發(fā)布日期：2023-1-3 12:35:57
引言
鈦合金作為新型的輕質合金，具有高比強度、優(yōu)良的耐蝕性能、溫度適應范圍廣、無磁性、較好的韌性和焊接性等一系列優(yōu)點，從一出現(xiàn)就應用于航空工業(yè)，目前在航空航天、軍事、石油化工、造船、汽車、醫(yī)療、日常用品等領域都得到了廣泛應用，被譽為“太空金屬”、“海洋金屬”[1－4］。鈦合金的研究起源于航空工業(yè)的發(fā)展，航空用鈦合金一直是各個國家鈦合金研究領域的重點。隨著我國國民經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展，鈦合金已在航空航天及武器裝備領域獲得普遍應用，中國對鈦合金的需求量更是以每年20％～30％的速度增加[5－6］。
與此同時，隨著飛機設計理念的發(fā)展和對性能要求的不斷提升，對飛機結構材料性能的要求也越來越高，而鈦合金較低的熱導率和易黏刀的特點使它的機械切削加工性能比較差[7－8］，導致應用成本較高，這嚴重地阻礙了鈦合金在航空領域中的大規(guī)模應用。如何優(yōu)化技術、降低成本成了鈦產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略性關鍵問題。
在新時代下為了滿足航空制造業(yè)的發(fā)展，在研究鈦合金材料的同時，完全有必要結合新型的加工制造工藝，進一步增強鈦合金在航空領域中的實際使用性能，同時降低應用成本。相比于傳統(tǒng)加工制造工藝，激光加工過程中激光與工件不接觸，不產(chǎn)生切削力，加工后變形小，且具有熱影響區(qū)小、加工效率高、易于自動化控制等特點，因此在航空領域具有 廣闊的應用前景[9－10］。伴隨著激光加工技術的發(fā)展成熟，激光加工鈦合金技術在航空制造業(yè)中的應用得到了國內外學者的廣泛研究[11－14］。目前，在航空制造領域應用的激光加工技術主要包括激光切割、焊接、增材、制孔、清洗、沖擊強化等[15－16］。本文著重介紹鈦合金及其激光加工技術在航空制造中的應用情況，分析實際應用中存在的問題，并對未來的發(fā)展趨勢及應用前景進行展望。
1、鈦合金在航空制造中的應用及發(fā)展
20世紀50年代，軍用飛機進入超音速時代，對結構材料產(chǎn)生了新的需求，鈦合金恰恰在此時進入了工業(yè)性發(fā)展階段。應用初期鈦合金應用于軍用飛機也只是機身的隔熱板、機尾罩、減速板等受力較小的結構件[17］。隨著時間的推移，如今，鈦合金已是各類軍民用飛機的主要結構材料，也是航空發(fā)動機風扇、壓氣機輪盤和葉片等重要構件的首選材 料[18］。鈦合金在航空領域的應用對提高航空發(fā)動機動力、減輕航空零部件的重量、增加航空飛行器的航程和安全性提供了有效保證，鈦合金的用量也逐漸成為飛機先進性的一個衡量標準[19］。
鈦合金在現(xiàn)代飛機上的應用范圍十分廣泛，飛機機身、液壓管道、起落架、座艙窗戶框架、蒙皮、緊固件、艙門、機翼結構、發(fā)動機、風扇葉片、壓縮機葉片等部位多采用鈦合金。下面重點介紹鈦合金在飛機機身、航空發(fā)動機、航空緊固件等方面的應用研究情況。
1.1 鈦合金在飛機機身架構中的應用
飛機機身用材料要求合金在中等溫度下具備強度好、耐腐蝕、質輕等優(yōu)良特性，同時需要滿足與碳纖維復合材料有相近的熱膨脹系數(shù)，化學相容性較高，從而可避免化學腐蝕。表1列出了到目前為止鈦及鈦合金在飛機上的使用狀況[20］。Ti-6Al-4V合金不僅適合用作飛機很多種的機械部件，也適合用于起落架那樣的特殊裝置部件，幾乎可用于制造飛機的任何部分。因此，飛機機體所使用的鈦合金中，Ti-6Al-4V的用量最大，占機體結構件用鈦合金的80％～90％[21－22］。
