热加工技术在航空工业中的作用及发展

［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。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，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，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。

　　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，并已研制成功投影面积5.16m2的钛合金模锻件；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：

　　（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。

　　（2）超塑性和精密锻压技术。研究粉末高温合金盘件（含喷射成型盘坯）超塑性锻造过程中应力和流变场的数值模拟技术、粉末高温合金盘件超塑性锻造毛坯的制备技术和锻造工艺、超塑性锻造模具和润滑技术，从而全面掌握粉末高温合金盘件超塑性锻造技术；探索粉末高温合金涡轮盘件真空超塑性锻造技术。

　　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，推广应用钛合金叶片机械压力机恒载荷精锻批生产技术、润滑及测量技术，开发钛合金结构件、压气机盘和大型叶片的等温模锻技术，开发投影面积大于1m2的大型锻件分级模锻技术。

　　（3）特种焊接技术。研究单晶、NiAl、TiAl、C/C复合材料、Ti基复合材料、陶瓷结构件及异种材料构件真空钎焊技术及其钎料，研究单晶和 NiAl材料构件过渡液相扩散焊（TLP扩散焊）技术及其中间层合金，研究非晶态钎料和中间层合金的制造技术。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，开发发动机转子摩擦焊接和电子束焊接、压气机零组件和导管等激光钎焊技术、铝锂合金大型构件的电子束焊接技术、大型复杂结构雷达天线钎焊技术和钛合金大型结构件的电子束焊接技术及其相应的配套技术。

　　（4）热处理工艺基础及通用技术。研究粉末和喷射成形高温合金超塑性锻造盘件固溶处理的冷却速度精确控制技术、不锈钢和结构钢构件氮化处理的氮势和氮化层深度的精确控制技术、真空离子渗碳仿真控制技术、热处理工艺的计算机专家系统。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，开发发动机热端零部件高压恢复热处理技术、大型铝合金组合件热处理技术、高温合金焊接件性能匹配热处理技术和飞机及发动机零件、钛合金钣金组合件小变形精密热处理技术及其相应的配套技术。

　　（5）表面工程技术。研究连续梯度结构新型隔热涂层技术，将隔热效果提高至100～200℃；研究航空零件在海洋性气候条件下的防腐蚀涂层工艺、涡轮叶片内腔冷却通道循环气相渗工艺、镍铝金属间化合物构件高温防护涂层技术、金属有机物化学气相沉积（MOCVD）红外透射材料薄膜工艺、新型雷达罩高透波率抗雨蚀涂层工艺。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，开发在中国气候条件下的某先进飞机全机腐蚀控制技术、飞机进气道隐身涂层涂装技术和含氟蒙皮涂层及其涂层技术，推广应用起落架零件Cd-Ti涂层技术和各种重要承力件表面应变强化技术。

　　（6）热等静压成形及喷射沉积成形技术。研究双合金整体叶盘结构（单晶叶片和粉末盘）热等静压复合成形技术、超纯净高温合金涡轮盘喷射成形技术及其相关技术、铝基复合材料构件喷射成形技术，为新机研制作好技术储备。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，研究某发动机粉末合金涡轮盘直接热等静压批生产工艺及其可靠性，开发喷射成形技术在某发动机涡轮盘上的工程应用。

　　（7）计算机技术在热加工过程中的应用。研究钛合金和高温合金铸件铸造过程的数值模拟技术、锻造过程的计算机反向模拟技术、锻件及铸件缺陷形成的数值模拟及其预测、计算机神经网络技术在钎焊和扩散焊技术中的应用、热处理工艺的计算机专家系统。推广应用定向凝固叶片精铸件凝固过程的数值模拟技术。

　　3 结束语

　　航空热加工技术是显着提高航空产品性能、大幅度减轻航空产品重量、降低制造成本和提高航空产品使用寿命及可靠性的关键技术，正沿着优质、高效、精密、大型和无污染的方向发展。为适应新世纪我国航空工业的发展，除加强各学科关键技术的预研外，还要重视批生产技术的配套发展，以提高制造技术的整体水平。为此建议：

　　（1）集中力量攻克高效冷却单晶叶片精铸技术和粉末高温合金涡轮盘超塑性锻造技术等先进战斗机和先进民机及其配套发动机急需的关键热加工技术，以保证新机研制的顺利进行。

　　（2）针对在研和在制航空产品，完善和推广应用钛合金叶片精锻批生产技术和钛合金整体机匣精铸技术等高效、精密、低成本的先进热加工技术，开发并应用钛合金大型结构件和压气机盘等温模锻技术及单晶组合叶片批生产技术等生产优质产品的先进热加工技术，以提高航空工业的综合技术水平、产品质量和经济效益。