钛合金有着与钛金属类似的大气高温污染,吸收氢氧氮,、强度高导致的刀具寿命短、导

　　热性差导致的粘刀等等一系列麻烦。此外,热加工带来的金属相不均匀,晶粒粗大,残余应力,

　　等等,也是钛合金热加工的难题。因此,工业纯钛和钛合金基材,在国际上基本是自由贸易,这

　　与高性能碳纤维复合材料的禁运有很大的差异。详情见拙文《浅析碳纤维复合材料在航空航天

　　钛合金制件之前,先要将大块钛合金进行初步切割,做下料准备。钛合金的切割,不像一

　　般金属,很难用火焰方法进行,否则高温污染会导致材料脆化。因此多用等离子切割、激光切

　　割、铣切来进行。但是这些方法,要么是材料容易产生热应力离散变形,如激光切割,、或者

　　成本太高无法满足大量生产,如离子束切割,,要么是残料率高,如铣切,。因此,人们想出

　　水切割,就是水刀,呵呵。以前咱听说水滴石穿,那可要万年功夫。这次是水切钛断,立

　　中国航空报载,沈飞公司工艺研究所的首席专家蒲永伟,对水切割技术有深厚积累,潜心

　　研究此项技术的钛切割应用,获得成功,顺利实施了40,100毫米厚的钛合金板材切割。由于

　　是常温操作,切割质量好,且其效率是常规切割方法的50倍以上,材料费大大节约。至今,

　　铸件加工,需要熔化钛合金进行浇注。同样,由于钛合金的化学活性,熔化的液态钛合金,

　　几乎与所有的耐火材料起反应。因此其熔化和浇注必须在惰性气体,如氩气,保护或者真空环

　　中国船舶新闻网报道,中国在消化吸收国外先进技术的基础上,掌握和发展了金属型、捣

　　实型、机加工石墨型,以及氧化物面层陶瓷型壳等钛合金铸造技术,可以生产最大直径达150

　　0毫米X400毫米,最小壁厚为0.8毫米,单重达到近800千克的整体钛合金铸件,每年铸造钛

　　根据热加工论坛的报道,我国航天用铸造钛合金的应用始于20世纪80年代中期,现已

　　2001年,由北航、华中理工研制的ZTC4钛合金,即对TC4进行铸造加工后的合金件,,

　　利用热等静压和熔模精密铸造成型技术,研制了某型飞机用钛合金精铸件。该铸件外型尺寸为6

　　2011年5月,沈阳向中国科学院金属研究所研发的钛铝母合金制备技术,通过了英国罗

　　2013年4月17日,罗罗航空发动机公司在沈阳,正式向该所颁发了钛铝涡轮叶片精密铸

　　中国的铸造钛合金技术,是如何吸收国外先进技术以及如何应用的。大家从上文中,见仁

　　钛合金的焊接工艺包括熔化焊、扩散焊和紧固焊三大类数十种,应用最多的是熔化焊。

　　这类工艺,又包括了电子束焊接、等离子弧焊接、TIG焊、MIG焊、激光焊、摩擦焊等十几种,

　　技术发展迅速,创新工艺不断涌现,是焊接工艺的主力军和先锋队。咱们多费些笔墨,稍加详

　　叙。并请大家记住一个名字,中航工业制造所——中国高能束流加工领域的先行者。

　　钛合金焊接,有优势也有劣势。优势在于合金密度小,导热慢,热膨胀系数低,因此焊缝变形

　　劣势在于,钛合金的焊接,不适合采用传统意义上的乙炔焊、金属电弧焊和碳弧焊。原因还是

　　在于大气的高温污染。判断钛合金焊接是否受到大气杂质的污染,手段之一是观察焊缝的颜色。

　　一般的,如果焊缝是银白色或金黄色,恭喜你,这都是上佳的焊接。如果是紫色或者蓝色,点

　　点头,也是合格的。如果是蓝白色、白色、暗灰、白色、黄白色,则证明受到了大气污染,焊

　　,惰性气体保护焊TIG焊。采用氩气,纯度应≥99.99,,。等惰性气体,让其流过焊枪,

　　方法二,真空焊接。在真空中进行焊接,完全防止大气高温污染。如电子束线的后机身前后梁,就采用了热等静压钛合金铸件的真空电子束焊接结构。

　　此外,钛合金焊接,还有一整套繁复多样的工艺规则,规矩真是大了去了。比如,焊前先

　　对制件及焊丝进行酸洗,焊工应佩戴洁净的白细纱布手套,严禁佩戴棉线手套,。焊接工作尽

　　可能在室内进行,环境风速应≤0.5m/s,避免受穿堂风影响。焊接后真空炉退火消除残余应力,经处理的焊区严禁用手触摸和接触铁制物品。还有焊接坡口、焊流角等等,等等。

