鈦合金具有低密度、高比強度、使用溫度范圍寬（-269~600℃）、耐蝕、低阻尼和可焊等諸多優(yōu)(yōu)點(diǎn)，是航空航天飛行器輕量化和提高綜合性能的最佳用材，其應用水平是體現(xiàn)飛行器先進(jìn)程度的一個(gè)重要方面。提高飛行器的綜合力學(xué)性能并降低成本，是推動(dòng)鈦合金在航空航天領(lǐng)域應用的重要措施。

隨著(zhù)航空航天技術(shù)的發(fā)(fā)展，鈦合金在航空航天領(lǐng)域的應用范圍不斷擴展，鈦合金結(jié)構(gòu)件也越來(lái)越呈現(xiàn)出大尺寸、薄壁曲面、變厚度和整體結(jié)構(gòu)的趨勢，進(jìn)一步提高了航空航天飛行器的性能、結(jié)構(gòu)剛性，減輕了重量，鈦合金精密成形技術(shù)將是航空航天制造技術(shù)的研究重點(diǎn)。

精密成形是指零件成形后接近或達到零件精度要求的成形技術(shù)，它是建立在新材料、新設備、新工藝、計算機輔助工藝設計等技術(shù)成果的基礎上，發(fā)(fā)展了傳統(tǒng)的成形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)(chǎn)品高效、高性能、低成本的少無(wú)余量制造技術(shù)，精密成形的零件具有高的幾何精度和表面粗糙度、精確的外形及優(yōu)(yōu)良的機械性能。鈦合金精密成形技術(shù)廣泛應用于航空航天領(lǐng)域，它的使用能顯著(zhù)提高各類(lèi)作戰(zhàn)飛機、航空發(fā)(fā)動(dòng)機、戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)導彈、運載火箭等航空航天產(chǎn)(chǎn)品的綜合性能和保障能力。針對精密成形技術(shù)中精密熱成形（包括精密鑄造、超速成形/擴散連接、精密旋壓和激光直接快速成形）技術(shù)的應用進(jìn)展進(jìn)行分析，這些技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)近凈形生產(chǎn)(chǎn)，材料利用率高達70%~90%，已經(jīng)(jīng)在航空航天領(lǐng)域凸顯出廣闊的發(fā)(fā)展前景和良好的應用價(jià)值。

美國于20世紀60 年代開(kāi)始研究應用鈦合金精密鑄造技術(shù)，處于世界領(lǐng)先水平，開(kāi)發(fā)(fā)出了熔模陶瓷鑄型技術(shù)、機加石墨鑄型技術(shù)和熱等靜壓技術(shù)。國外先進(jìn)國家已成功研制了F-100、CFM-56、CF6-80、F-119等航空發(fā)(fā)動(dòng)機的大型薄壁整體鈦合金中介機匣、風(fēng)扇、高壓壓氣機機匣等鑄件，最大直徑已經(jīng)(jīng)大于1000mm、最小壁厚小于3mm、尺寸精度達到CT6~CT7 級水平，冶金質(zhì)(zhì)量高。

資料圖：美軍F-22戰(zhàn)斗機所使用的F119型航空發(fā)(fā)動(dòng)機

美國F-22戰(zhàn)斗機在垂尾方向舵作動(dòng)筒支座與其他關(guān)鍵承力部位大量采用鈦合金精密鑄件，約占其整體結(jié)構(gòu)重量的7.1%。德國鈦鋁精鑄公司采用近α 型鈦合金IMI834 生產(chǎn)(chǎn)了燃氣渦輪航空發(fā)(fā)動(dòng)機的零部件。目前，大型復雜的發(fā)(fā)動(dòng)機中介機匣式風(fēng)扇框架基本采用 Ti-6Al-4V 及Ti6242 精鑄件，見(jiàn)表1。

我國的鈦精鑄技術(shù)起步于20世紀60 年代，是借鑒和引進(jìn)國外技術(shù)發(fā)(fā)展起來(lái)的，經(jīng)(jīng)過(guò)多年發(fā)(fā)展開(kāi)發(fā)(fā)出了鈦合金熔模鑄造技術(shù)、搗實(shí)型鑄造技術(shù)、石墨加工型鑄造技術(shù)等。鈦合金熔模精密鑄造技術(shù)結(jié)合離心澆鑄工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了尺寸900mm、整體壁厚2.5 mm 的薄壁復雜鈦合金結(jié)構(gòu)件澆鑄成型，尺寸精度達到CT6~CT8 級，鑄件表面黏污層厚度減少到0.3mm。對于中小型鑄件尺寸精度可以達到CT6~CT7 級，表面粗糙度達到R a3.2mm，最小壁厚1.5μm，達到國際先進(jìn)水平。北京航空材料研究院曾成功澆鑄出尺寸630mm×300mm×130mm、最小壁厚僅為2.5mm 的復雜框形結(jié)構(gòu)。

