航空航天用高性能高精度TA18鈦合金管材研究進(jìn)展

1、引言

發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能的重要指標(biāo)之一，一般航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上外部管路系統(tǒng)重量能夠占到發(fā)動(dòng)機(jī)外部結(jié)構(gòu)總重量的60% -70% [1]。航空航天飛行器的管路系統(tǒng)包括：燃油管路、液壓油管路、氣源管路、潤(rùn)滑油管路、壓縮空氣管路等，其安全可靠性不僅影響飛行器的操控性，還會(huì)直接影響飛行器安全及其整體性能[1-4]。

Ti-3Al-2.5V是由美國(guó)開發(fā)的近α型鈦合金，其強(qiáng)度較純鈦提高20% 到50% ，其管材適合用于航空飛行器及其發(fā)動(dòng)機(jī)的液壓和燃油、氣路等管路系統(tǒng)，波音飛機(jī)絕大大部分液壓管道幾乎都會(huì)用到該合金。航天飛機(jī)上大量液壓管路采用Ti-3AI-2.5V管材做配管，管路整體減重40%[5]。TA18管材為我國(guó)仿美制Ti-3AI-2.5V管材，美、俄等國(guó)家已在航空發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛使用鈦合金外部管路，我國(guó)也逐步開始在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上大量應(yīng)用鈦合金管路[1]。

20世紀(jì)70年代我國(guó)開始對(duì)TA18管材進(jìn)行研究[4]，近年來,科研人員及相關(guān)的生產(chǎn)企業(yè)對(duì)TA18管材加工過程中的顯微組織、化學(xué)成分、力學(xué)性能、織構(gòu)等對(duì)管材性能的影響等進(jìn)行了大量研究[6]。

本文對(duì)TA18鈦合金管材的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析，重點(diǎn)分析了管材軋制、織構(gòu)及顯微組織控制、折彎加工等研究進(jìn)展,并提出了TA18管材加工相關(guān)的問題及發(fā)展方向。

2、軋制工藝對(duì)TA18管材的影響

鈦及鈦合金管材的加工工藝已較為成熟，管材壞料的加工方式包括：斜軋穿孔、鉆孔和擠壓等，再通過軋制、拉拔、旋壓、旋鍛等方法制備出系列的成品管材。對(duì)于中、高強(qiáng)度的鈦材（TC4、TC18、TA18等）常采用溫軋、熱拉拔、熱旋等熱加工方式，變形溫度在通常在再結(jié)晶溫度以下100℃左右；對(duì)于低強(qiáng)度、低合金化的鈦材（純鈦、TA5等）通常采用連續(xù)冷軋并配合真空退火加工制備管材[7]，熱軋通常難以精確控制鈦合金管材的性能和尺寸精度，同時(shí)高溫下容易氧化導(dǎo)致管材的表面質(zhì)量不高。

TA18鈦合金常溫下為密排六方（hcp）晶體結(jié)構(gòu)，其冷變形條件下滑移系較體心立方（bcc)晶體結(jié)構(gòu)少，冷加工時(shí)變形抗力大，冷加工過程中加工硬化效應(yīng)顯著導(dǎo)致加工困難。

TA18管材冷軋三維有限元模擬研究發(fā)現(xiàn)冷軋加工工藝參數(shù)的影響包括：

(1)軋制過程中管材徑向和環(huán)向應(yīng)力均為壓應(yīng)力，送進(jìn)量增大，開口區(qū)徑向拉應(yīng)變和環(huán)向壓應(yīng)變均增加,成形載荷也會(huì)增大，軋制過程中送進(jìn)量過大會(huì)導(dǎo)致管材溢出軋輥縫，出現(xiàn)裂紋或折疊。

(2)軋制速度增加，徑向拉應(yīng)變和環(huán)向壓應(yīng)變均減小。

(3)摩擦系數(shù)增加，開口區(qū)徑向拉應(yīng)變和環(huán)向壓應(yīng)變減小,適當(dāng)增加摩擦可降低厚壁管的內(nèi)表面質(zhì)量[8-9]。

管材冷軋過程中的變形量是不能完全反應(yīng)鈦合金的材料流動(dòng)特征和晶粒變形過程，兩者與加工過程中的Q值（內(nèi)徑減徑率與壁厚減壁率之間的比值）有直接的相關(guān)性。Q值越大，金屬流動(dòng)性就會(huì)越強(qiáng)烈，晶粒的變形拉長(zhǎng)就會(huì)更明顯，晶粒的纖維化和取向趨勢(shì)更明顯。在中間管壞相同的條件下，Q值對(duì)鈦合金管材的拉伸性能影響明顯，綜合考慮管材延伸率變化呈現(xiàn)二次曲線分布的規(guī)律，Q值在1.86及2.62左右時(shí)延伸率較高，冷軋效果較好[10]，顯微組織為變形拉長(zhǎng)的纖維組織，管材屈服強(qiáng)度較低,冷軋加工時(shí)塑性佳。Q值對(duì)退火態(tài)鈦合金管材的組織和拉伸性能影響較大,Q值增大,晶粒尺寸細(xì)化,延伸率提升,最高可至42% ,同時(shí)Q值與CSR(鈦合金管材的收縮應(yīng)變比)之間具有線性關(guān)系，通過將Q值控制在1.54到2.46范圍內(nèi)，進(jìn)而控制管材的CSR值在1.3到2.5范圍，最終獲得優(yōu)良綜合性能的鈦合金管材[11]。