　　北京航空制造工程研究所王亚军的文章指出,中国的歼11生产线广泛采用了电子束钎焊、扩

　　散焊、激光焊、真空钎焊、等离子弧焊及凸焊等工艺。其机体的焊接零件近万,部件近千,甚

　　至主承力结构都采用焊接技术。如起落架的电子束焊,钛合金隔框和梁的潜弧焊,油箱钛合金

　　下壁板和进气道防护隔栅采用穿透焊,后机身的钛合金蒙皮壁板采用TIG焊和点、缝焊,铝合

　　工艺界,确立了中国航空工业现代焊接技术体系,开创性了中国对先进焊接工艺的大规模研发

　　和使用先河。以此为起点,中国逐步掌握了EBW、IFW、VB、自动氩弧焊、轨迹氩弧焊和弧

　　焊机器人、SPF/DB、PAW及低应力无变形焊接技术,大大促进了钛合金焊接工艺的跨越式发

　　2011年7月,中航工业制造所消除了大厚度截面深熔电子束焊缝气孔、空洞、未熔合及根部钉

　　尖等焊接缺陷,形成了大型复杂结构低应力、小变形电子束焊接制造关键技术,实现了电子束

　　焊接接头综合性能与母材水平相当。同时利用该技术,对某型钛合金60mm厚截面电子束焊缝

　　进行质量控制,在国内首次成功实现大厚度T损伤容限型钛合金承力框结构的电子束焊接制造

　　2012年3月,中航工业制造所向中航工业成飞交付电子束焊接设备及钛合金大型构件焊接工艺

　　的仪式在成飞举行。中航工业制造所设计制造的65立方米高压电子束焊机,可完成最大达 4

　　米×2米范围内任何焊缝的焊接,是目前我国最大的高压电子束焊接设备。最大焊接厚度可达 105毫米,在大厚度焊缝成形、缺陷控制以及焊接变形抑制方面取得突破性进展,焊后零件整体

　　以上是钛合金结构件的焊接技术,如果粉末高温合金的焊接,就要用到 线性磨擦焊( LFW)的

　　工艺。 LFW工艺的效率高,质量好,焊缝区组织极细,焊接接头的静、动载力学性能达到甚

　　至超过母材的水平, 目前已用作航空发动机整体叶盘的生产工艺。欧洲战斗机 “台风”发动机的

　　3级低压压气机整体叶盘、美国第四代战斗机 F-22和F-35发动机上整体叶盘,都是采用线性

　　2003年4月, 中航工业制造所开始了 20吨线性摩擦焊试验设备的自主研发。

　　2007年12月,该所成功实现国内第一件碳钢材料压气机整体叶盘模拟件焊接,

　　2008年2月,该所成功实现国内第一件钛合金材料压气机整体叶盘模拟件焊接,

　　2009年9月,该所成功实现国内第一件不锈钢材料风扇一级整体叶盘 1 :2缩比模拟件焊接

　　从上面披露的信息看, 中航工业制造所的 LWF工艺,在2009年前局限于 “模拟件”焊接, 尚未

　　走出工艺实验室进入型号流水线的正式生产。相信他们近几年已经取得了新的进展,军迷们望

　　激光焊接的能量密度高达 106W/cm2以上,焊接速度快、对母材热损伤小,采用柔性光纤传输

　　的1 .06μ,的Nd:YAG激光,配以可灵活操作的机械手,可以实现空间曲线焊缝的自动焊接。在欧美等国在上世纪 80年代末至90年代初,主要将激光焊接用于零件级和蒙皮类、型腔类及