隨著(zhù)航空航天裝備升級換代，對構(gòu)件的大型化、復雜化和高精度提出了更高要求，鈦合金精密鑄造技術(shù)結(jié)合先進(jìn)熔煉技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、熱等靜壓技術(shù)、數(shù)字化檢測技術(shù)等是今后的主要發(fā)(fā)展方向。目前，與歐美發(fā)(fā)達國家相比，我國在技術(shù)基礎、設備、過(guò)程控制、成形改性一體化、工藝仿真和數(shù)字化檢測等方面存在一定的差距，攻克大型薄壁復雜整體精鑄件鑄造關(guān)鍵技術(shù)，滿(mǎn)足先進(jìn)航空航天裝備研制的需要是今后工作的重點(diǎn)。

超塑成形/擴散連接（SPF/DB）是一種把超塑成形與擴散連接相結(jié)合用于制造高精度大型零件的近無(wú)余量加工方法，在現(xiàn)代航空航天工業(yè)(yè)發(fā)(fā)展的推動(dòng)下，經(jīng)(jīng)過(guò)30多年的開(kāi)發(fā)(fā)研究和驗證試驗，已進(jìn)入了實(shí)用階段。

20 世紀70 年代早期，美國洛克威爾公司首先將超塑成形技術(shù)應用到飛機結(jié)構(gòu)件制造中，使鈦合金制造工藝發(fā)(fā)生了技術(shù)變革。隨后，歐美將鈦合金SPF、SPF/DB 技術(shù)列為重點(diǎn)研究項目，促使超塑成形整體鈦合金結(jié)構(gòu)件已獲得工程應用，并產(chǎn)(chǎn)生了巨大的技術(shù)經(jīng)(jīng)濟效益：聯(lián)(lián)合戰(zhàn)斗機（JSF）的后緣襟翼和副翼、F-22后機身隔熱板等重要結(jié)構(gòu)均采用了鈦合金超塑成形/ 擴散連接的整體結(jié)構(gòu)。英國羅·羅公司采用SPF/DB 技術(shù)研制出了第二代鈦合金寬弦無(wú)凸肩空心風(fēng)扇葉片，每個(gè)葉片實(shí)現(xiàn)減重35%~40%，處于世界領(lǐng)先地位。歐盟采用超塑成形的Ti-6Al-4V 合金高度控制儀氣瓶還應用于阿里安Ⅴ火箭，國外一些導彈上用的鈦合金蜂窩結(jié)構(gòu)的翼面也采用SPF/DB技術(shù)成形。

國內(nèi)對SPF/DB技術(shù)的研究開(kāi)始于70 年代末，經(jīng)(jīng)過(guò)30 多年的發(fā)(fā)展，我國SPF/DB 技術(shù)取得了很大的進(jìn)步。近年來(lái)，我國新機研制及改進(jìn)機型中，前緣襟翼、鴨翼、整體壁板和腹鰭等大尺寸鈦合金構(gòu)件采用SPF/DB技術(shù)。針對航天型號對金屬防熱結(jié)構(gòu)的需求，航天材料及工藝研究所開(kāi)展了鈦合金波紋板SPF 技術(shù)研究，成功制備出TC4 鈦合金防熱瓦等熱結(jié)構(gòu)部件。

SPF/DB 應用于航空航天具有兩方面的優(yōu)(yōu)勢，一方面是滿(mǎn)足航空航天復雜幾何形狀零件的要求，另一方面可以不用接頭（緊固件或鉚釘?shù)齲┇@得整體結(jié)構(gòu)。SPF/DB 技術(shù)的應用方向為：大型結(jié)構(gòu)件、復雜結(jié)構(gòu)件、精密薄壁件的超塑成形；高速超塑成形技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)(fā)。SPF/DB 技術(shù)應用表明：盡管鈦合金成本高，但成本效益、可靠性、長(cháng)壽命和重量輕量化對航空航天的吸引力更大。

旋壓成形技術(shù)制造的薄壁回轉(zhuǎn)體殼體構(gòu)件解決了在車(chē)削加工時(shí)存在的剛度低、顫動(dòng)大、加工精度低等技術(shù)問(wèn)題或根本無(wú)法加工的技術(shù)難題，應用于航天領(lǐng)域具有諸多優(yōu)(yōu)勢。

