報導。

攻關歷程

許季昌

航空工業領域年近八旬的退休老專家許季昌於1952年畢業後開始進入航空工業領域工作。1954年，他在聽了航空領域著名專家昝凌到英國出差回國後的一次報告時，了解到當時英國飛機製造廠仍在使用19世紀製造的衝壓工具機，便認定未來衝壓工具機必定會有巨大發展空間。之後，許季昌向上級匯報了想去從事具體的衝壓工具機設計工作，以實現參與此未來大發展的願望。1958年，九所(625所前身)在飛機研究室成立了衝壓工具機設計組，許季昌被調入該組工作。

在此後的工作中，許季昌逐漸意識到鋁合金的焊接性能已限制了它的發展，鋁合金材料將被取代，而能取代它的最佳金屬材料必是鈦合金。鈦合金焊接性能很好，如果用鈦合金薄蒙皮與鈦合金型材零件焊接成輕型鈦合金整體壁板，那將大幅度減輕機身重量。

儘管很多人都認為鈦合金型材零件是不可能冷拉成形的，但是許季昌卻不信，在仔細分析研究了材料冷拉工藝必須具備的性能，並查閱和研究了鈦合金的技術性能後，他認為在特定條件下，鈦合金型材件必定能冷拉成形。鈦合金型材冷拉伸成形如果成功，必將為提高飛機性能創造極有利的條件，於是鈦合金型材件冷拉成形技術就成為成了許季昌幾十年不斷為之奮鬥的目標。

轉台式拉彎機

為了實現鈦合金冷拉成形這一技術夢想，許季昌在完成工具機設計等本職工作之餘，不僅鑽研了老本行的機械液壓技術，還努力學習數字電子控制技術，專心探索成形鈦合金型材零件將會出現的工藝技術難點和相應解決方案。考慮到鈦合金冷拉的需要，從1965年開始到1980年，許季昌研製成了世界上第一台能在鈦合金型材件冷拉時進行控制的變形量自動控制系統(獲航空工業部科技二等獎)，並安裝在了由他主持設計的XL-1轉台式型材拉彎機上，打開了鈦合金型材冷拉伸成形技術的成功之門。文章開頭所提到的試驗，就是在他設計的XL-1轉台式型材拉彎機上進行的，幾十年過去了，這台機器還在工作。

知識點

鈦合金

鈦合金TC4材料的組成為Ti-6Al-4V，屬於(a+b)型鈦合金，具有良好的綜合力學機械性能。比強度大。TC4的強度sb=1.012MPa，密度g=4.4*103，比強度sb/g=23.5，而合金鋼的比強度sb/g小於18。鈦合金熱導率低。鈦合金的熱導率為鐵的1/5、鋁的1/10，TC4的熱導率l=7.955W/m·K。鈦合金的彈性模量較低。TC4的彈性模量E=110GPa，約為鋼的1/2，故鈦合金加工時容易產生變形。TC4(Ti-6Al-4V)和TA7(Ti-5Al-2.5Sn)鈦合金，採用兩種注入方案進行表面改性，試驗表明，鈦合金經離子注入後，提高了顯微硬度，顯著地降低了滑動摩擦係數，有效地提高了耐磨性。為探明其改性機理，對注入與未注入樣品進行了X射線光電子能譜(XPS)分析，獲得滿意的結果。

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