如今，國外軍用飛機機身上鈦合金使用量已達到30％～40％，如圖1所示為美國Ｆ22鈦合金使用部位，并且未來會以每年20％～25％的速度增加；在民用飛機方面，可占到約10％～15％，并在逐步增長。其中空客Ａ350客機的鈦用量達到14％左右[23］，波音飛機用鈦量已從最初波音707的0.5％增至波音787的15％，波音787的鈦材的用量達到136ｔ，波音787的材料使用情況如圖2所示，波音用鈦量增速基本與空客飛機保持同步。我國在軍用飛機上應用鈦合金起步較晚，與國外相比，存在很大差距。近年來，隨著我國的科技進步與研發(fā)投入，預計我國新一代高性能戰(zhàn)斗機的鈦用量將達到25％～30％；而在民用飛機領域，我國商用支線客機ＡＲＪ21的鈦合金用量為4.8％，自主研發(fā)的C919大型客機的鈦合金用量達到了9.3％，超過了美國波音777飛機。
1.2 鈦合金在飛機發(fā)動機中的應用
航空發(fā)動機是飛機的核心所在，直接影響著飛機的性能、可靠性以及經(jīng)濟性，是一個國家科技、工業(yè)和國防實力的重要體現(xiàn)[24］。航空發(fā)動機的工作環(huán)境要求所用的合金材料在高溫工作條件下（300～600℃）具有較高的熱強度、比強度、高溫蠕變抗力、疲勞強度、持久強度和組織穩(wěn)定性。此外，考慮到發(fā)動機的推重比[25］，鈦合金的應用可以進一步提高發(fā)動機的推重比[26－27］，提高其經(jīng)濟性。目前，航空發(fā)動機中用的比較多的鈦合金主要是α型、近α型和α＋β型鈦合金，表2為世界各國研制的飛機發(fā)動機用鈦合金[28］。
鈦合金在航空發(fā)動機中的應用部位主要有壓氣盤、靜葉片、動葉片、機殼、燃燒室外殼、排氣機構外殼、中心體、噴氣管、機匣等[29］。在國外先進航空發(fā)動機中，高溫鈦合金用量已占發(fā)動機總質量的25％～40％[30］。我國早期研制的航空發(fā)動機鈦用量很低，1978年研制的渦噴13系列發(fā)動機的鈦用量達到13％，2002年設計的昆侖渦噴發(fā)動機的鈦用量達到15％[31］，預計我國新一代航空渦扇發(fā)動機的鈦用量將達30％以上。
1.3 鈦合金在航空緊固件中的應用
在目前的航空制造領域，飛機的連接方式仍以機械連接為主。一方面由于航空裝備輕量化的發(fā)展要求，另一方面，在軍民用飛機中，除了使用到金屬構件外還有很多碳纖維復合材料，之前提到鈦與碳纖維復合材料的電極電位相近。因此，高減重、耐腐蝕、無磁性、與復合材料相容性好等特性是鈦合金逐漸成為先進飛機緊固件材料的主要原因[32－33］。目前美國、法國等航空發(fā)達國家，95％以上的鈦合金緊固件都采用Ｔｉ－6Ａｌ－4Ｖ材料制造[34］，其中一些先進機型用的鈦合金緊固件已經(jīng)完全替代了 30CｒＭｎＳｉＡ鋼。除此之外，用到的鈦合金緊固件材料還有ＴＢ2、βＩＩＩ、Ｔｉ－44.5、Ｔｉ－15－3（ＴＢ5）ＴＢ8 和ＴＢ3等。
鈦合金緊固件的應用使飛機的重量得到了顯著的降低。在國外，鈦合金緊固件的應用歷史可追溯到20世紀50年代，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展得十分成熟[35－36］。相比于國外鈦合金緊固件的普遍應用，我國飛機緊固件用鈦合金材料技術發(fā)展較晚，且長期依賴進口，直到20世紀90年代后期，才開始使用了一些鈦合金緊固件。近年來，隨著我國航空航天事業(yè)的發(fā)展，鈦合金緊固件率先在航空航天領域中得到大量應用[32］，在民機上的用量也十分可觀。據(jù)資料顯示，每架國產(chǎn)C919飛機約需鈦合金緊固件20萬件[3］， 隨著今后C919的量產(chǎn)，每年需要約3000萬件鈦合金緊固件。
2、鈦合金激光加工技術在航空制造中的應用