美國強力旋壓生產(chǎn)(chǎn)的φ3900mm大型導彈殼體，徑向尺寸精度達到0.05mm，表面粗糙度R a 為1.6~3.2μm，壁厚差≤0.03mm。美國鈦制造公司采用1.5m 立式旋壓機旋壓φ 1524mm 的Ti-6Al-4V鈦合金導彈壓力容器封頭，每個(gè)封頭的旋壓時(shí)間為5min。民兵洲際導彈第二級固體發(fā)(fā)動(dòng)機殼體采用了Ti-6Al-4V 鈦合金，并用強力旋壓成形，成形后的鈦合金殼體重量減輕30%。圍繞航天型號對輕質(zhì)(zhì)、高強、大型化航天需求，德國MT 宇航公司采用旋壓工藝制備出φ 1905 mm 的高強Ti-15V-3Cr合金推進(jìn)系統(tǒng)貯箱，并應用于歐洲阿爾法通信衛(wèi)星巨型平臺，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星平臺的大幅度減重、增加有效載荷。

我國的旋壓工藝與設備的研究源于60 年代初期，鈦合金的旋壓研究始于上世紀70 年代，經(jīng)(jīng)過(guò)40 多年來(lái)的發(fā)(fā)展，基本形成了從設備的研制到工藝開(kāi)發(fā)(fā)一套成熟的體系。國內(nèi)航天所用鈦合金及旋壓制品，如火箭發(fā)(fā)動(dòng)機外殼、葉片罩、陀螺儀導向罩、內(nèi)蒙皮等，Ti8Al1Mo1V 高鈦合金用于發(fā)(fā)動(dòng)機葉片熱處理強化鈦合金旋壓成形；TB2 鈦合金用于小型噴管旋壓等。

西安航天動(dòng)力機械廠(chǎng)研制出國內(nèi)最大直徑的鈦合金筒形件；通過(guò)正反2 道次普旋翻邊成功旋壓出φ 500mm 的薄壁半圓鈦圈，零件用于空間飛行器微動(dòng)力姿態(tài)(tài)調(diào)整。

中國航天科技集團公司第703 研究所采用普旋與強旋相結(jié)合的技術(shù)，以TC3、TC4 2 種鈦合金板材為坯料，熱旋壓制備出了2 種鈦合金半球形（φ 內(nèi)522mm×2.0mm）、圓柱形儲箱殼體（φ 163mm×2.0mm×200mm 的杯形件，φ 163mm×2.0mm×360mm 及φ 112mm×6.0mm×1000mm 的筒形件）。

近幾年來(lái)，隨著(zhù)計算機模擬技術(shù)的發(fā)(fā)展，數(shù)值模擬已廣泛應用于金屬部件旋壓成形過(guò)程的分析。航天材料及工藝研究所對TC4筒形件進(jìn)行了計算機模擬，分析了旋輪攻角、旋輪運動(dòng)軌跡、普旋道次等工藝參數(shù)對旋壓成形的影響規(guī)律，成功旋制了高深徑比的TC4 鈦合金筒形件。盡管鈦合金精密旋壓技術(shù)為航天領(lǐng)域提供了各類(lèi)合金普旋成形高深徑比旋壓件，但從零件的工程化應用和旋壓成形的復雜性分析，還需進(jìn)一步加強?？偟膩?lái)說(shuō)，旋壓技術(shù)在國內(nèi)航天工業(yè)(yè)獲得廣泛應用，但大直徑、薄壁整體鈦合金熱旋壓成形工藝尚無(wú)應用實(shí)例，直徑2.25 m貯箱箱底整體旋壓技術(shù)、直徑5 m 低溫貯箱箱底瓜瓣成形、鈦合金及高溫合金復雜結(jié)構(gòu)件成形等技術(shù)還處在工藝摸索階段。

自20世紀90年代開(kāi)始，隨著(zhù)計算機技術(shù)的飛速發(fā)(fā)展，激光直接制造技術(shù)逐漸成為制造領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。激光直接快速成形技術(shù)中有2 種方法可以用于直接制造金屬零件，即區(qū)域選擇激光熔化（Selective Laser Melting, SLM）技術(shù)和近凈成形（Laser Engineered Net Shaping, LENS）技術(shù)。國外有關(guān)大型鈦合金結(jié)構(gòu)件激光直接快速成形技術(shù)的研究主要集中在美國。美國AeroMet公司在2002~2005 年間實(shí)現(xiàn)了激光直接快速成形鈦合金結(jié)構(gòu)件在飛機上的應用。2001 年Aero-Met公司開(kāi)始為波音公司F/A-18E/F 艦載聯(lián)(lián)合殲擊/ 攻擊機小批量試制發(fā)(fā)動(dòng)機艙推力拉梁、機翼轉(zhuǎn)動(dòng)折疊接頭、翼梁、帶筋壁板等機翼鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件。2002 年制定出了“Ti6Al4V鈦合金激光快速成形產(chǎn)(chǎn)品”宇航材料標準（ASM 4999）并于同年在世界上率先實(shí)現(xiàn)激光快速成形鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件在F/A-18 等戰(zhàn)機上的驗證考核和裝機應用。在航天領(lǐng)域，NASA 馬歇爾航天飛行中心（NASA’s Marshall Space FlightCenter in Huntsville,Ala.）于2012 年將選區(qū)激光熔化成形技術(shù)應用于多個(gè)型號航天發(fā)(fā)動(dòng)機復雜金屬零件樣件的制造。激光直接快速成形技術(shù)還常常被用于鈦合金零件或者模具的修復。

