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“吹糖人”助力大国之翼

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发表于 2018-10-11 14:08:13 | 显示全部楼层 |阅读模式
【文/ 科工力量专栏作者 高航】
近日,某央企的一则公开报道引起了大家的关注。报道称,某工厂接到为某项目配套的S型排气管的尾段的研发制造工作之后,克服了该零部件体型硕大、结构复杂、内胆内腔成型要求高以及工装刚性不足等诸多困难,最终圆满完成了预定任务。

这是我国首次试制成功此类大型复杂零部件,不仅完成了某项目的配套任务,还显著提升了我国在此领域的研发制造能力。该零部件的形状和结构大致如下图所示。
这是典型的S型排气管
那么如此庞大复杂的钛合金薄壁结构是怎么制造出来的呢?该报道只是语焉不详的提到了“先制造出分段,再用激光焊连接成成品”,而对分段是如何制造只字未提。然而只要对公开资料稍加查阅便可知道,生产制造此类大型复杂钛合金薄壁零部件,最高效而又廉价且能做到近乎无余量制造的方法便是“吹糖人”——也就是采用超塑成形/扩散连接(以下用英文缩写SPF/DB表示)技术。

所谓超塑成形(SPF),就是利用材料的超塑性(superplasticity),用模具挤压材料,实现型腔成型的一种制造技术。早在上世纪20年代,人们便发现某些合金材料在特定温度下有着异乎寻常的伸长率(也就是可以容忍非常巨大的变形而不发生破坏),而普通金属材料在此情况下不是被拉断,就是产生明显的缩颈效应而无法使用,这就是所谓的超塑性。

事实上,对于几乎所有的金属材料,只要具备特定的显微组织,并且温度和变形速率满足一定的要求,超塑性是普遍存在的。但是对于大多数金属而言,出现超塑性的温度范围太窄,无法实际应用。但是钛合金却是一个例外,而它正好又是航空航天工业广泛应用的材料,因此从上世纪60年代开始,钛合金的超塑成形技术就开始了蓬勃发展。

超塑成形原理示意图
而所谓的扩散连接(DB),是指相互接触的材料表面在温度和压力的作用下局部发生塑性变形,原子产生相互扩散,在界面接触处产生扩散层,从而实现连接的技术。通俗一点说,包饺子或者包包子的收口工作就是典型的扩散连接。而扩散连接的这一特性,使得它成为了超塑成形技术的最好搭档,比如当制造多层结构的时候,可以一层一层的超塑成形,然后每层之间使用扩散连接固定在一起,这样既能提高效率,又能有效降低整个结构重量(我们的一个邻国的航空航天产品之所以摆脱不了傻大笨粗的形象,一个关键的原因就是因为他们没有掌握大型复杂零部件的SPF/DB技术,从而无法大幅降低多层结构的重量)。所以这两种技术通常情况下是联用的,SPF/DB也就成了一个专有名词。

之所以要用“吹糖人”来形容SPF/DB,就是因为吹糖人之所以可以实现,正是利用了麦芽糖在一定温度下的超塑性,从而使得操作者可以随意塑造出各种形象,并且利用扩散连接原理把需要连接的地方粘合上。

当然,钛合金的“吹糖人”技术肯定比麦芽糖的要复杂很多,尤其是对于大型复杂零部件的制造更是如此,需要克服的技术难题包括但不限于超塑成形模具设计和制造、工装设计、尺寸精度控制和表面质量控制等。

因此,真正掌握该技术的国家寥寥无几。美国和英国在上世纪70年代就掌握了该技术,F-15和F-22等多种型号的飞机上都大量使用了钛合金SPF/DB零部件,美国和英国的多型先进航空发动机的钛合金风扇叶片也采用了SPF/DB工艺。而我国从上世纪70年代开始便致力于SPF/DB技术的研发及其产业化工作,先后有十几所高校和科研机构投身其中,最终,哈尔滨工业大学团队的SPF/DB技术成功产业化,成为了我国制造技术进步的重要推手。

虽然起步稍晚,但经过四十余年的长足发展,我国的SPF/DB技术已经跻身世界先进行列。如航天科工集团飞航技术研究院下属的航星公司已经能做到一模两件的生产模式,在生产效率翻番的情况下,生产成本降低了30%以上,并且因为SPF/DB成型时间较短,受热时间也较短,因此产品基本上不会出现晶粒粗化,并且可以有效控制回弹变形,尺寸1500mm左右的大型薄壁零部件的尺寸精度可控制在0.3mm以内。

为了满足某高新飞行器的研发制造配套要求,航星公司还牵头研发了国内首台大工作台面超高温柔性数控三工位超塑成形设备并于2017年取得成功。

该设备的工作台尺寸达3000mm×2000mm(世界第二,仅次于美国的3600×2400mm),最高工作温度达1200℃,最大成型公称力达20MN。此前此类大型核心设备只有美国掌握(英国用美国设备),且对我禁运,因此这一设备的研发成功使得我国的SPF/DB设备达到了世界一流水平,打破了美国在该领域的垄断。

航星公司自主研发的超塑成形设备(图片转载自航天科工集团飞航技术研究院官方微信公众号)
而此次我国成功制造出大型钛合金S型喷管,则标志着我国的SPF/DB技术再上层楼,拥有了对更复杂的零部件的加工能力。

更为值得一提的是,SPF/DB技术不光在航空航天制造领域大放异彩,在民用制造领域也同样可以大显身手。我国高铁车体的铝合金“瓦楞纸”三层结构便是SPF/DB的杰作,这样的结构在保证强度的情况下大幅降低了结构重量,从而做到了整个车体的轻量化。在此需要指出的是,铝合金的超塑性温度范围远比钛合金的要窄,因此铝合金的SPF/DB技术一直是国际工业界的难点和痛点。这就是目前世界上只有我国有能力制造出如此轻量级的高铁车体的原因。

而在为某“一带一路”沿线国家的首都定制地铁车辆的项目中,对方提出车厢内的复杂形状装饰品要使用钛合金制造(以彰显该国的经济实力),其他竞标企业对此都无能为力,唯有中车集团凭借SPF/DB技术轻松中标,拿下了这一大单。

如今,从航空到航天,从高铁到汽车,SPF/DB这一“吹糖人”技术正在越来越多的助力我国的产业升级。这一系列重大成就,让我们对我国的SPF/DB技术从世界先进水平发展到世界领先水平的那一天充满期待。

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