洪權(quán)等研究也發(fā)現(xiàn)冷軋加工TA18管材的Q值>1時(shí)，管材徑向壓力占優(yōu)勢(shì)，會(huì)形成與管材徑向平行的織構(gòu)，以徑向織構(gòu)為主的管材,拉伸性能和 CSR值滿足AMS（美國(guó)AMS宇航標(biāo)準(zhǔn)）標(biāo)準(zhǔn)要求，綜合性能較好，但會(huì)影響管材試樣的表面質(zhì)量。當(dāng)Q值<1時(shí)，管材切向壓力占優(yōu)勢(shì)，會(huì)形成與管材切向相平行的織構(gòu)，鈦合金管材的塑性較差[12-13]。

3、TA18管材彎管加工

管材發(fā)生彎曲后如工藝控制不佳將產(chǎn)生多種缺陷及不足，如：管材截面畸變、彎曲處外側(cè)壁厚減薄和內(nèi)側(cè)壁厚增厚，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)塌陷、破裂和起皺等情況。管材彎曲缺陷不僅影響管材產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)裝配進(jìn)度，還會(huì)給飛行器帶來系統(tǒng)功能的潛在安全隱患[3，14]。

與其他航天器相比，航空發(fā)動(dòng)機(jī)外部管路數(shù)量多且分布在狹小空間內(nèi)，一直是發(fā)動(dòng)機(jī)外部管路設(shè)計(jì)的主要矛盾之一，對(duì)于軍用發(fā)動(dòng)機(jī)更為明顯，空間狹小導(dǎo)致管路的彎曲數(shù)量增多,轉(zhuǎn)彎半徑減小,對(duì)于延展性和塑性不及不銹鋼的鈦合金管材提出了挑戰(zhàn),如何確定管路轉(zhuǎn)彎數(shù)量及彎曲半徑是鈦合金管路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)[1]。

劉大海、李波等發(fā)現(xiàn)對(duì)TA18鈦合金管彎曲成形的影響程度順序?yàn)椋簭澢霃健澢嵌取⑿景羯斐隽俊⑿景襞c管材的間隙、彎曲加工速度、芯棒與管材間的摩擦系數(shù)、壓塊與管材間的摩擦系數(shù)，研究確認(rèn)的最優(yōu)工藝為：相對(duì)彎曲半徑3.0、彎曲速度0.8rad/s、彎曲角度90°芯棒與管間隙0.3mm、壓塊與管之間的摩擦系數(shù)0.2、芯棒與管之間的摩擦系數(shù)0.2、芯棒伸出量3mm[14-15]。

同時(shí)考慮收縮應(yīng)變比和彈性模量變化規(guī)律可使截面扁化量發(fā)生改變，該前提下研究結(jié)果確認(rèn)的最優(yōu)參數(shù)為：管材彎曲半徑不應(yīng)小于外徑的1.5倍，彎曲角度可達(dá)180;芯棒伸出量為0-3mm；模具與管材之間的摩擦系數(shù)對(duì)管材數(shù)控彎曲的截面平整度無顯著影響，壓管模與管材的摩擦系數(shù)范圍為0.20-0.35，彎曲模與管材管的摩擦系數(shù)范圍為0.05-0.15[16]。方軍等研究發(fā)現(xiàn)材料性能參數(shù)對(duì)數(shù)控繞彎過程中管材截面的畸變率的影響順序?yàn)椋翰牧蠌?qiáng)度系數(shù)、材料彈性模量、材料硬化指數(shù)和管材厚向異性指數(shù)。材料彈性模量、材料硬化指數(shù)增加或材料強(qiáng)度系數(shù)、管材厚向異性指數(shù)減小，TA18鈦合金管材數(shù)控繞彎過程截面畸變率減小，為：11.76% ，23.67% ，12.07% 和23.51% ，但管材截面畸變率的最大值均未超過4.00% [17]。

4、TA18管材織構(gòu)及顯微組織控制

鈦合金管材加工過程中，會(huì)逐步產(chǎn)生織構(gòu)，隨機(jī)取向的內(nèi)部晶粒會(huì)逐步發(fā)生擇優(yōu)取向,織構(gòu)通常分為變形和退火織構(gòu)，TA18鈦合金管材加工后形成的織構(gòu)對(duì)管材最終的工藝及服役性能有重要影響[7，17]。

劉凡等研究測(cè)試不同CSR值管材的環(huán)向抗拉強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)有利提升抗拉強(qiáng)度的CSR值為1.75,除該值外管材環(huán)向拉伸抗熱強(qiáng)度均下降，對(duì)于同一管材，環(huán)向相較軸向拉伸抗拉強(qiáng)度低，用管材軸向拉伸性能代替環(huán)向拉伸性能的評(píng)價(jià)具有不全面性[18]。LiH等研究發(fā)現(xiàn)TA18鈦合金管材軋制過程中為了獲得所需要的近徑向織構(gòu)和合理CSR值的成品TA18鈦合金管材，管材加工過程中Q值應(yīng)控制在1.3-1.7[19] 。

