高品质大型复杂模锻件助力航空工业腾飞

王卫红 张 鹏 袁武华 景绿路

为提高飞机结构强度和刚度、减轻产品重量、缩短装配时间、提高生产效率、降低制造成本，从第三代飞机开始大量采用整体框、梁等整体结构设计。大型模锻件成形精度较高、金属流线随形、综合性能优良、机加工余量相对较小，一直广泛用于飞机起落架、加强框、大梁等主承力结构零件。近几年，伴随着大型模锻装备的投入使用及相关技术条件的完善，飞机结构用大型复杂模锻件已经从早期基于手工控制的普通模锻件，发展到基于程控压机锻造的高品质模锻件，模锻件的形状尺寸、综合性能、质量稳定性和可靠性等均有了巨大提升。

基于手工控制的普通模锻件逐渐被淘汰

在8万吨等大型模锻压力机投入使用之前，国内生产的飞机结构用模锻件最大投影面积不到0.7平方米，压机能力及模锻件尺寸是飞机主承力结构设计时必须考虑的一个重要限制因素。在20世纪90年代之前，受模锻能力的限制，在歼－8等飞机的起落架外筒、机身加强框、翼梁等关键结构件上不得不大量采用焊接或机械连接，制约了飞机寿命的提升。模锻件所用低合金超高强钢及2A70和7A04等铝合金，对锻造工艺窗口的控制要求不高，性能要求主要是抗拉强度和屈服强度等静强度指标，以及断后伸长率和断面收缩率等塑性指标，对组织性能的均匀性和一致性没有明确要求。

20世纪90年代，利用100吨米对击锤等模锻设备，成功研制了300M钢飞机起落架外筒整体模锻件，为实现起落架与飞机机体同寿命的目标奠定了基础。本世纪，又成功研制了TA15、TC4、TC21等钛合金框梁，以及A100高合金超高强度钢起落架外筒等难变形材料大型复杂整体模锻件。

以100吨米对击锤锻为代表的普通模锻件虽然满足了飞机设计和制造的基本要求，但是，受设备能力限制，锻件成形不得不采用多火次、小变形、形状渐变式的自由锻制坯和模锻工艺，形状复杂的大型模锻件锻造火次多达20次以上、生产周期长达40天以上。由于制坯和模锻过程依靠手工控制和操作，工艺参数可控性差，不同批次或同一批次不同锻件的锻造火次、变形量、尺寸、组织和性能等均存在较大差异，锻件欠压量变化高达10～20毫米，抗拉强度等力学性能波动一般在5%～10%，难以满足飞机结构件性能稳定性和一致性控制要求。并且，由于控制精度不高，模锻件设计余量较大，大型复杂形状模锻件的材料综合利用率一般小于5%，加之制造周期长，零件的制造成本居高不下。

同时，由于工艺过程中各影响因素难以实现有效控制，基于数值模拟的工艺设计和优化应用十分有限，工艺设计高度依赖基于经验的技术诀窍，新锻件研制不得不通过多轮次试模和工艺试验来确定模具和工艺方案。对于钛合金、高合金超高强度钢等材料价格较高的大型模锻件，多轮次试制导致的高试制成本限制了模锻件的大范围应用。

基于程控压力机的高品质模锻件迅速得到应用

20世纪80年代，国外先机战斗机和大型民用客机结构件已经普遍采用基于计算机程序控制的专用大型压力机生产的整体模锻件，如美国F-18E/F和F-22战斗机主承力钛合金框全部采用整体模锻件。生产飞机结构用大型模锻件的专用液压机已经成为航空制造技术综合实力的标志之一，美国、法国、俄罗斯等航空制造强国早已拥有4万吨以上专用模锻压机。

2010年以后，我国相继建成了4万吨、8万吨等多台大型模锻压力机，促进了新一代模锻技术和高品质模锻件的快速发展。以世界上压力最大的8万吨模锻专用压力机为代表的大型压机具备了锻压过程计算机程序控制能力，保证了模锻过程的一致性，彻底解决了普通锤锻欠压量变化造成的模锻件尺寸和重量波动问题。利用简单形状棒坯或板坯等预锻成突变式复杂形状预制坯的短流程技术，替代自由锻模式下的形状渐变式制坯方式，不仅大幅度减少了锻造火次，将锻件生产周期缩短到30天以内，而且有效避免了坯料的无变形空烧，为获得组织均匀的模锻件、实现对纤维组织的级差控制奠定了基础；利用设备的超强锻压能力，采用亚高温模锻技术，大幅改善了难变形合金模锻件的综合性能；利用有限元分析，采用DEFORM、FORGE等软件仿真计算，实现了对锻件温度场和应变场的预测，增加了对模锻件组织和性能的控制能力，提高了锻件组织和性能均匀性，有效减少了模锻件试制工作量，锻件试制周期可以减少三分之一以上。

目前，在8万吨等大型模锻压力机上，已经成功研制了投影面积达到5平方米的钛合金整体框模锻件，钛合金、高合金超高强度钢、超高强度铝合金等飞机结构用高品质大型复杂模锻件研制达到了世界领先水平。高品质大型模锻件形状尺寸精确，欠压量波动小于1mm；组织性能均匀一致，同一模锻件不同部位的抗拉强度波动范围控制在3%以下，不同批次间抗拉强度波动小于5%；材料综合利用率提高一倍以上，有效减少了后续机加工量，零件的综合成本显著降低。

未来一段时间，高品质模锻件的装备升级和技术提升方向主要包括：模锻全流程可视化和智能化，模锻件组织性能、残余应力的仿真预测与控制，长寿命模具开发与应用，具有可设计性、可靠性高、施工简便、易于清理的环保型多功能新型复合润滑膜材料的研制和应用等。

基于多成形技术融合的性能可设计模锻件研究开始起步

增材制造、智能制造等新技术的快速发展，对传统的模锻件制造工艺形成了巨大挑战，同时也为模锻技术的发展带来了新的机遇。充分发挥模锻既有优势，与新技术融合，实现工艺创新，是模锻技术发展的主要方向。对于飞机结构用大型复杂模锻件，发展性能可设计的多性能模锻件，可以拓展结构设计师的设计空间，更好地满足飞机设计对零件性能的要求。结合现有新技术、新工艺，通过多种技术融合获得性能可设计的多性能模锻件主要有两条技术路线：

（1）熔合锻造技术。将模锻技术与增材制造技术相结合，通过增材制造辅助局部制坯加整体模锻，或模锻件局部增材等工艺途径，实现对模锻件局部区域成分—组织—性能的设计和调控，也可以用于减少局部成形难度或坯料尺寸，提高模锻件经济性。

（2）应变场—温度场差异化调控技术。通过智能化改造，使得模锻设备可以按非线性规律控制，实现对模锻件局部变形场—温度场差异化调控，以获得需要的组织类型和性能，在多火次甚至一火次模锻中得到双性能或梯度性能。

利用这些技术，可以将模锻件试制周期缩短到普通模锻件的三分之一以内、材料综合利用率进一步提高到15%～20%、不同锻件同一部位的关键性能波动≤3%，实现首件最优、锻造全流程零缺陷的目标。

近三十年，飞机结构用大型复杂模锻件的开发和应用为保障我国各型军民用飞机的自主研制和生产做出了巨大贡献，模锻件生产装备和技术水平的提升，使得飞机结构件的设计和制造水平与国外差距快速缩小，已从望其项背、望洋兴叹，逐步实现了同一标准、同台竞技。智能制造等新技术的融合，将为飞机结构用大型复杂模锻件发展注入新的活力，满足我国新一代军民用飞机研制和生产需要。