發布日期：2024-2-23 10:32:50
引 言
管路系統是飛機的生命線，其性能好壞直接影響飛機的整體性能。如果把發動機比作飛機的心臟，那么形形色色的管路就像飛機的血管網，源源不斷地把各種營養輸送到飛機全身的各個角落。管路系統的可靠性和持久性是影響飛行安全、降低維修成本和滿足適航要求的重要因素，因此提高管路系統的技術水平對提高飛機性能是非常重要的。
鈦合金作為-種先進的輕量化結構材料，具有優異的綜合性能，其密度小，比強度高，疲勞強度和抗裂紋擴展能力好，抗蝕性能優異，焊接性能良好等，因此在航空、航天、汽車、造船、能源等行業具有日益廣泛的應用前景。鈦產量中約80%用于航空和航天工業。由于鈦合金管的研制和加工技術難度很大，加之鈦合金材料價格昂貴，使其在應用方面受到限制，目前主要在工業耐腐蝕和船舶方面的應用相對較廣，如海水裝置、核電、鹽堿行業以及艦船等。但國外，由于鈦合金管材的研制和配套應用技術發展成熟，因此，鈦合金管材在發達國家的航空、航天等領域已有-定的應用 ，如國外先進飛機的引氣管路、液壓管路、燃油管路等都廣泛采用了鈦合金管。而我國，由于鈦合金管材研制、彎曲及管接頭技術尚未完全成熟，鈦合金管在民用飛機和軍用飛機上均還未獲得廣泛應用。由于鈦合金管材的應用涉及管材研制、彎曲成形、管端頭加工與連接等方面，因此，本文總結了鈦合金管材的研制技術、鈦合金管彎曲成形技術及鈦合金管端頭加工與連接技術等方面的國內外現狀與發展趨勢，分析了鈦合金管材在我國飛機上的應用情況及與國際先進水平的差距，并指出了鈦合金管材在我國飛機管路系統的應用前景，從而為鈦合金管材在我國先進飛機上逐步的廣泛和成熟應用提供指導。
1、相關領域國內外研究狀況
1.1 鈦合金管材研制的國內外現狀
在鈦合金管制造方面，世界各國-直致力于提高鈦合金管的可靠性和柔韌性，擴大產品系列。
目前，國外發達國家的鈦及鈦合金無縫管的制造技術已比較成熟。對于低強度、低合金化的鈦及鈦合金無縫管制造均采用冷軋真空退火工藝，而管坯制備主要采用鉆孔擠壓和斜軋穿孔兩類工藝，其中鉆孔擠壓方法的金屬消耗量大，工藝廢料高達10%~15%，但管坯壁厚均勻；而采用斜軋穿孔方法的金屬消耗量小，工藝廢料為1%~3%，軋制變形的溫度、速度范圍較寬，道次變形量可達20%～90%，可減少加熱次數和鈦合金的氧化損失，提高成品率，但缺點是管坯厚度公差稍大。目前，斜軋穿孔是無縫管生產的主要方法。對中、高強鈦合金無縫管，則采用溫軋技術，即在軋管機上安裝感應加熱裝置，-般溫度控制在再結晶溫度以下100℃左右。采用溫軋技術可生產中等規格的Gr5(Ti-6Al-4V)鈦合金管材。另外，K.Srinivasan等研究了采用開式模具擠壓商業純鈦管的可行性。結果表明，采用開式模反向擠壓制造純鈦管的質量較高，消耗的潤滑劑少，且模具結構較擠壓制管方式簡單，但這種方式只適用于比較短的管件的制造。
10年前，美國RMI公司的R.W.Schutz就給出了-種高效率、低成本生產Gr5、Gr23、Gr29和Gr28無縫管的熱穿TLSL制工藝，所生產的無縫鈦管的直徑達610mm、壁厚達26mm、長度達12m，已被成功應用于能源行業的地熱鹽井，深水海上鉆井升管、鉆桿等方面。
提高管材的性能和承載能力-直是鈦管研制領域的熱門課題，世界各鈦管生產制造商不斷提高鈦合金管的強度極限。在美國，通過采用去應力退火方式已經可以安全、可靠地實現860MPa級的高強鈦合金管Gr9的制造。雖然高強度有助于提高鈦管的抗拉、扭轉等能力，擴大其抗拉伸、耐高壓、復合疲勞等的適應性，但強度提高的同時也會導致塑性、韌性降低，增大裂紋敏感性，并增加后續的彎曲、管端頭成形的難度。因此，隨著鈦管應用的不斷擴大，除了材料強度以外，還應更加關注鈦管性能的其他方面，包括塑性、韌性、疲勞壽命、顯微組織以及焊接性能等，以達到綜合性能的良好匹配。