　　壁板类结构的对接拼焊。进入 21世纪,双光束激光焊接技术采用两束激光对壁板结构 T型接

　　头两侧同步施焊, 完成蒙皮与加强筋之间的连接, 使焊接技术成功地实现了从零件级到部件级,

　　中国航空报报道, 1995年,在关桥院士的积极呼吁下,我国依托 中航工业制造所 ,建立了高能

　　束流加工技术重点实验室。该所高能束流加工技术重点实验室,先后建立了 10 kW光纤激光和

　　3kW YAG激光以及4kW CO2激光焊接系统, 以整体化焊接的钛合金、铝合金蒙皮类、型腔

　　类及壁板类结构为研究对象,成功地将活性剂激光焊接技术应用于飞机钛合金蒙皮类和型腔类

　　结构的对接拼焊。双光束激光焊接技术研究也获得重大突破,并应用于飞机钛合金壁板类结构

　　此外, 中国百科网 2013年报道, 中国已将钛合金高纯净激光熔敷焊技术已经成功应用于

　　航空发动机部件的再制造上, 目前已修复某进口发动机中介机匣数个,防冰壳体和杯形件数百

　　金属加工行业有一句俗话, 叫铸不如锻,是说铸造的零件形状比锻造复杂,但是铸件的机

　　械强度性能逊于锻件。航空武器装备中的重要承力构件都是由锻件制成的,如飞机机体的承力

　　框、梁、接头、起落架,发动机的盘、轴、机匣壳体、叶片等。其中,大型锻件用于制造大型

　　构件,属于机身结构中的关键件。这其中, 当然少不了钛合金的身影,美国波音 747,787、 A

　　320,380的钛合金起落架, F-16飞机钛合金机身隔框, D-10飞机的后支承环, 915发动机机

　　座,苏27,33飞机钛合金大型结构件, GT25000舰用燃气轮机直径 1 .2米涡轮盘等都是在大型

　　钛合金锻件, 特别是大型模锻件及其坯料的金相组织很不均匀, 是业内长期未能解决的难

　　题。 中国高温钛合金的鼻祖曹春晓院士,根据钛合金热变形过程中再结晶和相变交叉进行的原

　　理,产生了通过热变形温度的交替变换 ,高—低—高—低,获得细小均匀的新 β晶粒的新思路,

　　利用特定的相变模式优化了 β转变组织形态, 从而创立了高低温交替热变形技术和 BRCT工艺。

　　与传统的 α+β热处理工艺、 β热处理工艺相比, 其热处理工艺在保持原有强度、 刚性的情况下,

　　提高断裂韧性 50%以上, 降低疲劳裂纹扩展速率一个数量级, 提高使用温度 20℃左右, 可获高

　　得多的疲劳强度和拉伸塑性。显著改善了大锻件组织性能的均匀性和稳定性,为空军装备更新

　　换代做出了重要贡献。 中国拥有钛及钛合金锻造生产线,合金挤压管、轧制和焊管生产线,包

　　括万吨自由锻、 1000~5400吨快锻机等先进设备, 可生产直径为 10~600毫米的锻棒以及直径为

　　2~200毫米的薄壁及厚壁管材,最大长度可达 15米。但是, 中国的超大型模锻件的生产能力,

　　曾经长期无法满足生产的需要,锻件几何尺寸、精度、重量、投影面积以及冶金质量, 同国外

　　根据辽宁经济信息网载文沈重总工的报告, 中国的预警机,枭龙和歼 10,都有多项大型锻件和

　　原材料向法国订购。可是我们知道,法国由于大型模锻压机加工能力不足, A380多个部件都

　　21世纪,改革开放 20多年后的中国,积累和追赶的步伐,终于开始冲刺和超越。2003年, 中国工程院由师昌绪院士组织了由全国 31个企事业单位的五位院士和 17位专家, 组

