中国新型导弹采用超塑成形技术 减重50%以上

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导读:早在上世纪60年代,在美国超声速巡航飞机计划的刺激和推动下,国外航空工业就率先开展超塑成形技术研究。70年代早期,美国洛克威尔公司首先将超塑成形技术应用于飞机结构件制造中,使钛合金结构件制造工艺发生了深远的技术变革。随后,美国的BLATS计划将钛合金超塑成形、超塑成形/扩散连接技术列为重点研究项目。此后,由英国国防部投资的“战斗机验证计划”(EAP)中,BAE公司完成了先进超塑成形/扩散连接结构制造和试验的研究项目,为EAP验证机提供了龙骨组件等多个部件。在发动机领域,超塑成形/ 扩散连接组合工

早在上世纪60年代,在美国超声速巡航飞机计划的刺激和推动下,国外航空工业就率先开展超塑成形技术研究。70年代早期,美国洛克威尔公司首先将超塑成形技术应用于飞机结构件制造中,使钛合金结构件制造工艺发生了深远的技术变革。随后,美国的BLATS计划将钛合金超塑成形、超塑成形/扩散连接技术列为重点研究项目。此后,由英国国防部投资的“战斗机验证计划”(EAP)中,BAE公司完成了先进超塑成形/扩散连接结构制造和试验的研究项目,为EAP验证机提供了龙骨组件等多个部件。在发动机领域,超塑成形/ 扩散连接组合工艺已经成为重要结构制造的关键工艺。1984年,英国罗·罗公司开始率先采用超塑成形/扩散连接技术研制钛合金宽弦无凸肩空心风扇叶片取代了蜂窝结构,使叶片重量减重15%,大大改善了叶片的气动特性。可以说,美、欧等国的大型国防研究计划对于超塑成形、超塑成形/扩散连接技术的发展起到了至关重要的作用,尤其近年来先进武器装备作战性能要求越来越高,促使钛合金超塑成形整体结构在飞机、发动机、导弹、舰艇等工业领域的应用不断扩大,显示出旺盛的生命力,在已获得的工程应用领域内产生了巨大的技术经济效益。


1980年,中航工业制造所技术人员在翻阅国外杂志的过程中,了解到了一门新的工艺技术——超塑成形技术。该项技术自发明起,短短几年的时间里迅速在欧美大型飞机、发动机公司中蓬勃发展。这对于当时并不景气的国内航空制造业而言,燃起一个新的希望。所领导与技术人员共同探讨、慎重考虑后,确定组建超塑成形/扩散连接技术研究小组。小组成立之初只有几人参加,没有专用设备,更没有相关的技术文献可以参考。年轻技术人员凭借对新技术的一腔热血和执着开展了研究。对当时仅有的一台压力机床进行改装,自行研制添加了设备液压系统、加热系统以及气源系统。由于当时国内耐火材料研制水平不高以及研究经费的限制,使超塑成形设备的核心部件——加热平台无法采用达到国际上普遍的陶瓷加热平台要求。经过几轮讨论及试验验证最终确定采用便宜的耐火空心炉砖+电阻丝代替陶瓷加热平台,取得了较好的升温效果,直至国内自研成形设备还在沿用这种加热方式,设备升温过程稳定。就在这样一台简陋的设备上,技术人员开始了钛合金超塑成形/扩散连接技术的研究之路。经过近十年的时间,研究小组边摸索,边学习,开展了大量基础工艺试验研究,逐步掌握钛合金、铝合金、高温合金等不同材料超塑性基础性能,开展扩散连接基础工艺以及钛合金两层、三层、四层结构件的超塑成形/扩散连接技术,掌握成形规律,研制了典型结构件。90年代初,研制开发了第一个钛合金两层结构件—机翼检修口盖,与传统的焊接、铆接结构相比,重量大大减轻。随后开展某型飞机框类零件研制,研制出当时国内第一个大尺寸框结构,取代原铸造+机加制造技术。材料利用率大大提高,减重效益突出,研制过程中掌握宝贵的第一手材料性能和工艺参数数据,为后续工作开展夯实了理论基础,积累了试验经验。


1990~1995年间,国内最初开展这项技术研究的200多家研究单位都纷纷下马或转行。制造所坚持“把火种留下”,确立了“以预研为先导,以型号应用为重点,尽快实现工程化,建立我国超塑成形/扩散连接技术研发中心”的发展思路。“八五”期间,制造所负责“钛合金超塑成形/扩散连接夹层结构工艺研究”课题的主要研究工作,对三层、四层、五层钛合金夹层结构的制造工艺、力学性能进行了系统地研究,解决了夹层结构制造工艺中毛坯制备、进气、表面沟槽控制等技术难题,成功地研制了较大尺寸、内部结构复杂的各种多层空心夹层结构,相关工艺和设备研究成果分别荣获部级科技成果奖。


90年代末,国内超塑成形技术迎来繁荣发展的黄金时期。“减重”被作为新一代飞行器改良重点,同时对轻量化整体结构制造技术提出新的挑战。制造所在前期技术积淀的基础上,重点开展技术的工程化发展应用及成果转化。先后与中航工业发动机所、中航工业一飞院等单位合作开展航空发动机、飞机部件超塑成形/扩散连接制造技术研究。1995年完成某型号发动机超塑成形/扩散连接钛合金导流叶片研制,开创了超塑成形技术在我国航空发动机上应用的先河,达到了当时的国际先进水平,也确立了中航工业制造所在国内超塑成形/扩散连接技术领域的领先地位。该项目荣获国家科技进步三等奖。随后又与一飞院开展某型飞机大型腹鳍结构研制,突破成形工艺路线设计、成形工艺参数优化、构件表面质量控制等关键技术,研制出国内投影面积最大的四层薄壁钛合金空心结构腹鳍,揭开了超塑成形技术在飞机中应用的新篇章。跨入21世纪,随着钛合金高能束流焊接技术的不断发展,超塑成形/扩散连接与焊接(激光焊、电子束焊)复合工艺技术成为超塑成形技术发展的新方向。复合技术利用焊接技术优势,既可以克服钛合金原始板材及成形设备尺寸限制,研制出大尺寸飞机壁板类构件,又体现了超塑成形/扩散连接技术优势,充分实现构件的结构减重。大型飞机壁板类构件的发展,将钛合金超塑成形/扩散连接技术应用拓展到一个全新的发展阶段。与此同时,铝(锂)合金、钛合金搅拌摩擦焊接与超塑成形复合工艺技术研究也在如火如荼地开展,为专业技术在未来飞机、发动机大型构件中的发展应用奠定技术基础。除此以外,2007~2010年间,制造所先后开展多型钛合金超塑成形/扩散连接导弹制造技术研究,采用超塑成形技术研制某型导弹舵翼面产品,实现减重50%以上,有效填补国内空白。研制过程中形成“设计—制造一体化”的研制思路,协同设计的零件不仅能够满足使用性能指标要求,而且还具备良好的工艺性和可操控性。


近年来,面对大飞机和发动机发展的迫切需求,国内先进材料及制造技术迎来了新的挑战。这也给制造所超塑成形技术带来了新的发展机遇。这种利用材料自身属性在特定环境中使零件成形的方法势必在未来发展中焕发勃勃生机。

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