由于鈦無縫管加工工序多、生產周期長、效率低、成本高，使得其應用受到限制。而基于鈦帶軋制、焊接工藝為主的鈦焊管，由于材料利用率高、生產效率高，而且其擴管、彎曲性能也與無縫管幾乎無差別，所以國內外鈦焊管的用量在逐年增加，各國也都在發展自己的鈦焊管生產體系，并在電站冷凝器中日益得到應用 。
表1為目前國外生產制造鈦合金管的主要廠家及產品情況。其中，90%左右的鈦管是材質為工業純鈦(Grl和BT1-0)的無縫管和焊管，其次是Gr9(Ti-3A1-2.5V)、Gr5/BT6(Ti-6Al-4V)和Ⅱ 7M(Ti-2A1-2.5Zr)等鈦合金無縫管。
在低強、低合金化鈦合金無縫管制造方面，我國同樣采用冷軋真空退火工藝，該技術在我國已經成熟。然而，由于受中、高強鈦合金管材冷變形能力的限制，必須采用溫軋技術，但目前我國的中、高強鈦合金管材溫軋生產技術尚不夠成熟，高強度鈦合金薄壁管TA18M(對應Gr9)的研制目前尚處于探索試制階段。表2為國內生產制造鈦合金管的主要廠家及其產品情況 。
另外，上海長隆金屬鈦材廠還探索出了自行車用Ti-3Al-2V無縫管和Ti-3Al-2.5V異型管生產工藝。其中，常州法力諾長城焊管公司是法國VALTIMET公司在中國投資的全資子公司，其產品主要為焊管，經過10年的發展，該企業已發展成為國內焊接管材生產的龍頭企業， 占有國內市場70%左右的份額。寶雞鈦業股份有限公司所生產的鈦及鈦合金管的外徑介于6mm~210mm，壁厚介于0.5mm~12mm之間。由于寶雞鈦業股份有限公司還與常州法力諾長城焊管有限責任公司、法國VALTIMET公司和美國Timet Asia公司合資組建了西安寶鈦美特法力諾焊管有限責任公司，因此該公司還具備生產鈦合金焊管的能力。西北有色金屬研究院下屬的西部鈦業股份有限公司所生產的鈦及鈦合金管的外徑介于3mm～130mm，壁厚介于0.2mm~4.5mm之間。江蘇宏寶集團有限公司所生產的鈦及鈦合金管的外徑介于6mm~159mm，壁厚介于0.5mm~15mm之間。
對比表1、表2可以看出，國內在純鈦和中、低強度、低合金化的鈦及其合金管生產能力方面與發達國家相當，如表3所示。但國內尚不能生產高強TA18M管(Gr9)。并且美國RMI生產的鈦及其合金管的長度可達6000ft～ 10000ft(1830m～3050m)，并可以線圈形式供貨，而國內尚無法達到此水平 。
1.2 鈦合金管材彎曲及彎管機械的國內外現狀
鈦合金管彎曲工藝，特別是冷彎曲工藝，是-項十分復雜的工藝過程，受到管材本身性能、管壁厚因子、彎曲工藝、模具設計制造水平等諸多因素的影響。
由于鈦合金在室溫下成形具有各向異性顯著、變形抗力大、塑性差、延伸率有限、成形困難、回彈顯著等特點，因此，適合在室溫下冷彎曲成形的國內外鈦合金導管材料的牌號有 TA1、TA2、TA3等延展性稍好的商業純鈦和Ti-3A1-2.5V(TA18)等近a鈦和Ti-6Al-4V(TC4)等α+β鈦。并且，國外有人認為彎曲半徑與管徑之比大于2，且管徑小于75μm壁厚0.4mm~0.9mm)的純鈦管，在室溫下可順利彎曲成形。而在多數情況下，鈦合金管都需要加熱彎曲，加熱溫度以150℃～260℃為宜，加熱方式為電熱元件加熱，并以熱電偶控制溫度 。
在國外，鈦合金管數控彎曲技術已經比較成熟、完善，部分純鈦管采用數控冷彎技術，部分鈦合金管采用數控熱彎工藝，鈦合金管已經大量應用在飛機后機身各管路系統，極大提高了飛機的機動性能 。但鑒于鈦管彎曲及應用問題的戰略性，國外對其嚴格保密，公開的文獻較少。Sunmoo Hur等l2 ]對Ti-6Al-4V大口徑管(62.37mmX 4.4mm)進行冷彎曲時，管件內部加填充料，成形管件圓度較好，橢圓率僅為1.28%，但未對填充料類型、彎曲方式、彎曲工藝等內容進行詳細報道。毛軍鋒等編譯了-些宇航鈦管彎曲的資料，從彎曲類型及種類、模具設計及模具材料、潤滑劑的選擇、彎曲速度、調模方法等方面作了介紹，運用筒式電加熱器對模具加熱，并且對加熱部位作了簡單介紹。