　　成了《发展我国大型锻压装备研究 --建设8万吨模锻液压机及其配套设备》咨询组,建议在 十

　　一五期间建造一台 8万吨级模锻液压机和一台 1 .5万吨难变形合金挤压机。 国家发改委、科技

　　2012年8月1 日, 中国新闻网报道,飞机超大型钛合金结构件,在西安阎良国家航空高技术产

　　业基地锻造成功,该锻件由西安三角公司 400MN ,即4万吨,大型模锻液压机一次锻造成功。

　　该锻压机由中国中冶所属中国二十二冶集团有限公司承包制造、清华大学机械工程系设计,是

　　试生产中的这个钛合金锻件用的是 TC18,整体锻件投影面积 1平方米,这是什么概念呢,美

　　国生产钛合金锻件的专业公司 Wyman-Gordon公司,利用美国最大的 450MN模锻液压机制造

　　了F-22中机身整体隔框闭式模锻件,整体锻件投影面积达到 5.67平方米,是迄今为止世界上

　　2013年4月1 1 日,成都商报报道, 中国8万吨大型锻压机在二重集团大型压机车间试产成功,

　　超过了世界最大的俄罗斯 7.5万吨模锻压机。这无疑会对我国四代机、大运、大客的结构部件

　　2013年1 1月, 中航工业洪都 “猎鹰”高级教练机翼身连接件钛合金大型框锻件精化 ”精益项目成

　　中国钛合金超大锻件的工艺发展战略是跟随创新, 即技术发展路线是跟随,具体技术工艺是创

　　最热的军网话题,南北二马之一的北京航空航天大学材料学院材料加工工程系主任王华明, 已

　　经成为军迷的偶像。对此, 本网苍鹰的翅膀和多位大侠已有专帖。兵器迷大致回顾一下钛合

　　2005年7月, 中国成功实现激光快速成形 TA15钛合金飞机角盒, TC4钛合金飞机座椅支座及

　　2001 -2005年,北航与沈飞研制的 LAM构件,疲劳、 断裂韧性等主要力学性能达到钛合金模锻

　　2006-2010年,北航与沈飞 601所研制的 LAM构件,缺口疲劳极限超过钛合金模锻件近 50%、

　　高温持久寿命较模锻件提高 4倍(在500℃/480 MPa试验条件下的高温持久寿命 ,锻造TA15钛合金为48.6 h,激光直接成形钛合金长达 235 h)、疲劳裂纹扩展抗力提高一个数量级,研制了

　　迄今世界面积最大的飞机钛合金大型结构件激光快速成形工程化成套装备 (零件激光熔化沉积

　　2009年,王明华团队利用激光快速成形技术,制造出我国自主研发的大型客机 C919的主风挡

　　2010年, 中国利用激光直接制造 C919中央翼根肋,传统锻件毛坯重达 1607千克,而利用激

　　甚至包括起落架关键部件 ——这是非常难得的进步。 因为3D打印的稳定质量控制有相当难度,

　　产品表面光洁度不高,产品内部强度抗疲劳特性存在问题。能够作为关键承力件产品在多型号

　　2013年,西北工业大学凝固技术国家重点实验室下设的激光制造工程中心,为国产客机 C919

　　制造了钛合金翼梁。 同年, 中航重机控股子公司中航激光所,展示了获得 2012年度“国家技术

　　发明一等奖”的飞机钛合金整体关键构件,见下图,激光成形技术。图3中国3D打印钛合金飞机部件

　　2013年1月14日,美国 Sciaky公司宣布使用电子束替代激光 ,进行钛合金 3D打印,制造的

　　2013年, 中国航空报报道, 中航工业制造所从2006年在国内率先开展电子束快速成型技术的

　　研究,经过多年艰苦努力,在国内实现了电子束快速成形技术在飞机制造上的首次应用。

　　国内钛合金加工领域,近年来捷报频传,可喜可贺。但另一方面,也应当看到, 即使在钛工业

　　大国中国, 高温钛合金的加工 ,与镍基、铁基等所有高温合金加工一样,仍然是难上难。难到

　　什么程度?报载, 中国材料大师师昌绪发明的某高温合金出来 20多年,才终于有合适的工艺

　　将之用在某型号发动机上。而大规模批产这样的合金用于该发动机,则依然是摆在冶金人面前

　　加工钛合金工艺发展的现实,再一次提醒我们,航空航天工业的整体进步,需要理论大

　　师,需要材料大师, 同样的,也需要工艺大师和大工匠。否则,设计和研发技术的成果潜力,

　　难以立竿见影的转化为生产和装备的产品实力,局部的突破就只能凸显我们的短板。比如, 咱们国产的五轴数控床子出来多年了, MBTF只有200-450小时,德国 800-1000小时,

　　进口别人的,中国某厂进口德国的高级数控机床,控制机床刀具回转的摆角头出了问题。其中

　　的零件我们都认识, 图纸我们都有,可是咱能拆,不能装。因为一个床头柜大小的摆角头内数

　　百个零件几乎是消隙组合在一起,接近占满所有空间,安装工具、次序、力度稍有差异,都会

　　影响机床工作效果,甚至根本就装不进去。没办法,只好请德国技工来调试,否则只能停产。

　　有鉴于此,不得不概叹我们独木桥式的高考制度,每年数百万大军一往无前,毕业竞争却

　　空前激烈,就算找了工作,三五年内不考个研,似乎都不好意思。反之,职高、 中专、技校这

　　到现在,很多工厂高级技工一票难求,实验室研究所出来的花骨朵看似美丽芬芳,却在生

　　产方面困难重重。高级金属、非金属加工流程断裂,或出现独苗工艺,使得产品长时间难以获

　　得稳定量产。近的如钛合金 3D打印,在试生产阶段已经数年,工艺仍不稳定,远的如 WS-10

　　发动机,设计定型后整整 6年命运多舛,直到 2010年后才逐渐走入批产正轨,虽然新机装备

　　遇到问题是正常的,但其中曾暴露出的批量加工工艺长期不过关的问题,也算是一个侧影吧。