鈦合金在航空制造中的應用優(yōu)勢已經(jīng)越來越明顯，大規(guī)模使用鈦合金是今后航空工業(yè)發(fā)展的趨勢，而且為了進一步降低鈦合金應用成本并增強其使用性能，鈦合金新型加工制造工藝也成為航空制造領域最為關注的問題。激光作為一種新興的加工工具，自上世紀70年代大功率激光器件誕生以來，已形成了激光焊接、激光切割、激光打孔、激光表面處理、激光合金化、激光熔覆、激光快速原型制造、金屬零件激光直接成形、激光刻槽、激光標記、激光摻雜等十幾種應用工藝，目前已經(jīng)在各個工業(yè)制造領域得到應用。
國外的實踐已經(jīng)證明，鈦合金激光加工技術應用于航空制造對提升航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展和升級起著重要作用。目前，我國的大飛機項目正在高歌猛進，鈦合金激光制造技術產(chǎn)業(yè)化應用前景遠大，將對我國航空領域的發(fā)展產(chǎn)生深刻影響。本文重點綜述幾種典型的鈦合金激光加工技術在航空制造中的應用，總結加工時激光與材料的作用機理，分析激光加工工藝對加工質量的影響。
2.1 鈦合金激光焊接技術
在飛機制造領域中，鈦合金激光焊接技術主要應用于飛機大蒙皮的拼接以及蒙皮與長桁的焊接，機身附件的裝配，如腹鰭和襟翼的翼盒，航空發(fā)動機葉片修復，合金飛行舵翼焊接，燃料貯箱加強筋條激光焊代鉚等。鈦合金機身整體壁板作為飛機重要組成構件，存在大量Ｔ型結構需要焊接，如圖3所示，其中普遍采用Ｔ形接頭雙光束激光焊技術[37］，如圖4所示。國內外有關學者對鈦合金飛機機身壁板中的Ｔ型結構激光雙光束焊接技術開展了大量研究[38－43］。結果表明，鈦合金激光雙光束焊接技術解決飛機機身整體壁板用Ｔ型結構中的焊接變形及加強筋翻邊導致機身重量增加的問題。同時雙激光束作用下金屬板材能形成較大的熔池和匙孔，方便氣體的排出，減少氣孔率；提高了激光焊接過程的穩(wěn)定性，減少熱影響區(qū)面積，改善焊縫質量；減小激光焊接過程中金屬熔化造成的不利變形，有效控制了蒙皮表面形狀誤差。
從2003年開始，我國逐漸將激光焊技術應用于飛機鈦合金壁板類關鍵構件的焊接，同時就激光焊接技術修理飛機構件開展了一些研究，并已實現(xiàn)了部分構件的修理應用。
此外，激光焊接大量應用于航空發(fā)動機薄壁高精度構件中，如圖5所示。國內外極為重視航空構件激光焊接技術的研發(fā)與應用，開展了大量航空發(fā)動機相關材料及結構激光焊接技術研究。
美國普惠公司完成渦輪葉片所需部件的自動激光焊接，如ＪＴ9Ｄ和ＦＬＯ的二級渦輪轉子葉片以及Ｖ2500、Ｆ100－PW－220、PW2037、PW4000 等發(fā)動機的渦輪葉片、導向葉片、機匣及燃燒室等。英國Ｒ＆Ｒ公司用固體激光器與機器人組合完成鈦合金和高溫合金的自動化焊接，保證了焊縫和焊接過程的一致性，減少了焊接變形，接頭殘余應力低，大大減少了校形工作量。北京航空制造工程研究所已將激光焊接技術應用于發(fā)動機鈦合金承力構件制造，并采用激光焊接技術替代板擴散連接技術，在國內率先開展了鈦合金超塑成形／激光焊的多層結構制造工藝研究。
在航空發(fā)動機零部件修理領域也大量應用到激光焊接修復技術，如圖6所示。美國霍尼韋爾公司已經(jīng)成功將激光焊接技術應用于Ａｖｒｏ�。遥手Ь�噴氣系列飛機發(fā)動機ＬＦ507的葉片修理。加拿大Ｌｉｂｕｒｄｉ集團公司采用自動送絲激光焊接設備進行葉片修理，已實現(xiàn)了ＲＢ211發(fā)動機高、中、低壓渦輪葉片修理。德國ＭＴＵ 公司開發(fā)了可用于風扇整體葉盤的葉片損傷修復的激光焊接技術，形成了焊接、機械加工、精密拋光和無損檢測修理規(guī)范。國內在激光焊接修理應用研究相對較少，大部分研究仍處于實驗驗證階段，還未應用到實際之中。中科院金屬所采用激光顯微焊進行原位無損修復，已成功應用于我國研制的某機空心導向葉片的鑄造工藝孔修復，以及低壓渦輪1、2級三聯(lián)體無余量精鑄導向器葉片大小安裝板上的疏松、縮孔與裂紋等缺陷的修理，通過了裝機臺架試車考核。
