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鈦棒鈦板等鈦合金及其激光加工技術(shù)在航空制造中的應(yīng)用


發(fā)布日期:2023-1-3 12:35:57

引言

鈦合金作為新型的輕質(zhì)合金,具有高比強(qiáng)度、優(yōu)良的耐蝕性能、溫度適應(yīng)范圍廣、無磁性、較好的韌性和焊接性等一系列優(yōu)點(diǎn),從一出現(xiàn)就應(yīng)用于航空工業(yè),目前在航空航天、軍事、石油化工、造船、汽車、醫(yī)療、日常用品等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用,被譽(yù)為“太空金屬”、“海洋金屬”[1-4]。鈦合金的研究起源于航空工業(yè)的發(fā)展,航空用鈦合金一直是各個(gè)國家鈦合金研究領(lǐng)域的重點(diǎn)。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展,鈦合金已在航空航天及武器裝備領(lǐng)域獲得普遍應(yīng)用,中國對鈦合金的需求量更是以每年20%~30%的速度增加[5-6]。

與此同時(shí),隨著飛機(jī)設(shè)計(jì)理念的發(fā)展和對性能要求的不斷提升,對飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料性能的要求也越來越高,而鈦合金較低的熱導(dǎo)率和易黏刀的特點(diǎn)使它的機(jī)械切削加工性能比較差[7-8],導(dǎo)致應(yīng)用成本較高,這嚴(yán)重地阻礙了鈦合金在航空領(lǐng)域中的大規(guī)模應(yīng)用。如何優(yōu)化技術(shù)、降低成本成了鈦產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略性關(guān)鍵問題。

在新時(shí)代下為了滿足航空制造業(yè)的發(fā)展,在研究鈦合金材料的同時(shí),完全有必要結(jié)合新型的加工制造工藝,進(jìn)一步增強(qiáng)鈦合金在航空領(lǐng)域中的實(shí)際使用性能,同時(shí)降低應(yīng)用成本。相比于傳統(tǒng)加工制造工藝,激光加工過程中激光與工件不接觸,不產(chǎn)生切削力,加工后變形小,且具有熱影響區(qū)小、加工效率高、易于自動化控制等特點(diǎn),因此在航空領(lǐng)域具有 廣闊的應(yīng)用前景[9-10]。伴隨著激光加工技術(shù)的發(fā)展成熟,激光加工鈦合金技術(shù)在航空制造業(yè)中的應(yīng)用得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究[11-14]。目前,在航空制造領(lǐng)域應(yīng)用的激光加工技術(shù)主要包括激光切割、焊接、增材、制孔、清洗、沖擊強(qiáng)化等[15-16]。本文著重介紹鈦合金及其激光加工技術(shù)在航空制造中的應(yīng)用情況,分析實(shí)際應(yīng)用中存在的問題,并對未來的發(fā)展趨勢及應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

1、鈦合金在航空制造中的應(yīng)用及發(fā)展

20世紀(jì)50年代,軍用飛機(jī)進(jìn)入超音速時(shí)代,對結(jié)構(gòu)材料產(chǎn)生了新的需求,鈦合金恰恰在此時(shí)進(jìn)入了工業(yè)性發(fā)展階段。應(yīng)用初期鈦合金應(yīng)用于軍用飛機(jī)也只是機(jī)身的隔熱板、機(jī)尾罩、減速板等受力較小的結(jié)構(gòu)件[17]。隨著時(shí)間的推移,如今,鈦合金已是各類軍民用飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料,也是航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)輪盤和葉片等重要構(gòu)件的首選材 料[18]。鈦合金在航空領(lǐng)域的應(yīng)用對提高航空發(fā)動機(jī)動力、減輕航空零部件的重量、增加航空飛行器的航程和安全性提供了有效保證,鈦合金的用量也逐漸成為飛機(jī)先進(jìn)性的一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)[19]。

鈦合金在現(xiàn)代飛機(jī)上的應(yīng)用范圍十分廣泛,飛機(jī)機(jī)身、液壓管道、起落架、座艙窗戶框架、蒙皮、緊固件、艙門、機(jī)翼結(jié)構(gòu)、發(fā)動機(jī)、風(fēng)扇葉片、壓縮機(jī)葉片等部位多采用鈦合金。下面重點(diǎn)介紹鈦合金在飛機(jī)機(jī)身、航空發(fā)動機(jī)、航空緊固件等方面的應(yīng)用研究情況。