該文是對鈦管彎曲的-個概述性質的介紹，具有指導意義，但對于中、高強度鈦合金管的冷彎曲的論述還未涉及。
在我國，由于缺乏適合鈦合金管熱彎成形的設備，目前尚只能較為穩定地實現純鈦(如TA1、TA2)和-些強度不是很高的鈦合金管材(如TA16M)以及中強鈦合金管(如TA18M)的數控冷彎曲成形。
國內沈陽飛機工業公司已經在美國伊頓公司生產的VD100數控彎管機上成功實現了TA16M鈦合金導管的數控冷彎曲和半自動彎曲。由于TA16M鈦合金是-種低強度的α型鈦合金，故較適合應用在對壓力要求不高的飛機的空調、燃油等管路系統中。另外，北京航空制造工程研究所主要采用推彎方法實現了鈦合金管彎頭的成形制造。根據先進飛機研制的迫切要求，西北工業大學開展了TA18M鈦合金導管數控彎曲精確成形技術方面的研究。基于ABAQUS和ORACLE平臺， 目前已開發了鈦合金管數控彎曲模擬仿真及工藝管理系統，設計制造了鈦合金管數控彎曲模具，并成功實現了TA18M鈦合金管的數控冷彎成形 。
西北有色金屬研究院也開展過鈦管熱彎成形研究，并進行了牛角芯棒熱推彎成形的有限元模擬。吳建軍等采用有限元軟件ANSYS建立了大直徑薄壁純鈦管加熱彎曲成形過程有限元模型，通過模擬分析，得到了合理的加熱溫度區間。這些數值模擬工作可為鈦管的熱彎曲提供有益的指導。
上述彎曲工作主要是針對低、中強度鈦合金管材，而針對高強度鈦合金管彎曲方面的工作，國內還未見有報道。
雖然鈦管在加熱條件下會產生大的延伸率，有利于彎曲成形，然而，模具膨脹、加熱條件下材料和模具的潤滑、彎管機械部件的冷卻等問題限制了鈦管熱彎曲的應用范圍。因此，發展精密高效的鈦合金冷彎曲成形是當前迫切需要解決的問題。
在適合于鈦合金管材加熱彎曲的彎管機械方面，目前國內外帶加熱裝置的彎管機形式主要有兩類，如表4所示。其中，在繞彎工藝上添加加熱裝置的方法，早在1987年，日本三菱公司Mizobe Hiroshi等 就申請了專利，并在三菱公司得到了應用。
目前，國內感應加熱推彎彎管機比較普遍，主要是為適應國內石油管道建設而開展的中高頻感應加熱彎管設備及工藝的研究。而對于鈦合金管材加熱繞彎所需的加熱裝置國內鮮有資料，文獻對鈦合金導管熱彎成形作了介紹，并給出了加熱裝置示意圖。
由于數控彎管具有高效、精確等特點，國內外都趨向于使用這種彎曲工藝來成形鈦合金彎管件，以有效避免起皺、破裂、截面畸變等缺陷，提高鈦管成形質量。隨著鈦合金管在航空領域的逐漸推廣應用，并且由于航空彎管的成形質量要求高，因此可以預測，在不久的將來，國內將會研制出有自主知識產權的、通過模具加熱的繞彎彎管機。
1.3 飛機液壓管路系統、導管端頭加工與連接的國內外現狀
液壓管路是飛機諸管路中工作壓力最高、可靠性要求最嚴格的-個部分，飛機管路系統技術水平的高低就集中體現在液壓管路系統中。對于液壓系統來說，在同等功率條件下，工作壓力越高，所要求的作動筒和油泵活塞底面積越小，所要求的管路流量越小，因而液壓系統的整體尺寸和重量都會相應減小和減輕，而較低的介質流速也減少了在管路 中流動的功率損失。因此，不斷研究更高工作壓力的液壓系統及其標準件是航空工業發展的客觀需要。
美國的液壓管路系統從20世紀60年代就開始采用28MPa液壓系統，目前已被更高壓力的液壓系統所取代。28MPa液壓系統在俄羅斯也早已應用。歐洲發達國家主要使用的也是28MPa液壓系統。我國目前使用的主要還是21MPa的液壓系統。301所已經開展了工作壓力為28MPa的液壓導管連接件標準方面的研究。
在飛機導管端頭加工與連接方面，導管連接件的結構形式有許多種，擴口連接結構簡單，是-種應用最廣泛且已成熟的連接形式，蘇-27飛機上的28MPa系統就是采用這種連接結構形式。但是它的密封面面積大，生產過程中所產生的形狀誤差和表面粗糙度誤差所造成的間隙難以消除，因此密封性差；而且不具備自鎖能力，需要保險絲鎖緊。而在-個擴口連接點打保險絲需要約10min時間，這對于外場維護非常麻煩，并對飛機的出勤率有-定的影響 。
