TA18鈦合金管的應(yīng)用現(xiàn)狀與彎曲成形技術(shù)研究進(jìn)展

引言

TA18鈦合金是從TC4鈦合金演變而來的低鋁當(dāng)量近琢型的鈦合金，其名義成分為Ti-3Al-2.5V。TA18鈦合金在室溫和高溫下強(qiáng)度比純鈦高20~50%，它不僅具有良好的室溫、高溫機(jī)械性能和耐蝕性能，而且具有優(yōu)異的冷、熱加工工藝塑性、成形性和焊接性能。該合金對缺口不敏感，具有良好的抗蝕性，因此成為航空航天管路系統(tǒng)的首選材料。

TA18鈦合金的強(qiáng)化途徑主要是通過冷加工變形。冷加工后，通過不同的熱處理制度，可使管材達(dá)到不同的強(qiáng)度水平。最常用的有退火態(tài)中強(qiáng)級(jí)（Rp0.2≥620MPa）和去應(yīng)力退火態(tài)高強(qiáng)級(jí)（Rp0.2≥860MPa）兩種典型代表。其中，退火態(tài)中強(qiáng)級(jí)管材主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)管路系統(tǒng)，去應(yīng)力退火態(tài)高強(qiáng)級(jí)管材主要用于飛機(jī)液壓等管路系統(tǒng)[1]。

航空航天飛行器的管路系統(tǒng)是飛行器的生命線，主要包括燃油管路、液壓油管路、滑油管路、氣源管路、壓縮空氣管路、引射水管路等。其數(shù)量繁多、結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，加工質(zhì)量直接影響其連接的精確度和穩(wěn)定性。一直以來管材在彎曲成形中經(jīng)常出現(xiàn)各種缺陷，如：彎管截面變形、起皺、彎管變薄、彎曲回彈等，這不僅影響了產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)裝配進(jìn)度，還給飛行器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能帶來安全隱患。管路系統(tǒng)的可靠性和持久性是滿足適航要求、保障飛行安全和降低維修成本的重要因素，因此提高管材的彎曲成形技術(shù)水平對提高飛機(jī)性能是非常重要的[2]。

1、國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1國外應(yīng)用現(xiàn)狀

TA18高強(qiáng)鈦管用于液壓管路系統(tǒng)，不僅能夠滿足較高的強(qiáng)度要求，還能滿足航空航天等領(lǐng)域?qū)?gòu)件輕量化的需求，因此在國外早已得到重視和廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)中期，美國為飛機(jī)管路液壓系統(tǒng)開發(fā)了TA18鈦合金，采用該合金制備的管材已在F-14A、F-15、B-1和波音747、757、767等飛機(jī)的液壓、燃油管路系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。世界各大航空公司，如波音、通用、麥道、普惠、羅羅、空客等，其軍用飛機(jī)和商用客機(jī)等運(yùn)輸工具上也大量使用TA18鈦合金管材[1，3-5]。目前，TA18鈦合金已被廣泛應(yīng)用于西方許多國家的軍事工程中管件部分（包括直升機(jī)），成為軍機(jī)和民機(jī)管路系統(tǒng)的首選材料。

1.2國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代中期，以西北有色金屬研究院為首的相關(guān)單位開始對中強(qiáng)級(jí)TA18鈦合金進(jìn)行深入地研究，并在航空航天飛機(jī)管路系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，但高強(qiáng)級(jí)TA18鈦合金管材的研制尚處于初級(jí)階段。目前由于鈦合金管材彎曲及管接頭技術(shù)尚未完全成熟，故鈦合金管材在民用飛機(jī)和軍用飛機(jī)上均未獲得廣泛應(yīng)用。在管材彎曲成形方面，由于缺乏相應(yīng)的設(shè)備，目前尚只能較為穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)純鈦（如TA1、TA2）和一些強(qiáng)度不高的鈦合金管材（如TA16M）以及中強(qiáng)鈦合金管（如TA18M）的數(shù)控冷彎曲成形[6]。

