厚板結構外涵筒體制造技術研究

摘 要：文章對厚板鈦合金材料外涵機匣筒體的工藝方法進行研究，結合公司現有設備能力，摸索出一套完善的加工工藝和工裝，實現工程化應用。

關鍵詞：鈦合金；外涵筒體；工裝；加工工藝

引言

外涵機匣分主要分為三大類，一類為復合材料外涵機匣，另一類為薄板鈦合金成形后焊接安裝座結構，另一類為鍛鑄件機械加工的外涵機匣。前兩種常規外涵機匣的共同缺點為強度低，無法適用新形發動機的要求。而機械加工的外涵機匣因加工效率較低，制造成本較大，不適合批量生產。為適應新形的發動機要求，國內開展了厚板鈦合金成形后，經機械加工加強肋后再焊接安裝座或化學銑加工加強肋和安裝座，新形結構外涵機匣大大提高零件的強度，符合新形發動機的要求。但厚板鈦合金的成形困難，加工精度低、單組件焊接變形、工藝流程安排等問題需要研究和解決。

1 材料及結構分析

1.1 材料分析

化銑結構的外涵機匣一般為鈦合金TA15材料，TA15鈦合金的名義成分為Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V。屬于高Al當量的近а形鈦合金，它既具有а形鈦合金良好的熱強性和可焊性，又具有接近а-в形鈦合金的工藝塑形。TA15鈦合金具有中等的室溫和高溫強度、良好的熱穩定性和焊接性。TA15長時間工作問度可達500℃，瞬時可達800℃。450℃下工作時壽命達6000h[1]。TA15材料化學成分見表1。熱處理制度見表2。

TA15鈦合金常溫屈服極限較高，其常溫屈服極限930～1130Mpa，是一種常溫下難成形的材料，而厚度采用的大于4mm厚度，這更加大了零件的成形難度。本材料的焊接性能良好，其焊接焊接主要問題是焊接接頭脆化、焊接接頭裂紋、焊接氣孔。

加強保護，嚴格焊前清理，控制焊接速度。選擇合適的焊接參數，優良的焊接方法的選擇，焊后進行真空熱處理。以達到減少焊接缺陷。

1.2 設計結構分析

外涵筒體分為、直段筒體、對開錐段筒體、帶形面的筒體結構。如圖1所示。零件厚度為4到10mm，零件成形后分為機械加工加強筋和組合后化學銑加工兩種方式。筒體厚度增大，給零件的成形及焊接帶來一定的困難，零件加工精度的提高。

2 工藝

2.1 焊接方法的選擇

焊接中，焊件受到電弧不均勻的加熱，受熱區的金屬熱膨脹程度就不同，此時由金屬熱引起的內應力及變形是暫時的；當焊接完成，焊件冷卻后，剩余的內應力造成焊件最終的焊接變形。從筒體機匣的結構情況看，選擇先進的焊接方法電子束焊接。電子束焊接以其高功率密度、焊接熱輸入量小、焊接變形小、焊縫深寬比大、焊接接頭無氧化、焊接后殘余應力小和焊縫質量好等特點。針對此零件的結構特點，焊接部位大于4mm的鈦合金焊接，符合電子束焊接的要求，能最大程度地發揮電子束焊接的優勢，電子束焊的熔深比一般為5：1到10：1，是普通熔焊方法幾十倍[2]。

2.2 焊接參數確定

通過對材料的分析，選取與零件技術條件、狀態、厚度與正式零件相同的TA15零件進行焊接參數試驗，參數試驗在焊接前進行，焊接試片的表面狀態與實際零件相同，經多次調整焊接參數，確定如表3的焊接參數。