為從根本上解決擴口連接的密封問題，世界各航空工業發達國家都對此進行了研究，現已有多種密封性能遠優于擴口連接的結構形式。比如，卡套式無擴口連接、擠壓式無擴口連接、唇式連接等。另外，內徑滾壓成形是導管無擴口連接的-種精密成形方法，具有其他成形方法所無可比擬的諸多優點 。鈦合金管件內徑滾壓連接成形技術是符合現代飛機對減重及高度機動性等高性能標準的-種先進的管件連接技術。與傳統焊接形式的鈦合金管件連接方式相比，具有制造成本低、生產效率高、易于操作、連接可靠、檢測便捷等優點，所成形的管件具有良好的氣密性，可以承受高溫高壓。目前，國外已基本突破鈦合金管件內徑滾壓成形技術，美國在過去幾十年中所開發的鈦合金連接管件內徑滾壓成形技術已完全實現計算機自動控制，成形零件精度高l3 ，在F15、F16、S76等飛機上得到廣泛應用，并正在進行高溫鈦合金連接管件滾壓成形技術的研究，逐步向飛機發動機及航天領域擴展。俄羅斯在這方面的研究也具有很高的水平，鈦合金內徑滾壓成形連接管件已在多種型號飛機上得到廣泛采用，并研制了相關的專用成形設備。
我國目前生產的飛機，其液壓管路系統幾乎全都采用擴口連接形式。雖然相關文獻認為，鑒于鈦合金管在室溫下的延伸率較低，變形困難，因此不適合于擴口連接形式，相比較而言，卡套式和擠壓式均可用于工作壓力為28MPa的鈦合金液壓導管連接，且擠壓式的性能相對更好-些。但耐壓試驗和爆破試驗表明，中強TA18M 管也可采用擴口連接，并適合28MPa液壓管路系統。圖1所示為經56MPa耐壓試驗和112MPa爆破試驗的各種規格TA18M鈦合金直管件和彎管件。
在采用機械方法連接管件方面，國內的研究主要局限于鋁合金、不銹鋼等材料的擠壓成形，對鈦合金材料涉及較少。北京航空制造工程研究所開展的工藝研究表明，內徑滾壓成形可以將鈦合金管和不銹鋼封嚴套緊密地連接在-起，并可承受很高的內壓力。
關于飛機管路液壓系統，工作壓力的提高必然帶來導管及連接件的材料強度和連接件的結構密封問題。從性能而言，各種無擴口連接形式均優于擴口連接形式，因此，發展和采用無擴口連接形式是飛機管路連接的發展趨勢。
1.4 鈦合金管在飛機管路系統應用的國內外現狀
我國高性能鈦材的研究在“九五”以前以仿制為主，“九五”以后以創新與仿制并舉，雖然取得了-定進展，但由于應用研究相對較薄弱，在實際應用方面同國外先進國家有較大差距，尤其是在鈦管材應用方面。表5為鈦合金管材在國外發達國家飛機上的應用情況[。 。而國內鈦合金管雖然從20世紀70年代就開始研制，但未能在飛機上廣泛使用，系統零部件用鈦幾乎是空白。
雖然我國目前在鈦合金管材的研究與航空應用方面與國外發達國家還存在較大差距，但若充分發揮現有材料的應用潛力，擴大鈦合金的品種、規格，特別是系統管路用材和連接件，重點突破或完善配套有關工藝技術，抓住重大型號改進改型和新機設計的機遇，就能夠實現中國航空人為之努力的方向之-，即鈦合金管材應用研究技術的大跨度發展。
2、鈦合金管材在我國自主研制飛機中的應用前景與發展方向
為提高飛機的整體飛行性能，滿足飛機重量相對輕、壽命長、機動性能好等要求，大型客機和戰斗機管路系統的工作壓力將逐步提高，各種具有優異綜合性能的鈦合金管材必將逐步獲得廣泛應用。
鑒于液壓管路系統在飛機管路系統的重要性，首先開展鈦合金管材在新飛機液壓管路系統的應用是可行的。從比強度、比剛度、耐腐蝕性和冷彎曲成形能力以及材料的成熟度考慮，采用TA18M(Ti-3Al-2.5V)鈦合金導管是目前-種較理想的選擇。