1.1 鈦合金在飛機(jī)機(jī)身架構(gòu)中的應(yīng)用

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飛機(jī)機(jī)身用材料要求合金在中等溫度下具備強(qiáng)度好、耐腐蝕、質(zhì)輕等優(yōu)良特性,同時(shí)需要滿足與碳纖維復(fù)合材料有相近的熱膨脹系數(shù),化學(xué)相容性較高,從而可避免化學(xué)腐蝕。表1列出了到目前為止鈦及鈦合金在飛機(jī)上的使用狀況[20]。Ti-6Al-4V合金不僅適合用作飛機(jī)很多種的機(jī)械部件,也適合用于起落架那樣的特殊裝置部件,幾乎可用于制造飛機(jī)的任何部分。因此,飛機(jī)機(jī)體所使用的鈦合金中,Ti-6Al-4V的用量最大,占機(jī)體結(jié)構(gòu)件用鈦合金的80%~90%[21-22]。

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如今,國外軍用飛機(jī)機(jī)身上鈦合金使用量已達(dá)到30%~40%,如圖1所示為美國F22鈦合金使用部位,并且未來會以每年20%~25%的速度增加;在民用飛機(jī)方面,可占到約10%~15%,并在逐步增長。其中空客A350客機(jī)的鈦用量達(dá)到14%左右[23],波音飛機(jī)用鈦量已從最初波音707的0.5%增至波音787的15%,波音787的鈦材的用量達(dá)到136t,波音787的材料使用情況如圖2所示,波音用鈦量增速基本與空客飛機(jī)保持同步。我國在軍用飛機(jī)上應(yīng)用鈦合金起步較晚,與國外相比,存在很大差距。近年來,隨著我國的科技進(jìn)步與研發(fā)投入,預(yù)計(jì)我國新一代高性能戰(zhàn)斗機(jī)的鈦用量將達(dá)到25%~30%;而在民用飛機(jī)領(lǐng)域,我國商用支線客機(jī)ARJ21的鈦合金用量為4.8%,自主研發(fā)的C919大型客機(jī)的鈦合金用量達(dá)到了9.3%,超過了美國波音777飛機(jī)。

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1.2 鈦合金在飛機(jī)發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用

航空發(fā)動機(jī)是飛機(jī)的核心所在,直接影響著飛機(jī)的性能、可靠性以及經(jīng)濟(jì)性,是一個(gè)國家科技、工業(yè)和國防實(shí)力的重要體現(xiàn)[24]。航空發(fā)動機(jī)的工作環(huán)境要求所用的合金材料在高溫工作條件下(300~600℃)具有較高的熱強(qiáng)度、比強(qiáng)度、高溫蠕變抗力、疲勞強(qiáng)度、持久強(qiáng)度和組織穩(wěn)定性。此外,考慮到發(fā)動機(jī)的推重比[25],鈦合金的應(yīng)用可以進(jìn)一步提高發(fā)動機(jī)的推重比[26-27],提高其經(jīng)濟(jì)性。目前,航空發(fā)動機(jī)中用的比較多的鈦合金主要是α型、近α型和α+β型鈦合金,表2為世界各國研制的飛機(jī)發(fā)動機(jī)用鈦合金[28]。

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鈦合金在航空發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用部位主要有壓氣盤、靜葉片、動葉片、機(jī)殼、燃燒室外殼、排氣機(jī)構(gòu)外殼、中心體、噴氣管、機(jī)匣等[29]。在國外先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)中,高溫鈦合金用量已占發(fā)動機(jī)總質(zhì)量的25%~40%[30]。我國早期研制的航空發(fā)動機(jī)鈦用量很低,1978年研制的渦噴13系列發(fā)動機(jī)的鈦用量達(dá)到13%,2002年設(shè)計(jì)的昆侖渦噴發(fā)動機(jī)的鈦用量達(dá)到15%[31],預(yù)計(jì)我國新一代航空渦扇發(fā)動機(jī)的鈦用量將達(dá)30%以上。