2.2 鈦合金激光增材技術
激光增材制造是目前航空領域產(chǎn)業(yè)化應用的主要技術，如圖7所示，該技術在航空航天領域和高端裝備領域的應用開發(fā)被各國列為發(fā)展重點。在過去幾年里，航空零件增材制造是增長最快的應用領域，2019年產(chǎn)能規(guī)模達到了60億美元。國外無論在技術成熟度上還是實現(xiàn)應用的時間點上，都已經(jīng)比較成熟，目前國際上已經(jīng)有多家成熟的激光增材設備 制造商。美國ＡｅｒｏＭｅｔ公司[44－45］作為第一家利用激光增材制造技術實現(xiàn)航空結構件裝機應用公司，通過該技術已制造產(chǎn)品有：Ｆ－22戰(zhàn)斗機接頭，Ｆ－18 戰(zhàn)斗機連接吊環(huán)和起落架連接桿等，如圖8所示。
通用電氣（GＥ）公司從3Ｄ打印第一個ＬＥＡＰ發(fā)動機燃油噴嘴到生產(chǎn)出符合ＬＥＡＰ渦扇發(fā)動機尺寸的燃燒器襯套，GＥ已經(jīng)打印了23 500個零件，到2019年底的時候，年產(chǎn)量接近40 000個零件。國內的激光增材制造相關研究起步較晚，但發(fā)展很快，在某些方面已經(jīng)達到到了國內外領先的地步。北航王華明院士團隊研制了TA15、TC4、TC11等大型、復雜、整體、主承力飛機鈦合金加強框等關鍵構件，并實現(xiàn)了包括C919大型客機在內的多種型號飛機上的裝機應用，使我國成為世界上唯一突破飛機鈦合金大型整體主承力構件激光增材制造技術并實現(xiàn)裝機應用的國家[46］，如圖9所示。2018年，昆明理工大學利用激光選區(qū)熔融技術成功制造出了尺寸為250ｍｍ×250ｍｍ×257ｍｍ的超大型復雜鈦合金零件，這是迄今為止使用激光選區(qū)熔融方法成形的最大單體鈦合金復雜零件。
在技術研究領域，目前，航空制造相關的激光增材研究主要集中在通過優(yōu)化涂層成分和工藝來滿足不同極端場景下的實際應用需求。Ｓａｖａｌａｎｉ等[47］利用Ｔｉ＋碳納米管粉末通過激光熔覆得到ＴｉC增強鈦合金表面，熔覆層無孔隙且與基體結合強度優(yōu)異。當碳納米管的比例從5％ 增加到20％ 時，表面硬度和耐磨性能持續(xù)增強。南非約翰內斯堡大學Ｆａｔｏｂａ等[48］在Ti-6Al-4V合金表面熔覆了Ｔｉ－Cｏ合金，發(fā)現(xiàn)較低的掃描速率有利于提高金屬間化合物的比例。激光熔覆后，表面硬度從301ＨＶ 最高提升至719ＨＶ，合金的強度和耐腐蝕性能也得到了顯著提高。南非茨瓦恩理工大學Ｓｉｂｉｓｉ等[49］在Ti-6Al-4V表面激光熔覆Ｔｉ＋ＳｉＡｌＯＮ陶瓷粉末，使表面硬度相對基體提高了兩倍以上。山東大學Ｗｅｎｇ等[50］采用送粉式激光熔覆裝備在Ti-6Al-4V合金表面熔覆了含有Ｂ4C、ＳｉC和Y2Ｏ3的鈷基復合 粉末，使表面硬度提高了3～4倍，而耐磨性能最高可以達到基體的10倍以上。上海交通大學Gａｏ等[51］分析了在Ti-6Al-4V合金表面激光熔覆Ｔｉ－Ｎｉ／ＴｉＮ／ＴｉＷ＋ＴｉＳ／ＷＳ2自潤滑粉末對表面性能的影響。當混合粉末的成分為50％Ｎｉ－30％ＴｉＮ－20％ＷＳ2時，硬度從370ＨＶ 提升至900ＨＶ，表面摩擦 系數(shù)最小且耐磨性能最為優(yōu)異。
2.3 鈦合金激光分離技術
