多工況適配下航空高性能合金成型技術(shù)優(yōu)化與創(chuàng)新研究：基于力學(xué)性能、生產(chǎn)成本、生產(chǎn)周期維度解析傳統(tǒng)成型與3D打印工藝優(yōu)劣及未來(lái)復(fù)合成型發(fā)展路徑

高性能合金材料憑借其高強(qiáng)度、高韌性、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)異性能,成為航空航天領(lǐng)域的關(guān)鍵材料。高性能合金材料的成型技術(shù)直接影響材料的微觀組織和性能,進(jìn)而決定航空航天零部件的質(zhì)量和可靠性[1]。因此,深入研究高性能合金材料成型技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。文章旨在全面了解高性能合金材料的特性,深入分析現(xiàn)有成型技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn),探索適合不同合金材料和零部件需求的成型工藝。通過(guò)研究為材料選擇和成型工藝優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù),降低生產(chǎn)成本,推動(dòng)高性能合金材料成型技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展。

1、常用的高性能合金材料

1.1　鈦合金

鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如,Ti-6Al-4V合金是最常用的鈦合金之一,其密度約為4.5g/cm3,僅為鋼的60%左右，但強(qiáng)度卻與高強(qiáng)度鋼相當(dāng)。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片、壓氣機(jī)葉片以及飛行器機(jī)身結(jié)構(gòu)件等部件制造中，鈦合金能夠有效減輕部件重量,提高飛行器的性能。此外,鈦合金還具有良好的耐海水腐蝕性能。

1.2　鎳基合金

鎳基合金以鎳為基體，添加鉻、鉬、鎢等合金元素，具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、抗氧化性和耐腐蝕性。例如，Inconel 718合金在650℃以下具有良好的高溫強(qiáng)度和疲勞性能,能夠滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件在復(fù)雜工況下的工作要求。鎳基合金的高溫性能使其在航空航天領(lǐng)域的高溫應(yīng)用場(chǎng)景中占據(jù)重要地位2。

1.3　鋁合金

鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好、加工性能優(yōu)良等特點(diǎn)，是航空航天領(lǐng)域應(yīng)用最早且使用量較大的金屬材料之一。新型高強(qiáng)鋁合金，如7XXX系鋁合金通過(guò)合理的合金成分設(shè)計(jì)和熱處理工藝,其強(qiáng)度可與鋼材媲美,同時(shí)保持較低的密度。在飛行器機(jī)翼、機(jī)身蒙皮等結(jié)構(gòu)件制造中鋁合金能夠有效減輕飛行器重量,提高飛行性能。此外,鋁合金的良好加工性能也便于零部件的成型和制造。

2、高性能合金材料成型技術(shù)

2.1　鍛造成型技術(shù)

鍛造是通過(guò)對(duì)金屬坯料施加壓力,使其產(chǎn)生塑性變形,從而獲得所需形狀和性能的成型方法。在鍛造過(guò)程中，金屬坯料在高溫下具有良好的塑性，通過(guò)模具的擠壓、鐓粗、拔長(zhǎng)等操作使金屬內(nèi)部的晶粒得到細(xì)化,組織更加致密，從而提高材料的強(qiáng)度和韌性。鍛造成型的零部件具有較高的強(qiáng)度和良好的力學(xué)性能,能滿足航空航天領(lǐng)域?qū)α悴考咝阅艿囊蟆Ｍㄟ^(guò)合理控制鍛造工藝參數(shù),如鍛造溫度、變形速度、變形量等可有效改善材料的微觀組織，提高材料的綜合性能。此外，鍛造工藝的重復(fù)性和穩(wěn)定性較好,適合大批量生產(chǎn)。鍛造設(shè)備投資大，模具成本高，生產(chǎn)周期較長(zhǎng)。形狀復(fù)雜的零部件鍛造工藝難以實(shí)現(xiàn)一次成型,需進(jìn)行多次加工和后續(xù)處理，增加了生產(chǎn)成本和生產(chǎn)難度。

2.2　鑄造成型技術(shù)

