鈦合金型材冷拉伸技術(shù)

60年代前后，由于工藝方面的限制，鈦合金整體壁板也是用厚鈦板機(jī)械加工而成，當(dāng)時(shí)從價(jià)格和重量對(duì)比看，鈦合金都不具備優(yōu)勢(shì)。之后，鈦合金熱成型技術(shù)得到發(fā)展，但是使用這種技術(shù)需要加熱及熱處理設(shè)備，加工精度差，生產(chǎn)效率低。因而，只有采用鈦合金冷成型技術(shù)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(guó)公認(rèn)為不可能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)。之所以有此觀點(diǎn)，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(diǎn)強(qiáng)度與最大強(qiáng)度之間差距很小(均小于10%)，而一般拉伸機(jī)床操作過(guò)程中其拉力變化至少在20%以上，所以采用拉伸機(jī)床成形，鈦合金必?cái)酂o(wú)疑。世界上一直無(wú)法在常規(guī)型拉機(jī)床上冷拉伸鈦合金型材件的緣故就在于此。而受國(guó)外"鈦合金不能冷拉成型"觀點(diǎn)的影響，長(zhǎng)期以來(lái)，中國(guó)航空工藝部門也沒(méi)對(duì)鈦合金冷拉技術(shù)開展過(guò)專門的研究。今年10月在美國(guó)召開的世界鈦合金會(huì)議上，會(huì)議的報(bào)告目錄中仍未見有關(guān)于鈦合金冷成形內(nèi)容的報(bào)道。

鈦合金

鈦合金TC4材料的組成為Ti-6Al-4V，屬于(a+b)型鈦合金，具有良好的綜合力學(xué)機(jī)械性能。比強(qiáng)度大。TC4的強(qiáng)度sb=1.012MPa，密度g=4.4*103，比強(qiáng)度sb/g=23.5，而合金鋼的比強(qiáng)度sb/g小于18。鈦合金熱導(dǎo)率低。鈦合金的熱導(dǎo)率為鐵的1/5、鋁的1/10，TC4的熱導(dǎo)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(shí)容易產(chǎn)生變形。TC4(Ti-6Al-4V)和TA7(Ti-5Al-2.5Sn)鈦合金，采用兩種注入方案進(jìn)行表面改性，試驗(yàn)表明，鈦合金經(jīng)離子注入后，提高了顯微硬度，顯著地降低了滑動(dòng)摩擦系數(shù)，有效地提高了耐磨性。為探明其改性機(jī)理，對(duì)注入與未注入樣品進(jìn)行了X射線光電子能譜(XPS)分析，獲得滿意的結(jié)果。

航空領(lǐng)域常用的鋁合金由于焊接強(qiáng)度很低，不可能采用常規(guī)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，因此通常采用機(jī)械加工方法，將厚鋁板整體切削成鋁合金整體壁板，這就導(dǎo)致結(jié)構(gòu)重量較大，而且材料利用率特別低。與強(qiáng)度低、耐熱性差的鋁合金相反，鈦合金恰恰具有高強(qiáng)和耐高溫的優(yōu)點(diǎn)，因此越來(lái)越多地取代鋁合金用作飛機(jī)材料。但是鈦合金材料價(jià)格昂貴，且加工難度大。

航空工業(yè)領(lǐng)域年近八旬的退休老專家許季昌于1952年畢業(yè)后開始進(jìn)入航空工業(yè)領(lǐng)域工作。1954年，他在聽了航空領(lǐng)域著名專家昝凌到英國(guó)出差回國(guó)后的一次報(bào)告時(shí)，了解到當(dāng)時(shí)英國(guó)飛機(jī)制造廠仍在使用19世紀(jì)制造的沖壓機(jī)床，便認(rèn)定未來(lái)沖壓機(jī)床必定會(huì)有巨大發(fā)展空間。之后，許季昌向上級(jí)匯報(bào)了想去從事具體的沖壓機(jī)床設(shè)計(jì)工作，以實(shí)現(xiàn)參與此未來(lái)大發(fā)展的愿望。1958年，九所(625所前身)在飛機(jī)研究室成立了沖壓機(jī)床設(shè)計(jì)組，許季昌被調(diào)入該組工作。

在此后的工作中，許季昌逐漸意識(shí)到鋁合金的焊接性能已限制了它的發(fā)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(jī)身重量。

盡管很多人都認(rèn)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(xì)分析研究了材料冷拉工藝必須具備的性能，并查閱和研究了鈦合金的技術(shù)性能后，他認(rèn)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(jī)性能創(chuàng)造極有利的條件，于是鈦合金型材件冷拉成形技術(shù)就成為成了許季昌幾十年不斷為之奮斗的目標(biāo)。

為了實(shí)現(xiàn)鈦合金冷拉成形這一技術(shù)夢(mèng)想，許季昌在完成機(jī)床設(shè)計(jì)等本職工作之余，不僅鉆研了老本行的機(jī)械液壓技術(shù)，還努力學(xué)習(xí)數(shù)字電子控制技術(shù)，專心探索成形鈦合金型材零件將會(huì)出現(xiàn)的工藝技術(shù)難點(diǎn)和相應(yīng)解決方案。考慮到鈦合金冷拉的需要，從1965年開始到1980年，許季昌研制成了世界上第一臺(tái)能在鈦合金型材件冷拉時(shí)進(jìn)行控制的變形量自動(dòng)控制系統(tǒng)(獲航空工業(yè)部科技二等獎(jiǎng))，并安裝在了由他主持設(shè)計(jì)的XL-1轉(zhuǎn)臺(tái)式型材拉彎?rùn)C(jī)上，打開了鈦合金型材冷拉伸成形技術(shù)的成功之門。文章開頭所提到的試驗(yàn)，就是在他設(shè)計(jì)的XL-1轉(zhuǎn)臺(tái)式型材拉彎?rùn)C(jī)上進(jìn)行的，幾十年過(guò)去了，這臺(tái)機(jī)器還在工作。