激光分離技術主要指激光切割技術和激光打孔技術。激光分離技術是將能量聚焦到微小的空間，可獲得極高的輻照功率密度（105～1015 W/cm2），利用這一高密度的能量進行非接觸、高速度、高精度的加工，幾乎可以對任何材料實現(xiàn)激光切割和打孔，是面向航空難加工材料的理想加工方式。目前，激光切割技術主要應用于飛機蒙皮、蜂窩結構、框架、翼彬，尾翼避板、直升機主旋翼、發(fā)動機機匣和火焰筒等，國外已用于鈦合金蒙皮生產(chǎn)，尤其在鈦合金激光切割的開裂和重熔層的研究上頗有成就。而國內主要研究方向是鋼板的激光切割工藝方面，僅少數(shù)涉及到鈦合金的切割，目前也只是少量應用于軍用飛機鈦合金蒙皮切割。激光打孔主要應用在燃燒室、葉片等渦輪發(fā)動機零部件上，如圖10所示。
在鈦合金激光切割技術研究領域，意大利巴里理工大學的Ｓｃｉｎｔｉｌｌａ開展了鈦合金光纖激光切割研究[52－53］，探究了激光切割工件直接進行激光焊接的可行性[54］。研究發(fā)現(xiàn)，使用光纖激光器進行鈦合金切割時的隔斷能小于CO2激光器和Ｎｄ：YＡG 激光器，并且光纖激光切割所得切縫表面粗糙度僅為1.30μｍ，遠低于CO2激光器和Ｎｄ：YＡG 激光器可以獲得的最小粗糙度。國內沈陽航空航天大學基于CO2激光器開展了ＴC1鈦合金激光切割研究[55－58］，發(fā)現(xiàn)機械加工試樣對應的最大載荷、屈服強度、抗拉強度略高于激光切割的試樣；而且在99％置信度前提下，激光切割試樣疲勞壽命僅為機械加工試樣的8.76％，疲勞壽命下降的原因是熱影響區(qū)和切縫表面條紋（包含微裂紋）。西北工業(yè)大學研究了CO2激光切割工藝對1.5ｍｍ TC4鈦合金疲勞性能的影響[59］，同樣發(fā)現(xiàn)切縫表面條紋導致激光切割試件的疲勞壽命大幅下降。沈飛團隊對TA15激光切割熱影響區(qū)的組織與性能研究發(fā)現(xiàn)[60］，熱影響區(qū)到基體顯微硬度呈明顯的下降趨勢，存在熱影響區(qū)的板材的屈服強度和抗拉強度比母材都有一定程度的下降。
在激光打孔技術研究領域，早期，國內外在航空領域的激光打孔主要采用普通脈沖或短脈沖激光，研究內容集中在通過優(yōu)化工藝來提高孔的幾何和冶金質量。印度Ｂａｎｄｙｏｐａｄｈｙａｙ等[61］對厚度分別為4ｍｍ和8ｍｍ的ＩＮ718與Ti-6Al-4V合金進行激光打孔，發(fā)現(xiàn)當材料厚度增加，孔的錐度減小，但打孔時產(chǎn)生飛濺以及重鑄層等缺陷變得明顯。馬來西亞理工大學Ｂａｈａｒ等[62］發(fā)現(xiàn)脈寬在0.5～20ｍｓ時，低的脈沖寬度有利于提高Ti-6Al-4V合金表面激光打孔的質量，而高的脈沖頻率可以降低孔的錐度。近年來，超短脈沖激光打孔在航空制造領域的應用得到廣泛關注。俄羅斯普通物理研究所Ｋｏｎｏｎｅｎｋｏ等[63］分析了飛秒激光的重復頻率對鈦基合金旋切打孔的影響，發(fā)現(xiàn)重復頻率較高時（150ｋＨｚ），打孔時的熱累積提高了速率，但孔入口邊緣和表面發(fā)生了明顯氧化。國內中科院西安光學精密機械研究所[64］和中科中涵激光設備（福建）股份有限公司[65］都開展了航空渦輪葉片表面飛秒激光打孔的工藝探索，得到的散熱孔內壁重鑄層很小，且無裂紋。
3、結論與展望
隨著航空制造領域鈦合金用量的穩(wěn)步增長，低成本、高應用性能依然是未來鈦合金研究的主流方向。首先繼續(xù)開展相關新型低成本鈦合金研究，改進成形工藝，采用先進的加工與制造技術，發(fā)展鈦合金近凈成形技術等，同時可以運用計算機模擬計算設計加工工藝，節(jié)省資源，提高新材料制備和加工工藝設計的準確性；其次加強高綜合性能鈦合金研究， 如ＴｉＡｌ金屬間化合物和鈦基復合材料的研究，未來在航空制造領域可以進一步用鈦合金代替鎳基、鐵基合金等傳統(tǒng)材料；再者進一步研究鈦合金的激光加工技術在航空領域的應用，從而在根本上突破制約航空用鈦合金用量和應用水平提升的成本瓶頸。
隨著各方面研究的深入，相信全鈦制造的飛機也許在不遠的將來即會成為現(xiàn)實。
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