1.3 鈦合金在航空緊固件中的應(yīng)用

在目前的航空制造領(lǐng)域,飛機(jī)的連接方式仍以機(jī)械連接為主。一方面由于航空裝備輕量化的發(fā)展要求,另一方面,在軍民用飛機(jī)中,除了使用到金屬構(gòu)件外還有很多碳纖維復(fù)合材料,之前提到鈦與碳纖維復(fù)合材料的電極電位相近。因此,高減重、耐腐蝕、無磁性、與復(fù)合材料相容性好等特性是鈦合金逐漸成為先進(jìn)飛機(jī)緊固件材料的主要原因[32-33]。目前美國、法國等航空發(fā)達(dá)國家,95%以上的鈦合金緊固件都采用Ti-6Al-4V材料制造[34],其中一些先進(jìn)機(jī)型用的鈦合金緊固件已經(jīng)完全替代了 30CrMnSiA鋼。除此之外,用到的鈦合金緊固件材料還有TB2、βIII、Ti-44.5、Ti-15-3(TB5)TB8 和TB3等。

鈦合金緊固件的應(yīng)用使飛機(jī)的重量得到了顯著的降低。在國外,鈦合金緊固件的應(yīng)用歷史可追溯到20世紀(jì)50年代,現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展得十分成熟[35-36]。相比于國外鈦合金緊固件的普遍應(yīng)用,我國飛機(jī)緊固件用鈦合金材料技術(shù)發(fā)展較晚,且長期依賴進(jìn)口,直到20世紀(jì)90年代后期,才開始使用了一些鈦合金緊固件。近年來,隨著我國航空航天事業(yè)的發(fā)展,鈦合金緊固件率先在航空航天領(lǐng)域中得到大量應(yīng)用[32],在民機(jī)上的用量也十分可觀。據(jù)資料顯示,每架國產(chǎn)C919飛機(jī)約需鈦合金緊固件20萬件[3], 隨著今后C919的量產(chǎn),每年需要約3000萬件鈦合金緊固件。

2、鈦合金激光加工技術(shù)在航空制造中的應(yīng)用

鈦合金在航空制造中的應(yīng)用優(yōu)勢已經(jīng)越來越明顯,大規(guī)模使用鈦合金是今后航空工業(yè)發(fā)展的趨勢,而且為了進(jìn)一步降低鈦合金應(yīng)用成本并增強(qiáng)其使用性能,鈦合金新型加工制造工藝也成為航空制造領(lǐng)域最為關(guān)注的問題。激光作為一種新興的加工工具,自上世紀(jì)70年代大功率激光器件誕生以來,已形成了激光焊接、激光切割、激光打孔、激光表面處理、激光合金化、激光熔覆、激光快速原型制造、金屬零件激光直接成形、激光刻槽、激光標(biāo)記、激光摻雜等十幾種應(yīng)用工藝,目前已經(jīng)在各個(gè)工業(yè)制造領(lǐng)域得到應(yīng)用。

國外的實(shí)踐已經(jīng)證明,鈦合金激光加工技術(shù)應(yīng)用于航空制造對提升航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展和升級起著重要作用。目前,我國的大飛機(jī)項(xiàng)目正在高歌猛進(jìn),鈦合金激光制造技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景遠(yuǎn)大,將對我國航空領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生深刻影響。本文重點(diǎn)綜述幾種典型的鈦合金激光加工技術(shù)在航空制造中的應(yīng)用,總結(jié)加工時(shí)激光與材料的作用機(jī)理,分析激光加工工藝對加工質(zhì)量的影響。

2.1 鈦合金激光焊接技術(shù)

在飛機(jī)制造領(lǐng)域中,鈦合金激光焊接技術(shù)主要應(yīng)用于飛機(jī)大蒙皮的拼接以及蒙皮與長桁的焊接,機(jī)身附件的裝配,如腹鰭和襟翼的翼盒,航空發(fā)動機(jī)葉片修復(fù),合金飛行舵翼焊接,燃料貯箱加強(qiáng)筋條激光焊代鉚等。鈦合金機(jī)身整體壁板作為飛機(jī)重要組成構(gòu)件,存在大量T型結(jié)構(gòu)需要焊接,如圖3所示,其中普遍采用T形接頭雙光束激光焊技術(shù)[37],如圖4所示。國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者對鈦合金飛機(jī)機(jī)身壁板中的T型結(jié)構(gòu)激光雙光束焊接技術(shù)開展了大量研究[38-43]。結(jié)果表明,鈦合金激光雙光束焊接技術(shù)解決飛機(jī)機(jī)身整體壁板用T型結(jié)構(gòu)中的焊接變形及加強(qiáng)筋翻邊導(dǎo)致機(jī)身重量增加的問題。同時(shí)雙激光束作用下金屬板材能形成較大的熔池和匙孔,方便氣體的排出,減少氣孔率;提高了激光焊接過程的穩(wěn)定性,減少熱影響區(qū)面積,改善焊縫質(zhì)量;減小激光焊接過程中金屬熔化造成的不利變形,有效控制了蒙皮表面形狀誤差。

