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中国航空热加工技术展望



    [摘要]叙述了热加工技术在航空工业中的作用及其发展趋势。根据航空产品发展的需求及学科发展趋势,提出了下个世纪初需要发展和推广的关键热加工技术。


  航空产品的设计、材料和制造技术三者相辅相成,互相促进、互相制约。

一代飞机及其发动机的更新,总伴随着新材料、新结构和新工艺的重大突破[1]。热加工技术的更新换代,必将促进航空产品性能和结构的重大改变。

    热加工技术是先进制造技术主体技术的重要组成部分,是保证航空产品质量的基础技术。在航空工业中的作用可归纳如下:

  (1)显着提高航空产品性能。在过去的30年中,涡轮进口温度提高了450℃,其中70%是由于采用了精铸空心叶片获得的[2],这两项技术已成为决定高推重比发动机所能达到最高性能水平的关键技术。

  (2)大幅度减轻航空产品重量,降低制造成本。国内外许多实例证明,采用先进热加工技术制造大型精密锻、铸件可减轻重量20%和降低成本30%左右[3],同时,还为设计人员提供了设计的灵活性。

  (3)提高航空产品使用寿命和可靠性。例如,采取多向模锻、真空热处理、表面镀镉钛和喷丸及孔挤压强化处理等先进热工艺制造起落架零件,可使起落架与飞机同寿命,一个起落架可代替传统工艺生产的几个起落架使用[3]。

  目前,国外已能大批量生产叶身无余量的各种尺寸的叶片精锻件和定向及单晶合金空心叶片精铸件,美国Howmet公司一家已生产100多种100多万件精铸单晶叶片;已批量生产投影面积1.2~3.5m2的各种材料的大型模锻件[4],并已研制成功投影面积5.16m2的钛合金模锻件[4];已批量生产直径1300mm、壁厚1~2mm(最薄0.5mm)的钛合金精铸机匣,并正在研制尺寸达2000mm的精铸件。

  我国已能小批量生产中小型钛合金叶片精锻件和定向空心叶片精铸件,并已研制成功单晶合金叶片精铸件;已研制出直径570mm的钛合金机匣铸件和投影面积小于1m2的模锻件。这一状况,不但与国际先进水平的差距甚大,而且与我国在新世纪研制和生产先进战斗机、先进民机及其高推比发动机和机载设备对热加工技术的需求相比,其差距也很大。因此,需要制定规划、明确目标,集中力量攻克新机研制和生产急需的关键热加工技术。本文针对这一现状,对新世纪的我国航空热加工关键技术作一展望。

  1 热加工技术的发展趋势


  现代热加工技术的各种工艺方法大多是集多种学科于一体的综合技术,是兼容多种现代科技理论的工程技术,是技术最密集、最能代表先进制造技术水平的高技术领域之一,具有技术难度大、耗资大和研究周期长等特点,正沿着如下新趋势发展[3]:

  (1)新工艺方法发展迅速。如单晶空心叶片精铸、粉末高温合金涡轮盘超塑性锻造、喷射沉积成形和隔热涂层技术等;

  (2)常规热加工技术逐步被现代技术改造。古老的锻、铸、焊、热、表面处理等常规技术引进了计算机、真空和激光等技术,被改造为高新技术;

  (3)学科间互相渗透或组合成复合成形工艺愈来愈多。如超塑性成形/扩散连接和形变热处理技术等;

  (4)热工艺过程的模拟技术普遍应用。如铸件凝固铸造过程的数值模拟、锻件和铸件缺陷形成及预测的数值模拟,以及激光快速成形等技术;

  (5)热加工技术与产品新结构同步发展。如摩擦焊接、热等静压和液相扩散焊等热加工技术分别与整体涡轮转子、整体叶盘结构和大型夹芯结构风扇叶片及对开叶片等新结构同步发展;

  (6)新工艺方法与新材料同步发展。如热等静压和超塑性锻造与粉末高温合金和液态金属快速冷却轧制与非晶态材料同步发展等;

  (7)工艺材料(Processing Materials)在热加工过程中的作用愈来愈大。如钛合金锻造用玻璃润滑剂、铸造用型芯和壳体材料及涂料等。


  2 航空热加工技术的发展重点

  根据我国航空工业在新世纪的发展需要和热加工技术的发展趋势,针对第四代战斗机和先进民机及其配套的高推重比发动机和机载设备对热加工技术的需求,并考虑学科发展,建议下世纪初重点发展以下航空热加工技术:

  (1)先进铸造技术。研究复杂结构叶片精密铸造技术、抗高温型芯和壳体材料及其精密制备技术及涂料技术、配套的电子束物理气相沉积技术(EB-PVD)等,以探索工作温度2000~2100K的高效冷却单晶叶片制造技术;研究钛合金机匣-叶片整体结构件精铸技术、高温合金机匣精铸技术、铝合金唇口及附件壳体等大型结构件精铸技术、大型薄壁高强蜡型和壳型制造技术及涂料技术、铸造过程的数值模拟技术等,以全面掌握大型薄壁结构件精密铸造技术。针对在研和在制飞机及其发动机典型零件工业生产的需求,推广应用钛合金整体机匣精铸技术及其相应的配套技术,开发单晶组合叶片批生产技术及其相应的配套技术。

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