TA18M鈦合金是從TC4(Ti-6Al—4V)合金演變而來的低鋁當量近a型鈦合金，是作為可冷加工的管材應用而研制的，具有良好的冷成形和焊接性能，可以制造多種無縫管材、焊接管材和蜂窩結構，通過熱處理可以實現良好的強度和塑性匹配。該合金的室溫強度比工業純鈦高20%~50%，對缺口不敏感，在許多介質中具有良好的抗蝕性。因此，適于制造各種飛機上的導管。TA18M 鈦合金管材已在美國高科技軍用和民用多種飛機上作為液壓、燃油等管路系統應用。例如，20世紀70年代中期開始作為航空導管在F-14A、F-15和波音757、767等機種上應用。TA18M導管在我國航空及民用方面也有-定的應用基礎，在我國運輸機上作為空調管路應用過，并將在航空發動機管路系統中應用。
由于TA18M鈦合金密度小，較不銹鋼管可有效減重，更可貴的是，其良好的焊接性能使后續的管端頭易于連接，而且其與復合材料結構的強度和剛度具有優良的匹配性能，可以進-步獲得很好的減重效果。因此，TA18M 是目前最適合于制作先進飛機上耐高壓輕質導管的理想材料。
近年，隨著鈦合金生產技術的發展，先后開發出幾種適合于室溫下進行塑性加工的高強口型鈦合金。其中近β型的Ti-15-3(名義成分為Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn)是較有應用前景的鈦合金之- ，可以在固溶狀態下采用冷成形方法進行加工，其冷加工性能與工業純鈦相當，甚至比工業純鈦還好，并可以通過熱處理方法(時效)進行強化(其強度可達1400MPa~1500MPa)，且該合金還具有較好的焊接性能和性能均勻性，使得Ti-15-3生產成本大為降低，制件精度和性能大幅度提高，從而有力地促進了Ti-15-3在航空、航天等工業中的應用。使用該合金代替飛機上大量應用的30CrMnSiA結構鋼，可以獲得明顯的減重效果：代替某些熱成形鈦合金零件可以降低制造成本。因此，Ti-15-3合金是-種
較為理想的航空結構材料。采用該合金制造飛機零件是提高飛機結構效益和可靠性的重要措施之-。
該合金特別適宜制造飛機和火箭發動機推進劑貯存箱和導管等部件，最高工作溫度為290℃。另外，高強鈦合金TA18管材在我國尚處于研制階段，目前迫切需要解決的，是如何在提高強度的同時，能夠保持足夠的塑性，以便使得后續冷彎曲和端頭加工能夠順利開展。如果能突破該制造瓶頸，估計鈦合金管材在先進飛機中的應用將大大提高。
因此，以國外先進飛機上成熟可靠使用過的、且在我國航空領域有較好應用基礎的低合金化、耐高壓鈦合金管材TA18M和Ti-15—3為切人點，開展相關耐高壓管材研究與應用的試驗驗證工作，充分發揮傳統鈦合金材料的應用潛力，完善、改進已經研制的新材料，探索和研究綜合性能更好的新型材料，形成適合我國國情的鈦合金管材材料體系，重點突破或完善相關配套工藝技術，并逐步推廣鈦合金在大客飛機及其他管路系統的應用，必將實現鈦合金管材應用研究技術在我國先進飛機上由點到面，并逐步深入與細化的大跨度發展。
3、結論
近年，鈦合金材料的研制不斷向高性能化、功能化、低成本化方向發展。與此相適應，國內外鈦合金管制造的發展趨勢，-方面是降低原材料的成本，即發展不含或少含貴金屬元素，取而代之添加鐵、氧、氮等廉價元素的合金，或開發新的低成本的海綿鈦生產工藝。另-方面是通過各種工藝途徑降低鈦合金管材的加工、制造成本，如開發低加工成本的可冷變形的鈦合金管材，并不斷擴大鈦合金管材在飛機上的應用范圍。而為了提高飛機的整體性能，減重、節能和降耗，國外飛機液壓系統目前普遍使用的是28MPa系統，并開始逐步采用更高的系統壓力。國內目前采用較多的是21MPa系統，采用28MPa液壓系統將成為發展趨勢。對于與高壓液壓管路系統配套的成形與連接技術，國外的鈦合金管數控彎曲與內徑滾壓無擴口連接工藝已較成熟和完善，仍將成為今后持續發展和普遍應用的工藝和技術。
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