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從2003年開始,我國逐漸將激光焊技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)鈦合金壁板類關(guān)鍵構(gòu)件的焊接,同時(shí)就激光焊接技術(shù)修理飛機(jī)構(gòu)件開展了一些研究,并已實(shí)現(xiàn)了部分構(gòu)件的修理應(yīng)用。

此外,激光焊接大量應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)薄壁高精度構(gòu)件中,如圖5所示。國內(nèi)外極為重視航空構(gòu)件激光焊接技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用,開展了大量航空發(fā)動機(jī)相關(guān)材料及結(jié)構(gòu)激光焊接技術(shù)研究。

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美國普惠公司完成渦輪葉片所需部件的自動激光焊接,如JT9D和FLO的二級渦輪轉(zhuǎn)子葉片以及V2500、F100-PW-220、PW2037、PW4000 等發(fā)動機(jī)的渦輪葉片、導(dǎo)向葉片、機(jī)匣及燃燒室等。英國R&R公司用固體激光器與機(jī)器人組合完成鈦合金和高溫合金的自動化焊接,保證了焊縫和焊接過程的一致性,減少了焊接變形,接頭殘余應(yīng)力低,大大減少了校形工作量。北京航空制造工程研究所已將激光焊接技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動機(jī)鈦合金承力構(gòu)件制造,并采用激光焊接技術(shù)替代板擴(kuò)散連接技術(shù),在國內(nèi)率先開展了鈦合金超塑成形/激光焊的多層結(jié)構(gòu)制造工藝研究。

在航空發(fā)動機(jī)零部件修理領(lǐng)域也大量應(yīng)用到激光焊接修復(fù)技術(shù),如圖6所示。美國霍尼韋爾公司已經(jīng)成功將激光焊接技術(shù)應(yīng)用于Avro RJ支線噴氣系列飛機(jī)發(fā)動機(jī)LF507的葉片修理。加拿大Liburdi集團(tuán)公司采用自動送絲激光焊接設(shè)備進(jìn)行葉片修理,已實(shí)現(xiàn)了RB211發(fā)動機(jī)高、中、低壓渦輪葉片修理。德國MTU 公司開發(fā)了可用于風(fēng)扇整體葉盤的葉片損傷修復(fù)的激光焊接技術(shù),形成了焊接、機(jī)械加工、精密拋光和無損檢測修理規(guī)范。國內(nèi)在激光焊接修理應(yīng)用研究相對較少,大部分研究仍處于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段,還未應(yīng)用到實(shí)際之中。中科院金屬所采用激光顯微焊進(jìn)行原位無損修復(fù),已成功應(yīng)用于我國研制的某機(jī)空心導(dǎo)向葉片的鑄造工藝孔修復(fù),以及低壓渦輪1、2級三聯(lián)體無余量精鑄導(dǎo)向器葉片大小安裝板上的疏松、縮孔與裂紋等缺陷的修理,通過了裝機(jī)臺架試車考核。

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2.2 鈦合金激光增材技術(shù)

激光增材制造是目前航空領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的主要技術(shù),如圖7所示,該技術(shù)在航空航天領(lǐng)域和高端裝備領(lǐng)域的應(yīng)用開發(fā)被各國列為發(fā)展重點(diǎn)。在過去幾年里,航空零件增材制造是增長最快的應(yīng)用領(lǐng)域,2019年產(chǎn)能規(guī)模達(dá)到了60億美元。國外無論在技術(shù)成熟度上還是實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的時(shí)間點(diǎn)上,都已經(jīng)比較成熟,目前國際上已經(jīng)有多家成熟的激光增材設(shè)備 制造商。美國AeroMet公司[44-45]作為第一家利用激光增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)航空結(jié)構(gòu)件裝機(jī)應(yīng)用公司,通過該技術(shù)已制造產(chǎn)品有:F-22戰(zhàn)斗機(jī)接頭,F-18 戰(zhàn)斗機(jī)連接吊環(huán)和起落架連接桿等,如圖8所示。