鑄造是將液態(tài)金屬澆鑄到與零件形狀相適應(yīng)的鑄造模具中，待其冷卻凝固后獲得零件或毛坯的成型方法,根據(jù)鑄造工藝的不同可分為砂型鑄造、熔模鑄造、金屬型鑄造等。在航空航天領(lǐng)域熔模鑄造應(yīng)用較為廣泛，它通過(guò)制作精密的蠟?zāi)＃缓笤谙災(zāi)１砻嫱扛捕鄬幽突鸩牧希瞥尚蜌ぃ訜嵝蜌な瓜災(zāi)Ｈ刍鞒觯纬芍锌盏男颓唬詈髮⒁簯B(tài)金屬澆入型腔，冷卻后獲得高精度的零部件。鑄造工藝能制造出形狀復(fù)雜的零部件，適用于難以通過(guò)鍛造等其他成型方法加工的零件。與鍛造相比,鑄造的生產(chǎn)成本相對(duì)較低,生產(chǎn)周期較短,能快速實(shí)現(xiàn)零部件的小批量生產(chǎn)。此外，通過(guò)優(yōu)化鑄造工藝和合金成分可控制鑄件的微觀組織和性能,滿足航空航天領(lǐng)域的特定要求。鑄造過(guò)程中容易產(chǎn)生氣孔、縮松、夾渣等缺陷，影響零部件的質(zhì)量和性能。鑄件的力學(xué)性能,尤其是強(qiáng)度和韌性,通常低于鍛造件,需要通過(guò)后續(xù)的熱處理等工藝進(jìn)行改善3。

2.3　增材制造技術(shù)

增材制造,又稱3D打印,是基于離散-堆積原理,將材料逐層堆積成型的技術(shù)。在航空航天領(lǐng)域常用的增材制造技術(shù)有選擇性激光熔化(SLM)、電子束熔化(EBM)等。以選擇性激光熔化為例,其工作原理是先在工作臺(tái)上鋪一層金屬粉末，然后根據(jù)零件的三維模型數(shù)據(jù),控制激光束在粉末層上選擇性地掃描,使粉末熔化并凝固，形成零件的一個(gè)截面層，接著工作臺(tái)下降一個(gè)層厚的高度，再次鋪粉，重復(fù)上述過(guò)程，逐層堆積直至完成整個(gè)零件的制造。增材制造技術(shù)具有高度的設(shè)計(jì)自由度,能制造出傳統(tǒng)制造方法難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件。該技術(shù)無(wú)需模具,可快速實(shí)現(xiàn)零部件的個(gè)性化定制生產(chǎn)，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。此外，增材制造過(guò)程中材料的利用率高，能有效減少材料浪費(fèi)。同時(shí)，增材制造過(guò)程中容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力、變形等問(wèn)題,需通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)和后續(xù)處理工藝來(lái)解決。

3、不同成型技術(shù)對(duì)比

鍛造成型的Ti-6Al-4V合金在抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度方面表現(xiàn)較為優(yōu)異，如表1所示，這得益于鍛造過(guò)程中晶粒的細(xì)化和組織的致密化。鑄造成型的合金力學(xué)性能相對(duì)較低，主要是由于鑄造過(guò)程中容易產(chǎn)生缺陷。增材制造Ti-6Al-4V合金力學(xué)性能介于鍛造和鑄造之間,通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù),其性能還有進(jìn)一步提升的空間。

表1　不同成型技術(shù)下Ti-6Al-4V合金的力學(xué)性能對(duì)比

如表2所示，鍛造的設(shè)備成本和模具成本較高，單件生產(chǎn)成本也相對(duì)較高，生產(chǎn)周期較長(zhǎng)。鑄造的設(shè)備成本和模具成本較低，生產(chǎn)周期較短，單件生產(chǎn)成本也相對(duì)較低。增材制造雖無(wú)需模具，但設(shè)備成本高昂，單件生產(chǎn)成本較高,不過(guò)其生產(chǎn)周期最短,能快速實(shí)現(xiàn)零部件的制造。

表2　不同成型技術(shù)的成本與生產(chǎn)周期對(duì)比

不同高性能合金材料適用的成型技術(shù),如表3所示。鈦合金由于其良好的塑性和綜合性能,多種成型技術(shù)均適用。鎳基合金因其高溫性能和復(fù)雜的成分,主要采用鑄造和增材制造技術(shù)。鋁合金根據(jù)不同的產(chǎn)品需求可選擇鍛造、鑄造或擠壓成型等技術(shù)。