管材織構(gòu)強(qiáng)度沿管材層深方向呈現(xiàn)梯度變化，且強(qiáng)度等級(jí)變化大于17% ，由于各層的織構(gòu)類型不同，管材某一層的織構(gòu)不是管材整體的織構(gòu)情況，即使管材中層的織構(gòu)類型為有利的徑向織構(gòu)且強(qiáng)度較高，其CSR值也可能比較低，管材的織構(gòu)沿層深分布較分散，在不同的層深處會(huì)出現(xiàn)切向不利織構(gòu)，其有可能起到主要影響作用[20]。

楊奇等研究發(fā)現(xiàn)TA18管材在650到750℃、550到650℃、450到550℃退火時(shí)顯微組織發(fā)生了晶粒長(zhǎng)大、再結(jié)晶、回復(fù)，鈦合金管材織構(gòu)變化在再結(jié)晶及晶粒長(zhǎng)大兩個(gè)階段更為明顯。初始的鈦合金冷軋管材呈現(xiàn)較強(qiáng)的徑向織構(gòu)；再結(jié)晶退火后，徑向織構(gòu)進(jìn)一步增強(qiáng)。在550、600℃退火后，新晶粒形核生長(zhǎng)時(shí)發(fā)生了再結(jié)晶織構(gòu)轉(zhuǎn)變，再結(jié)晶后新晶粒比原變形晶粒呈現(xiàn)更高的徑向取向，鈦合金原冷軋管材中的細(xì)小晶粒具有比基體更強(qiáng)的徑向取向，再結(jié)晶晶粒會(huì)優(yōu)先在這些細(xì)小晶粒處形核并生長(zhǎng)，在隨后的晶粒長(zhǎng)大過程中，這些晶粒逐步占據(jù)優(yōu)勢(shì)，管材后具有明顯的再結(jié)晶織構(gòu)且呈徑向分布[21]。

周大地等研究證明在500℃退火后，主要為變形組織，僅有極少量的再結(jié)晶晶核，冷軋TA18管材中形成了沿TD方向傾斜的雙峰基面織構(gòu)，在隨后的退火過程中，(0001)晶面極圖中的織構(gòu)未發(fā)生明顯變化；而用取向分布函數(shù)進(jìn)一步表征織構(gòu)差異時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，(1120)纖維織構(gòu)得到增強(qiáng)[2]。

王森等研究發(fā)現(xiàn)由于管材在彎曲過程中管材內(nèi)外側(cè)會(huì)產(chǎn)生不均勻變形，會(huì)導(dǎo)致管材內(nèi)外側(cè)織構(gòu)發(fā)生明顯的變化，彎曲角度增加，管材內(nèi)側(cè)的軸向織構(gòu)逐漸增加，徑向織構(gòu)呈現(xiàn)先減小后增大的情況，管材外側(cè)周向與軸向織構(gòu)都逐漸增加[23]。

5、展望

目前TA18管材已經(jīng)成為我國(guó)航空航天管路系統(tǒng)的首選材料之一，在以美國(guó)及歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家TA18管材的加工技術(shù)及航空航天應(yīng)用方面領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)，目前國(guó)內(nèi)也逐步獲得了較廣泛的研究和應(yīng)用。

航空航天用鈦合金管材生產(chǎn)加工要求高效率、高精度、高成品率、低成本，隨著前航空航天產(chǎn)品需求性能的日益提升及精益化的需求，TA18管材的用量將日益擴(kuò)大，但TA18管材在飛機(jī)、航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)上的使用仍需要突破管材軋制工藝、織構(gòu)及顯微組織控制、彎管加工等一系列技術(shù)難題。

(1)V元素的均勻性受熔煉工藝參數(shù)影響較大，容易產(chǎn)生微觀不均勻性,O、Fe的含量及其均勻性對(duì)TA18鈦合金的性能也會(huì)產(chǎn)生影響。微觀成分的不均勻可能會(huì)造成局部顯微組織異常，會(huì)最終影響TA18管材的性能、加工成品率、疲勞壽命。

（2)理論分析及有限元模擬能夠定性地幫助認(rèn)識(shí)管材軋制、管材彎曲的機(jī)理，也可以定量地計(jì)算軋制及彎管加工的應(yīng)力應(yīng)變等，同時(shí)有利于幫助優(yōu)化加工的工藝參數(shù)，今后需要加強(qiáng)對(duì)加工過程中與織構(gòu)及顯微組織等的聯(lián)合研究。

(3)熱處理工藝是調(diào)控TA18性能的有效工藝手段，當(dāng)前對(duì)TA18管材熱處理工藝及其顯微組織演變,及性能關(guān)聯(lián)性的精確研究仍較少，進(jìn)一步建立和完善TA18管材熱處理及顯微組織數(shù)據(jù)庫(kù)將有利于提升TA18管材性能。

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