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通用電氣(GE)公司從3D打印第一個(gè)LEAP發(fā)動機(jī)燃油噴嘴到生產(chǎn)出符合LEAP渦扇發(fā)動機(jī)尺寸的燃燒器襯套,GE已經(jīng)打印了23 500個(gè)零件,到2019年底的時(shí)候,年產(chǎn)量接近40 000個(gè)零件。國內(nèi)的激光增材制造相關(guān)研究起步較晚,但發(fā)展很快,在某些方面已經(jīng)達(dá)到到了國內(nèi)外領(lǐng)先的地步。北航王華明院士團(tuán)隊(duì)研制了TA15、TC4、TC11等大型、復(fù)雜、整體、主承力飛機(jī)鈦合金加強(qiáng)框等關(guān)鍵構(gòu)件,并實(shí)現(xiàn)了包括C919大型客機(jī)在內(nèi)的多種型號飛機(jī)上的裝機(jī)應(yīng)用,使我國成為世界上唯一突破飛機(jī)鈦合金大型整體主承力構(gòu)件激光增材制造技術(shù)并實(shí)現(xiàn)裝機(jī)應(yīng)用的國家[46],如圖9所示。2018年,昆明理工大學(xué)利用激光選區(qū)熔融技術(shù)成功制造出了尺寸為250mm×250mm×257mm的超大型復(fù)雜鈦合金零件,這是迄今為止使用激光選區(qū)熔融方法成形的最大單體鈦合金復(fù)雜零件。

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在技術(shù)研究領(lǐng)域,目前,航空制造相關(guān)的激光增材研究主要集中在通過優(yōu)化涂層成分和工藝來滿足不同極端場景下的實(shí)際應(yīng)用需求。Savalani等[47]利用Ti+碳納米管粉末通過激光熔覆得到TiC增強(qiáng)鈦合金表面,熔覆層無孔隙且與基體結(jié)合強(qiáng)度優(yōu)異。當(dāng)碳納米管的比例從5% 增加到20% 時(shí),表面硬度和耐磨性能持續(xù)增強(qiáng)。南非約翰內(nèi)斯堡大學(xué)Fatoba等[48]在Ti-6Al-4V合金表面熔覆了Ti-Co合金,發(fā)現(xiàn)較低的掃描速率有利于提高金屬間化合物的比例。激光熔覆后,表面硬度從301HV 最高提升至719HV,合金的強(qiáng)度和耐腐蝕性能也得到了顯著提高。南非茨瓦恩理工大學(xué)Sibisi等[49]在Ti-6Al-4V表面激光熔覆Ti+SiAlON陶瓷粉末,使表面硬度相對基體提高了兩倍以上。山東大學(xué)Weng等[50]采用送粉式激光熔覆裝備在Ti-6Al-4V合金表面熔覆了含有B4C、SiC和Y2O3的鈷基復(fù)合 粉末,使表面硬度提高了3~4倍,而耐磨性能最高可以達(dá)到基體的10倍以上。上海交通大學(xué)Gao等[51]分析了在Ti-6Al-4V合金表面激光熔覆Ti-Ni/TiN/TiW+TiS/WS2自潤滑粉末對表面性能的影響。當(dāng)混合粉末的成分為50%Ni-30%TiN-20%WS2時(shí),硬度從370HV 提升至900HV,表面摩擦 系數(shù)最小且耐磨性能最為優(yōu)異。

2.3 鈦合金激光分離技術(shù)

激光分離技術(shù)主要指激光切割技術(shù)和激光打孔技術(shù)。激光分離技術(shù)是將能量聚焦到微小的空間,可獲得極高的輻照功率密度(105~1015 W/cm2),利用這一高密度的能量進(jìn)行非接觸、高速度、高精度的加工,幾乎可以對任何材料實(shí)現(xiàn)激光切割和打孔,是面向航空難加工材料的理想加工方式。目前,激光切割技術(shù)主要應(yīng)用于飛機(jī)蒙皮、蜂窩結(jié)構(gòu)、框架、翼彬,尾翼避板、直升機(jī)主旋翼、發(fā)動機(jī)機(jī)匣和火焰筒等,國外已用于鈦合金蒙皮生產(chǎn),尤其在鈦合金激光切割的開裂和重熔層的研究上頗有成就。而國內(nèi)主要研究方向是鋼板的激光切割工藝方面,僅少數(shù)涉及到鈦合金的切割,目前也只是少量應(yīng)用于軍用飛機(jī)鈦合金蒙皮切割。激光打孔主要應(yīng)用在燃燒室、葉片等渦輪發(fā)動機(jī)零部件上,如圖10所示。