表3　不同高性能合金材料適用的成型技術(shù)

鍛造成型工藝的基本流程，如圖1所示。首先，通過(guò)鍛造成型工藝的基本流程,如圖1所示。首先,通過(guò)箱式電阻爐將鈦合金坯料加熱至β相區(qū)(950~980℃),使其達(dá)到最佳塑性狀態(tài);隨后由工業(yè)機(jī)械臂將紅熱坯料移送至預(yù)熱至300℃的鍛模中,在5000噸液壓機(jī)下以0.5mm/s的速度進(jìn)行鐓粗變形，模具表面的石墨涂層有效降低摩擦阻力;最后通過(guò)多向模鍛使金屬流線沿零件輪廓分布,經(jīng)β退火處理后獲得晶粒細(xì)化(ASTM10級(jí))的高強(qiáng)度構(gòu)件,如航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤?。

選擇性激光熔化增材制造工藝過(guò)程如圖2所示。通過(guò)逐層鋪粉和激光掃描熔化,實(shí)現(xiàn)零部件的堆積成型。在惰性氣體保護(hù)艙內(nèi)鋪粉輥將40μm厚的鎳基合金粉末均勻攤鋪于成型平臺(tái);500W光纖激光以1200mm/s速度按CAD切片路徑掃描，瞬間熔化粉末形成1600℃熔池，熔池凝固后形成0.1mm厚的冶金結(jié)合層;每完成一層堆積，平臺(tái)下降50μm進(jìn)入下一輪循環(huán)，最終通過(guò)逐層累加(層厚精度±10μm)制造出帶復(fù)雜內(nèi)冷卻通道的渦輪葉片，后經(jīng)熱等靜壓處理消除微觀孔隙，零件致密度可達(dá)99.9%以上。

4、成型技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

4.1　材料性能與成型工藝的匹配問(wèn)題

不同的高性能合金材料具有不同的性能特點(diǎn)和加工特性，而每種成型技術(shù)也有其適用范圍和局限性。如何選擇合適的成型技術(shù)，使材料的性能得到充分發(fā)揮，是目前面臨的重要挑戰(zhàn)之一。例如，一些新型高性能合金材料的熱加工性能較差,在鍛造或鑄造過(guò)程中容易出現(xiàn)裂紋、變形等問(wèn)題，需要開(kāi)發(fā)新的成型工藝或?qū)ΜF(xiàn)有工藝進(jìn)行優(yōu)化。

4.2　高精度與復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造難題

傳統(tǒng)成型技術(shù)在制造高精度、復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件時(shí)面臨諸多困難，如鍛造難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的成型，鑄造容易產(chǎn)生尺寸偏差和表面缺陷。增材制造雖在復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造方面具有優(yōu)勢(shì)，但在精度控制和表面質(zhì)量提升方面仍需要進(jìn)一步改進(jìn)。

4.3　成本與效率的平衡問(wèn)題

鍛造和增材制造設(shè)備成本高，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，導(dǎo)致零部件成本居高不下;鑄造雖然成本相對(duì)較低,但生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量有待提高。如何在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)成本與效率的平衡，是高性能合金材料成型技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵?。

5、合金材料成型技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

5.1　多種成型技術(shù)的復(fù)合應(yīng)用

為了充分發(fā)揮不同成型技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)單一成型技術(shù)的不足，多種成型技術(shù)的復(fù)合應(yīng)用將成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。例如,先采用增材制造技術(shù)制造出復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零部件毛坯，然后通過(guò)鍛造或機(jī)械加工等后續(xù)處理工藝，提高零部件的精度和性能。這種復(fù)合成型技術(shù)能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的高效、高質(zhì)量制造。