我國鈦合金結(jié)構(gòu)件激光直接快速成形技術(shù)的研究，從2001 年開(kāi)始一直受到政府主要科技管理部門(mén)的高度重視，在飛機、發(fā)(fā)動(dòng)機等鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形制造工藝研究、成套裝備研發(fā)(fā)及工程應用關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)等方面取得了較大進(jìn)展。

北京航空航天大學(xué)激光材料加工制造技術(shù)實(shí)驗室以飛機次承力鈦合金復雜結(jié)構(gòu)件為對象，開(kāi)展激光快速成形工程化應用技術(shù)研究，先后制造出TA15 鈦合金角盒近200 件，完成了“激光快速成形TA15 鈦合金結(jié)構(gòu)件在某型飛機上的裝機評審”，首件激光快速成形TA15 鈦合金結(jié)構(gòu)件順利通過(guò)在某型飛機上的全部應用試驗考核，使我國成為繼美國之后世界上第二個(gè)掌握飛機鈦合金復雜結(jié)構(gòu)件激光快速成形工程化技術(shù)并實(shí)現(xiàn)激光快速成形鈦合金結(jié)構(gòu)件在飛機上應用的國家。

北京航空航天大學(xué)王華明主持的“飛機鈦合金大型復雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)”項目研制生產(chǎn)(chǎn)出我國飛機裝備中迄今尺寸最大、結(jié)構(gòu)最復雜的鈦合金等高性能難加工金屬關(guān)鍵整體構(gòu)件，并在我國大型飛機等多型飛機研制和生產(chǎn)(chǎn)中得到實(shí)際應用，從而使我國成為目前世界上唯一突破飛機鈦合金大型主承力結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)并實(shí)現(xiàn)裝機應用的國家，如圖1。

相對于國內(nèi)的航空領(lǐng)域的研究應用，目前激光直接快速成形技術(shù)在我國航天領(lǐng)域的應用研究基本上還是處于起步階段。實(shí)際上，航天液體和固體火箭發(fā)(fā)動(dòng)機難加工材料、復雜型面的結(jié)構(gòu)件及武器型號難加工材料輕質(zhì)(zhì)防熱結(jié)構(gòu)件可以很好地采用選區(qū)激光熔化技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度加工。

采用激光直接快速成形技術(shù)制造航空航天用的整體鈦合金結(jié)構(gòu)件具有材料利用率高、加工余量小、周期短和柔性高等優(yōu)(yōu)點(diǎn)。但激光快速成形過(guò)程中零件變形開(kāi)裂預防，內(nèi)部質(zhì)(zhì)量（內(nèi)部缺陷、晶粒及顯微組織等）及力學(xué)性能控制依舊是制約大型整體鈦合金關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件激光直接快速成形技術(shù)發(fā)(fā)展和應用的技術(shù)瓶頸。


結(jié)束語(yǔ)

綜合所述，鈦合金精密熱成形技術(shù)在獲得不斷進(jìn)步的同時(shí)，也遇到了一些技術(shù)難題，大型整體鈦合金構(gòu)件的工程化應用范圍還比較小，但隨著(zhù)航空航天產(chǎn)(chǎn)業(yè)(yè)的快速發(fā)(fā)展，鈦合金精密熱成形技術(shù)必定步入一個(gè)新的發(fā)(fā)展期，鑒于鈦合金和精密熱成形技術(shù)的突出優(yōu)(yōu)點(diǎn)，二者的結(jié)合在未來(lái)航空航天工業(yè)(yè)中的貢獻作用將更為顯著(zhù)，今后其主要發(fā)(fā)展方向是：（1）大型或者超大型復雜（薄壁）結(jié)構(gòu)件的整體精密成形、低成本、工程化應用；（2）計算機模擬（仿真）技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)、數(shù)控技術(shù)等與精密成形技術(shù)的結(jié)合，為航空航天新構(gòu)件的成形提供技術(shù)途徑。