在鈦合金激光切割技術(shù)研究領(lǐng)域,意大利巴里理工大學(xué)的Scintilla開展了鈦合金光纖激光切割研究[52-53],探究了激光切割工件直接進(jìn)行激光焊接的可行性[54]。研究發(fā)現(xiàn),使用光纖激光器進(jìn)行鈦合金切割時(shí)的隔斷能小于CO2激光器和Nd:YAG 激光器,并且光纖激光切割所得切縫表面粗糙度僅為1.30μm,遠(yuǎn)低于CO2激光器和Nd:YAG 激光器可以獲得的最小粗糙度。國內(nèi)沈陽航空航天大學(xué)基于CO2激光器開展了TC1鈦合金激光切割研究[55-58],發(fā)現(xiàn)機(jī)械加工試樣對應(yīng)的最大載荷、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度略高于激光切割的試樣;而且在99%置信度前提下,激光切割試樣疲勞壽命僅為機(jī)械加工試樣的8.76%,疲勞壽命下降的原因是熱影響區(qū)和切縫表面條紋(包含微裂紋)。西北工業(yè)大學(xué)研究了CO2激光切割工藝對1.5mm TC4鈦合金疲勞性能的影響[59],同樣發(fā)現(xiàn)切縫表面條紋導(dǎo)致激光切割試件的疲勞壽命大幅下降。沈飛團(tuán)隊(duì)對TA15激光切割熱影響區(qū)的組織與性能研究發(fā)現(xiàn)[60],熱影響區(qū)到基體顯微硬度呈明顯的下降趨勢,存在熱影響區(qū)的板材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度比母材都有一定程度的下降。

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在激光打孔技術(shù)研究領(lǐng)域,早期,國內(nèi)外在航空領(lǐng)域的激光打孔主要采用普通脈沖或短脈沖激光,研究內(nèi)容集中在通過優(yōu)化工藝來提高孔的幾何和冶金質(zhì)量。印度Bandyopadhyay等[61]對厚度分別為4mm和8mm的IN718與Ti-6Al-4V合金進(jìn)行激光打孔,發(fā)現(xiàn)當(dāng)材料厚度增加,孔的錐度減小,但打孔時(shí)產(chǎn)生飛濺以及重鑄層等缺陷變得明顯。馬來西亞理工大學(xué)Bahar等[62]發(fā)現(xiàn)脈寬在0.5~20ms時(shí),低的脈沖寬度有利于提高Ti-6Al-4V合金表面激光打孔的質(zhì)量,而高的脈沖頻率可以降低孔的錐度。近年來,超短脈沖激光打孔在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用得到廣泛關(guān)注。俄羅斯普通物理研究所Kononenko等[63]分析了飛秒激光的重復(fù)頻率對鈦基合金旋切打孔的影響,發(fā)現(xiàn)重復(fù)頻率較高時(shí)(150kHz),打孔時(shí)的熱累積提高了速率,但孔入口邊緣和表面發(fā)生了明顯氧化。國內(nèi)中科院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所[64]和中科中涵激光設(shè)備(福建)股份有限公司[65]都開展了航空渦輪葉片表面飛秒激光打孔的工藝探索,得到的散熱孔內(nèi)壁重鑄層很小,且無裂紋。

3、結(jié)論與展望

隨著航空制造領(lǐng)域鈦合金用量的穩(wěn)步增長,低成本、高應(yīng)用性能依然是未來鈦合金研究的主流方向。首先繼續(xù)開展相關(guān)新型低成本鈦合金研究,改進(jìn)成形工藝,采用先進(jìn)的加工與制造技術(shù),發(fā)展鈦合金近凈成形技術(shù)等,同時(shí)可以運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算設(shè)計(jì)加工工藝,節(jié)省資源,提高新材料制備和加工工藝設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性;其次加強(qiáng)高綜合性能鈦合金研究, 如TiAl金屬間化合物和鈦基復(fù)合材料的研究,未來在航空制造領(lǐng)域可以進(jìn)一步用鈦合金代替鎳基、鐵基合金等傳統(tǒng)材料;再者進(jìn)一步研究鈦合金的激光加工技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用,從而在根本上突破制約航空用鈦合金用量和應(yīng)用水平提升的成本瓶頸。

隨著各方面研究的深入,相信全鈦制造的飛機(jī)也許在不遠(yuǎn)的將來即會成為現(xiàn)實(shí)。

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