2、管材彎曲成形技術(shù)研究進(jìn)展

2.1管材彎曲成形方法

最常見的管材彎曲成形方法主要有壓彎成形、推彎成形、滾彎成形及繞彎成形[2，7-8]。

壓彎成形是最早用于管材的彎曲方法，通過彎曲模具對管材施加載荷而完成彎曲加工。這種方法生產(chǎn)效率高，模具調(diào)整簡單，在彎頭加工方面應(yīng)用較廣泛。但是壓彎時(shí)所加載荷集中在兩支承輥之間，管坯與彎模初始接觸處容易形成截面畸變，影響彎曲質(zhì)量。

推彎成形一般用于彎頭的成形，在管材軸向施加載荷，管坯被推進(jìn)型腔實(shí)現(xiàn)彎曲。推彎成形過程中管材外側(cè)壁厚不會(huì)出現(xiàn)過度減薄，但需合理設(shè)計(jì)芯模并進(jìn)行管坯和模具型腔潤滑，否則易發(fā)生失穩(wěn)起皺。

滾彎成形通常用于厚壁管彎曲。滾彎是在三個(gè)或以上驅(qū)動(dòng)輥輪的作用下，將管坯置于輥輪之間，通過控制輥輪的間距和驅(qū)動(dòng)方式來實(shí)現(xiàn)管材的彎曲成形。滾彎成形由于沒有芯棒的支撐，管材的截面質(zhì)量不易控制，但采用多輥滾彎可以提高管材彎曲精度，降低截面畸變，提高管材彎曲變形均勻程度。

繞彎成形是目前最常使用的一種彎管方法，該工藝與現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)相結(jié)合形成了管材數(shù)控繞彎成形技術(shù)。彎曲時(shí)將管坯的一端置于夾模，彎曲模在數(shù)控程序的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)管材彎曲成形。數(shù)控繞彎不僅能提高管材彎曲的成形質(zhì)量，還可以通過程序控制實(shí)現(xiàn)連續(xù)彎曲，完成復(fù)雜的空間彎管。

2.2研究進(jìn)展

管材數(shù)控彎曲成形技術(shù)是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工藝過程，受到材料性能、管壁厚因子、彎曲工藝、模具設(shè)計(jì)制造水平等諸多因素的影響。管材彎曲成形易出現(xiàn)各種缺陷，如外側(cè)壁厚減薄、內(nèi)側(cè)壁厚增厚、界面畸變、起皺和破裂等，這嚴(yán)重制約著我國航空航天管路系統(tǒng)的發(fā)展[7]。針對目前的管材彎曲成形技術(shù)，研究學(xué)者主要從以下幾個(gè)方面做了大量的工作，并取得了一定的成績。在理論分析研究方面，研究學(xué)者主要從管材橫截面收縮率、壁厚減薄率、中性層偏移量、管材送給長度、彎矩和截面畸變率等各方面進(jìn)行了大量的理論公式推導(dǎo)及表征公式的模型建立，并且理論解析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果吻合良好。但是在理論分析過程中，采用了大量的假設(shè)和公式簡化，并且忽略了一些因素的影響，因此公式的精度和應(yīng)用范圍受到一定的限制[9-10]。

在數(shù)值模擬分析方面，研究學(xué)者運(yùn)用有限元分析軟件對管材彎曲成形過程進(jìn)行了模型建立，并在不同程度上進(jìn)行了算法的二次開發(fā)。通過有限元仿真分析，研究了管材彎曲成形過程中材料流動(dòng)規(guī)律、應(yīng)力應(yīng)變分布狀態(tài)、管材壁厚變化、彎管回彈規(guī)律、彎曲成形缺陷的產(chǎn)生機(jī)理及變化規(guī)律等，揭示了彎曲成形工藝參數(shù)，如芯棒參數(shù)、摩擦參數(shù)、彎曲速度和管模間隙等，對管材成形過程的影響規(guī)律[11-12]。

在試驗(yàn)研究方面，目前的試驗(yàn)主要集中在高校及科研院所對理論分析及數(shù)值模擬結(jié)果的試驗(yàn)驗(yàn)證，研究學(xué)者對彎曲加工的工藝參數(shù)及熱處理制度對管材的組織形態(tài)及機(jī)械性能的影響進(jìn)行了一定的研究，但關(guān)于批量化生產(chǎn)的工藝及均勻性控制的研究鮮見報(bào)道[13-14]。

3、存在的問題

我國關(guān)于高強(qiáng)TA18鈦合金管材的彎曲成形研究雖然取得了很大的進(jìn)步，但尚處于初期階段，未形成批量化的生產(chǎn)工藝及控制方法，仍然面臨新的挑戰(zhàn)。

