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航空锻件技术发展趋势:精密环轧、复杂结构件整体等温锻造、数值模拟等

发布时间:2023-01-03  来源:立鼎产业研究网  点击量: 1394 

难变形材料普及提升发动机性能,精密化、整体化加工工艺成为核心突破方向。在航空锻件中钛合金、高温合金的应用愈发广泛。发动机逐步向高推重比(最大推力和发动机的净重之比)、长寿面和低油耗方向发展,选材更多使用高比强度、高比刚度的高温合金(镍基、钴)及新型钛合金等难变形材料,这样可以提升发动机的耐高温性和抗形变能力,加强飞机在极端环境下的使用寿命。现代先进航空发动机大约有三分之一重量的关键零部件选用优质、高性能的钛合金材料,例如F-22F-35飞机钛合金用量已分别高达39%27%

航空难变形金属材料环形锻件的简要发展历程


资料来源:CNKI

航空锻件的成型技术向精密、整体、复杂、高性能、高可靠、低成本方向发展。随着高新技术武器装备向小型化、精确化、轻量化、高可靠、低成本方向发展,对结构件及其成形技术的要求越来越高。为提高航空锻件尺寸精度,减少加工余量,精密环件轧制技术得以迅速发展,目前,精密轧制的环件直径尺寸精度可达到1/1000。此外,为了进一步提高环件轧制技术效果,复杂化、整体化环件轧制技术成为未来主要发展趋势。

锻造未来主流工艺


资料来源:航宇科技招股说明书

——精密环轧技术

精确环轧技术是生产高性能无缝环件的首选工艺方法,国内企业初步掌握精密成型能力。无缝环件对于提高武器装备的性能水平、使用寿命和研发能力都有重要影响。目前工业发达国家已大量装备不同类型和规格的环轧生产线,但是我国的精密锻造技术在整个成形生产中比重还比较低,成形件精度平均要比国外低1~2个等级,因此发展难变形材料复杂异形环件精密轧制技术是国内锻件生产商的重要发展方向。

目前,中航重机在环形锻件精密轧制方面的技术居国内领先水平,并于2021年投资建设精密锻造生产线;航宇科技大型航空发动机机匣整体精密成型已成功应用于国产长江系列商用航空发动机及新一代窄体客机发动机LEAP;派克新材也掌握异形截面环件整体精密轧制技术,配备1.2m-10m多台精密数控辗环机;三角防务联合清华大学自主设计400MN大型航空模锻液压机生产线,掌握大型整体精密模锻技术。

C919的心脏—Leap发动机


资料来源:公开资料

——复杂结构件整体等温锻造技术

等温锻造技术是盘件和叶,片制造的未来技术方向,陕西宏远具备国内领先的研发优势。航空发动机涡轮盘、压气机盘、叶片是恶劣环境下服役的零部件的典型代表,对其强韧性、疲劳性能、可靠性及耐久性的要求十分严格,采用等温锻造技术可显著改善锻件的微观组织和使用性能,从而提高锻件组织性能均匀性和流线完整性。目前发达国家已广泛采用等温锻造技术生产发动机关键锻件,其航空发动机盘件中90%以上采用等温锻造技术生产。但是目前我国工艺生产的锻件重量平均比国外重10%~20%,大型锻件的材料利用率一般只有10%~15%,等温锻造工艺稳定性问题亟待解决。

我国对等温锻造技术的研究起步于20世纪70年代末期,除北京航空材料研究院、西北工业大学等科研单位参与外,诸如中航重机旗下的陕西宏远和贵州安大也参与研发。目前陕西宏远建设有省级技术中心及计算机辅助中心,在等温锻模具设计与制造、等温锻技术开发等领域具备国内领先的研发优势。

——数值模拟技术

数值模拟技术带来降本优势,国内厂商着力提升仿真工艺。锻造过程数值模拟技术是借助高速发展的计算机技术和现代数值算法,将实际的锻造过程进行模型化,优化工艺方案,从而减少原材料的损耗以减低成本。目前,有限元法等数值模拟技术在发达国家锻造领域的应用十分普遍,但是我国多数企业还是沿用传统的经验方式进行新品的试制,效率低下,成本较高。

重机、航宇、派克均着力发展数值模拟技术:重机于2021年募投于西安建设数值仿真模拟中心;派克正在研究锻造成形过程的计算机数值模拟技术,有望将环锻件的成形精度由传统的5‰~10‰提高到1‰~3‰;航宇已将数值模拟技术应用于多台阶异形截面高温合金机匣的稳定生产中。

纯钼多向锻造数值数值模拟


资料来源:CNKI

——大型复杂构件整体精密锻造技术

大型复杂构件整体精密锻造技术成为减轻锻件结构重量、降低制造成本、缩短制造流程的重要工艺,国内企业着力缩小与发达国家间差距。目前钛合金整体结构件已广泛应用于发达国家大型整体隔框锻件,国外先进军用飞机上已有40%左右的结构重量为整体钛合金构件。我国近年逐步引进万吨级以上模锻水压机推动国内工艺发展如,德阳二重的800MN模锻液压机,西安三角防务的400MN模锻液压机,包括陕西宏远锻造的360MN模锻生产线。目前,国内高端航空锻件生产商已掌握整体锻造技术,如航宇科技部分大型复杂异形环件的整体近净成形技术已达到国际同类先进水平。

国内外先进锻造技术对比


资料来源:CNKI


标签:航空锻件

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