5.2　智能化與數(shù)字化成型技術(shù)發(fā)展

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，高性能合金材料成型技術(shù)將向智能化和數(shù)字化方向發(fā)展。通過(guò)建立成型過(guò)程的數(shù)字化模型實(shí)現(xiàn)對(duì)成型工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和優(yōu)化，提高成型過(guò)程的穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量。智能化設(shè)備能自動(dòng)識(shí)別和調(diào)整工藝參數(shù)，減少人為因素的影響，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品一致性?。數(shù)字化建模可實(shí)現(xiàn)成型過(guò)程的虛擬仿真，提前預(yù)判缺陷并優(yōu)化工藝參數(shù),智能化監(jiān)控則能實(shí)時(shí)反饋成型狀態(tài),及時(shí)調(diào)整操作,推動(dòng)高性能合金成型向精準(zhǔn)化、高效化、自動(dòng)化方向發(fā)展。

5.3　新型成型工藝的研發(fā)

為了滿足航空航天領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芎辖鸩牧系母咭螅滦统尚凸に嚨难邪l(fā)將不斷推進(jìn)。例如，超塑性成型技術(shù)能夠在較低的溫度和壓力下實(shí)現(xiàn)材料的大變形,可用于制造高精度、復(fù)雜形狀的零部件;電磁成型技術(shù)利用電磁力使金屬坯料產(chǎn)生塑性變形，具有成型速度快、精度高、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn),這些新型成型工藝將為航空航天用高性能合金材料的成型提供更多選擇。新型成型工藝的研發(fā)將聚焦于解決現(xiàn)有技術(shù)的瓶頸，如提高成型精度、降低生產(chǎn)成本、提升材料性能等,同時(shí)結(jié)合綠色制造理念，研發(fā)環(huán)保、高效的成型技術(shù)，推動(dòng)高性能合金材料成型產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

6、結(jié)束語(yǔ)

文章對(duì)高性能合金材料成型技術(shù)進(jìn)行了全面研究，分析了鈦合金、鎳基合金、鋁合金等常用高性能合金材料的性能特點(diǎn)，詳細(xì)探討了鍛造、鑄造、增材制造等成型技術(shù)的原理、優(yōu)勢(shì)與局限性。通過(guò)不同成型技術(shù)的對(duì)比，直觀地呈現(xiàn)不同成型技術(shù)下材料的性能差異以及成型工藝的流程，同時(shí)指出當(dāng)前高性能合金材料成型技術(shù)面臨的挑戰(zhàn),并對(duì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。未來(lái)的發(fā)展中應(yīng)加強(qiáng)多種成型技術(shù)的復(fù)合應(yīng)用，推動(dòng)智能化與數(shù)字化成型技術(shù)的發(fā)展，積極研發(fā)新型成型工藝，以滿足各個(gè)領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芎辖鸩牧先找嬖鲩L(zhǎng)的需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 馮超，高寶亭，孫海波，等. 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《航空用鋁合金板材第2部分2024T351、2H24T351、2324T39厚板》述評(píng)[J]. 輕合金加工技術(shù), 2024, 52(4): 21-24.

[2] 張洪坤, 李寶城, 葛青, 等. 航空用鋁合金板材產(chǎn)品質(zhì)量分級(jí)評(píng)價(jià)技術(shù)研究與應(yīng)用[J]. 世界有色金屬, 2021(12): 1-3.

[3] 胡德友，李繼光，張杰剛，等. 航天貯箱用典型規(guī)格2219鋁合金板材不同熱處理狀態(tài)下的性能研究[J]. 鍛壓技術(shù)，2020, 45(10): 53-58.

[4] 王程成. 航空材料質(zhì)量管理中的若干問(wèn)題探討[J]. 大眾標(biāo)準(zhǔn)化, 2020(19): 16-17.

[5] 祝楷, 熊柏青, 閆宏偉, 等. 航空鋁合金厚板殘余應(yīng)力數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2020, 30(5): 961-973.

[6] 郭瑞超，陳子凌，王志鑫，等. 2024鋁合金板材鹽溶液介質(zhì)噴淋淬火數(shù)值模擬研究[J]. 熱加工工藝, 2023, 52(20): 146-151.

[7] 何沂桂，韋成強(qiáng)，蘇開(kāi)列. 6xxx系鋁合金板材麻點(diǎn)缺陷分析與預(yù)防對(duì)策[J]. 大眾科技, 2024, 26(3): 62-66.

（注，原文標(biāo)題：高性能合金材料成型技術(shù)研究_王磊）