首先，理論研究和數(shù)值模擬分析與生產(chǎn)試驗(yàn)研究脫節(jié)，高校等研究機(jī)構(gòu)由于設(shè)備及生產(chǎn)試驗(yàn)條件的限制，大量的研究主要集中在理論分析及數(shù)值模擬方向，生產(chǎn)單位具備一定的試驗(yàn)試制條件，但由于現(xiàn)有的運(yùn)行機(jī)制，尚未投入大量的研究工作。

其次，在工藝技術(shù)方面，TA18高強(qiáng)鈦合金管材冷折彎過程中，需要設(shè)備噸位較大，角度控制精度較低，易出現(xiàn)回彈及起皺等缺陷；熱校形時(shí)，合模時(shí)易出現(xiàn)“咬邊”缺陷，且長時(shí)加熱易產(chǎn)生高溫蠕變，導(dǎo)致產(chǎn)品截面的圓整度難以控制。

最后，目前采用的冷折彎+熱校形兩步成形周期較長，成本較高。

4、結(jié)束語

TA18鈦合金管材已經(jīng)成為航空航天管路系統(tǒng)的首選材料，在國外被廣泛應(yīng)用，但在國內(nèi)尚處在起步階段。由于目前航空產(chǎn)品精益化的需求，未來鈦合金管材高效率、高精度、高成品率、低成本成形技術(shù)研究已經(jīng)迫在眉睫。為實(shí)現(xiàn)鈦合金管材數(shù)控彎曲精確成形，亟待研究建立一套較為全面的鈦合金管材彎曲成形工藝體系及數(shù)值模擬系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1]楊建朝，席錦會(huì)，楊亞社，等.航空航天用TA18鈦合金管材的研發(fā)及應(yīng)用[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2014，31（04）：6-10.

[2]王萌.飛機(jī)導(dǎo)管數(shù)控彎曲成形技術(shù)的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016.

[3]劉燕平，張暉，張旺峰，等.孿生行為對TA18鈦合金管材塑性的影響[J].稀有金屬材料與工程，2013，42（06）：1169-1172.

[4]楊亞社，楊永福，羅登超，等.航空用TA18管材加工工藝研究[J].稀有金屬材料與工程，2013，42（03）：625-628.

[5]張旺峰，李艷，王玉會(huì)，等.Ti-3Al-2.5V鈦合金管材研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2011，25（23）：133-137.

[6]江志強(qiáng)，楊合，詹梅，等.鈦合金管材研制及其在航空領(lǐng)域應(yīng)用的現(xiàn)狀與前景[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2009，16（04）：44-50，84.

[7]梁闖.TA18高強(qiáng)鈦管數(shù)控繞彎不均勻變形行為及成形性能研究[J].南昌航空大學(xué)，2017.

[8]汪鵬飛.金屬管材數(shù)控彎曲成形及仿真分析[D].沈陽工業(yè)大學(xué)，2018.

[9]MeiZhan,YanWang,HeYang,etal.AnanalyticmodelfortubebendingspringbackconsideringdifferentparametervariationsofTi-alloytubes.JournalofMaterialsProcessingTech.,2016，236:123-137.

[10]H.Li，H.Yang,F.F.Song，etal.Springbackcharacterizationandbehaviorsofhigh-strengthTi-3Al-2.5Vtubeincoldrotarydrawbending.JournalofMaterialsProcessingTech.,2012，212(9).

[11]皇濤，詹梅，曹剛，等.TA18高強(qiáng)鈦管數(shù)控彎曲變形歷史特征[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2014，21（02）：81-87.

[12]皇濤，楊方方，詹梅，等.TA18高強(qiáng)鈦管數(shù)控彎曲成形截面扁化研究（英文）[J].稀有金屬材料與工程，2018，47（08）：2347-2352.

[13]李鵬亮，孫賓，張志，等.薄壁小彎曲半徑鈦合金管材彎曲技術(shù)研究[J].航空制造技術(shù)，2013（16）：113-115.

[14]張旺峰，王玉會(huì)，李艷，等.高強(qiáng)度TA18合金管材性能評價(jià)與控制方法研究[J].稀有金屬材料與工程，2012，41（07）：1239-1242.