2.3 主要工藝流程

零件成形的精度，主要取決于零件的下料尺寸，預留滾床成形壓邊余量計算展料尺寸；激光或水切割下料，預留滾床成形時壓邊100mm以上；四軸滾床成形；銑加工去除彎曲時預留的工藝壓邊，保證零件對接口位置母線向心，截面厚度等于料厚；鈦合金焊接前酸洗；氬弧焊定位，定位焊后采用氬弧焊接或電子束焊接，焊接中定位時用專用高強度剛性夾具夾緊；焊后無損檢測；不帶型面面的零件直接采用真空熱定形的工藝完成零件的成形，帶型面面的零件采用氣脹加熱定形的綜合工藝方法。

2.3.1 筒體氣脹成形

如何確定氣脹成形的溫度，是筒體氣脹成形工藝能否成功的關鍵問題。溫度不夠，材料沒有明顯的超塑性，筒體直段無法有效成形；溫度過高，有可能造成TA15材料的晶粒粗大，降低材料強度，影響零件使用。TA15板材熱處理溫度為850℃，于是我們將筒體氣脹成形溫度確定為850℃；在這個溫度時TA15材料既有很好的塑性，組織性能又保持不變。

氣囊材料和氣脹壓力的選擇，對筒體氣脹成形也是至關重要的。以往薄壁鈦合金筒形件氣脹成形時，氣囊材料大都采用08F，厚度0.5mm，氣脹壓力為0.3-0.5MPa。對于TA15厚板材的氣脹成形，我們選擇1Cr18Ni9Ti材料，厚度1.0mm板材作為氣囊材料，氣脹壓力選為0.8MPa。

氣脹成形夾具結構見圖2，此夾具由內壁、外壁和氣囊等組成，在氣脹爐中采用高溫利用氣囊的壓力對筒體直段進行成形。

2.3.2 筒體氣脹成形后熱定形

筒體氣脹成形只是將直段進行初成形，要想達到筒體設計尺寸，還需要對筒體進行真空熱定形。熱校形的原理是根據鈦合金材料高溫塑性好，線膨脹系數較小的特點，采用某種高溫剛性較好，線膨脹系數較大的材料制成一個內胎，該內胎在常溫下能夠自由地裝進已變形的鈦合金零件內，而在高溫時，恰好與零件在高溫狀態下的理想內形面吻合。將該胎具在常溫下裝進零件，一同放進正空爐內，隨著溫度的升高，因胎具的線膨脹系數較鈦合金的線膨脹系數大，使零件零件受到胎具膨脹而產生的壓力，發生塑性變形至理想狀態。當零件和胎具一同降至室溫時，此熱塑性變形保持下來，從而達到零件成形或校正零件變形的目的。筒體熱定形胎具結構見圖3。

該熱定形胎具全部采用1Cr18Ni9Ti材料，利用材料熱膨脹原理可以在750℃下對筒體進行熱定形，使筒體內徑達到設計要求。

3 結果討論與分析

鈦合金中厚板材加工筒形件，往往采用熱成形1/2或1/3進行加工，如果零件較大，分瓣會相應增加，并且熱成形加工時氧化問題不可避免，同時分瓣成形后給焊接帶來很大難度，焊接后需要對零件進行多次熱定形，能源浪費、成本較高。我們采用預留滾壓壓邊、數控四軸冷彎成形、電子束焊接、氣脹成形、真空熱定形工藝、機械加工大小端直徑的工藝路線，完成零件的成形及加工，零件加工后滿足設計圖紙及組件的焊接要求，本加工路線對帶型面的厚筒形件進行成形嘗試，取得了很好的效果，同時節省了龐大的熱成形、熱校形工裝。鈦合金中厚板筒形件成形的成功研制和新工藝的應用，為鈦合金鈑焊加工拓展了新的空間。

參考文獻

[1]呂春光，邱明星，田靜，等.航空發動機外涵機匣結構建模方法研究[J].航空發動機，2012，38（1）：29-32.

[2]賈鐸，高雷，高東武.穿過外涵機匣的管路結構設計[J].航空發動機，2015，41（3）：36-38.

作者簡介：劉曉娟（1976-），女，遼寧，高級工程師，從事焊接結構件加工技術研究十五年。