TRIZ理論在提高航空油管TA18鈦合金無縫管擴口率中的應用

李永林++李修勇

摘要：航空油管TA18鈦合金無縫管材的擴口率要達到60%，目前這一指標國內無法突破，我國該材料也只能從國外進口。本文基于TRIZ解決技術問題的方法和流程，從TA18鈦合金無縫管材的整體工藝技術出發，運用TRIZ工具對技術系統進行深入的分析，找到解決問題的入手點。論述運用了小人法、因果鏈分析、功能分析、技術矛盾和物理矛盾、矛盾矩陣、發明原理、知識庫等工具的過程。最后通過實踐驗證和小批量生產驗證解決了這一行業難題，并通過分析現有專利狀況，形成了專利布局圖及知識產權保護建議。

關鍵詞： TRIZ理論； TA18鈦合金； 無縫管； 擴口率

引言

TA18鈦合金管材由于其良好的綜合性能，大量用于飛機和發動機液壓及燃油等管路系統，早在20世紀70年代就在美國高科技領域軍用、航天和民用飛機上作為液壓、燃油等管路應用[1-4]。用于航空液壓管的TA18鈦合金管材要求其擴口率達到60%，而目前企業實際達到的水平為30%而且不穩定，因此本文利用TRIZ理論解決TA18合金管材擴口率低的問題，攻克這一技術難題。

1 初始問題描述

1.1 TA18管制備過程

TA18鈦合金無縫管材的生產流程：海綿鈦+中間合金→熔煉→鑄錠→鍛造→棒坯→擠壓→管坯→軋制→熱處理→成品管材。

1.2 主要問題

采用目前的工藝技術生產得到的TA18管的擴口率經測試最好水平達到30%，而且批次產品之間的擴口率測試值不穩定，無法達到協議要求的60%，造成此產品一直無法滿足用戶使用要求。

2 TRIZ解題流程

2.1 系統分析

2.1.1 因果鏈分析

圖1為導致TA18管擴口率小于60%的因果鏈，從圖中可以看出直接原因：管材表面有缺陷或組織異常；退火溫度不適宜。

通過圖3因果鏈分析，可得到的啟示方案有：①控制退火溫度保證材料的強度和塑性匹配達到最佳；②在選擇擠壓管坯時，選取尺寸均勻的，這樣組織也比較均勻一致；③加強鏜孔和表面處理，確保管材表面無裂紋和劃痕等缺陷。

2.1.2 功能分析

本研究是關于產品生產過程中的技術性能問題，而不是單純的某一個機械產品或加工制造類產品，因此沒有進行基于組件的功能分析，而是進行基于FAST的功能分析。

定義功能：制備管材（改變形狀，改變內部結構排列）

搜索可用的方法：澆鑄法、擠壓法、拉拔法、軋制法、鍛造法（旋鍛、快鍛、模鍛和自由鍛）、焊接法、機加鉆孔法、斜軋穿孔法、粉末成型法、激光快速成型法。

功能分類：熔煉澆鑄法、粉末冶金法、塑性加工法、3D打印法。

通過以上的基于FAST的功能分析發現，制備管材的方法很多，每種方法都有各自的特點，因此可以利用這些特點進行對本研究課題有利的組合和借鑒。

2.2 小人法

對TA18成品管的微觀結構進行小人模型圖的繪制，具體見圖3。圖3a為目前實際管材橫截面的微觀組織小人模型，在該小人模型圖中每個小人的大小不一樣，而且每個小人之間的排列也是雜亂無章的，每個小人之間沒有緊密結合，這樣在受到外力作用時，如擴口或壓扁時，每個小人之間由于結合力低，容易被外力突破，也就造成擴口率僅維持在30%左右，滿足不了客戶要求的60%的指標。圖3b為通過小人法得到的理想的TA18成品管橫截面的微觀組織小人模型圖，這一模型的好處是每個小人大小一樣，而且每個小人之間互相連接在一起，這樣在受到外力作用時，每個小人受力比較均勻，而且會互相之間協調和分配力，這樣能進一步提高擴口率，有望達到60%的目標。

依據小人模型圖3b，可得到的啟示為管材具有明顯的織構，工程中用軸向和徑向的塑性變形率比值來表示這一織構指數，具體被稱為收縮應變率或CSR。由于鈦合金管材方向性極強的微觀組織和顯著的晶體學織構，在工程設計液壓系統過程中可以表現出一系列優異的性能。徑向織構的管材比切向的具有更高的屈服強度和延伸率。

通過小人法，可得到的啟示方案有：①制備鑄錠時，通過調整坩堝澆注系統，得到晶粒細小的鑄錠；②通過改變熔煉方式得到有織構傾向的鑄錠；③通過鍛造+機加的方式選擇組織均勻、晶粒大小一致的管坯；④選擇擠壓管坯尺寸、組織均勻部位，在后續加工過程中，產生管材織構；⑤軋制過程中增加兩輥軋制道次，縮減多輥軋制道次，控制好Q值，產生周向織構。

2.3 理想解

系統IFR定義見表1。

通過IFR，可得到的啟示方案有：①選擇擠壓管坯尺寸、組織均勻部位，精整除去內外表面缺陷，軋制過程沿一個順序軋制；②開坯軋制和中間道次軋制都采用兩輥軋制，而且每道次軋制Q值控制在0.5～1.8范圍內，成品軋制采用多輥軋制，Q值控制在>3范圍內。

2.4 運用TRIZ工具

2.4.1 技術矛盾-矛盾矩陣

（1）原問題技術矛盾

改善：采用目前的熔煉、鍛造、擠壓、軋制和熱處理工藝技術可以得到尺寸、表面、力學性能滿足要求的TA18管材。

惡化：目前生產的工藝技術中管材表面會產生微缺陷，晶粒雜亂分布，工藝性能難以符合期望值。

（2）問題模型

對應的39個通用工程參數

改善的參數：10力

惡化的參數：31物體產生的有害因素

（3）解決方案模型

對應查看阿奇舒勒矛盾矩陣表得到參考創新原理為4個，經篩選，保留3個創新原理（表2）。

2.4.2 物理矛盾-分離原理

（1）物理矛盾：

為了高擴口率，應該多增加兩輥軋制；為了力性指標和降低表面缺陷，又不應該多使用兩輥軋制。

為了提高表面質量，應該多增加多輥軋制；為了提高擴口率，又不應該多使用多輥軋制。

（2）物理矛盾分離法：

時間分離。

（3）解決方案模型

根據10預先作用原理，可以在坯料上預先形成帶有織構的特征。這樣可以延伸出的解決問題解決方案有三個：

①鑄錠在熔鑄時形成樹狀枝方向一致的鑄態組織。

②軋制用的管坯直接用帶有所需織構的棒材鉆孔制得。

③擠壓管坯用的管坯錠具有所需的織構要求。

2.4.3 物場模型-標準解

分析目前的技術系統為效應不足，通過S2的變形，將原先的擠壓管坯改為帶有織構傾向的其他管坯，來增強效應，從而得到效應完全的物場模型。

3 結論

通過TRIZ結題中小人法的模型，找到了解決這一行業技術難題的突破口，再通過因果鏈分析、功能分析、技術矛盾和物理矛盾、矛盾矩陣、發明原理、知識庫等工具的應用，豐富了解題思路。最終選用兩個組合方案：①選用擠壓管坯尺寸、組織均勻部位，二輥和多輥組合軋制工藝；②鍛造制備特殊要求管坯，二輥和多輥組合軋制工藝進行驗證。結果兩個方案都得到了滿意的效果，TA18管材的擴口率都大于60%。

責編/劉紅偉