航空铝合金锻造及常见缺陷分析

航空铝合金锻造及常见缺陷分析

任瑶

蒂森克虏伯罗特艾德 ( 徐州 ) 环锻有限公司

摘要：本文介绍了当前的锻造领域，并详细介绍了属于精密锻造型的航空铝合金型材在锻造生产中的两种新技术应用，即等温锻造和冷锻。它的关键包括这两个生产过程的基本知识、优缺点、机械设备和模具的规定以及它们各自的发展趋势。最后要强调的是，在现阶段，我国必须积极发展等温锻造和冷锻技术，提高我国航空航天、公路运输和汽车工业的整体水平。

关键词：航空；铝合金；锻造；缺陷

锻造生产不仅可以得到精密的机械零件，而且可以改善内部结构，改善机械性能，并且是向各个行业供应机械零件的主要方法之一。根据锻造方法制造具有高物理性能要求的机械零件，航空铝合金的锻造零件净重为80%，重型储罐的锻造零件净重为70%，车辆的锻造零件净重为60%。在电力工业中，水轮发电机组的主轴轴承、涡轮增压离心式叶轮、电动机转子和护环均通过锻造制成。因此，锻件的生产和制造在工业生产和加工中具有非常关键的影响。

一、航空铝合金锻造行业背景

航空铝合金在航空航天工业中应用特别广泛，对于生产承受交变载荷和集中载荷的飞机场和汽车发动机的重要零件至关重要，其中这些零件主要包括：汽车发动机起落架、连接器、框架、承重梁、环、盘、轴、叶片等。应用的金属复合材料主要是航空铝合金型材、航空铝合金、耐热合金和极高抗压强度的合金工具钢。锻造件的净重约占整个机身净重的20％至35％，占发动机结构净重的30％至45％，这是决策特性、稳定性的关键要素之一，因此，所有发达国家都非常重视航空锻造技术的发展和各种先进大中型锻造机械地引进。

目前，全世界每年可生产超过500万吨的锻件，航空铝合金模锻件的生产能力超过30万吨/年，随着科学技术的进步和国民经济的发展，对材料的要求越来越高，航空铝合金锻件被迫向大型一体化、高强度、高韧性和复杂的方向发展。这种需求也促进了中型和大型锻造压力机的发展。在美国，有五台悬挂式颚式压力机，压力超过300MN，其中包括两个中等压力，即450MN。在俄罗斯，有4台设备，其中包括1台750 MN以下的中压机，1650法国的650 MN中压机，我国的3台450 MN中压机和800 MN的大型液压模锻机。我国第二重型机械有限公司于2011年生产了400MN的模具锻造机，并正在为西安飞机公司制造世界上最大的800MN的模具锻造机。这可以为航空航天业带来卓越的特殊功能。铝镁合金锻件可以在2015年后形成生产能力，这可以迅速提高我国的航空铝合金锻件产能。

我国拥有大中型锻压机，锻件生产的快速发展及其前景广阔。同时，我国必须建设大型的航空铝合金锻造生产厂，例如美铝的拉斐特锻造厂。2013年，南山铝业股份有限公司董事会批准了年产14000吨大型精密模具锻造项目的建议。该项目完成后，我国将拥有仅次于美国铝业公司拉斐特锻造厂的世界第二大型航空铝合金型材锻造厂，项目总投资超过35亿元，主要生产和制造航空、电能、交通、矿山机械设备、传动设备等领域所需的锻造品。到2016年，南山铝业有限公司将成为全球整个铝产业链中最详细的公司。这表明我国已进入航空铝合金型材锻造行业的世界第一大国。

二、等温锻造技术

（一）基础知识

在常规锻造条件下，某些难以形成的金属材料，例如钛合金、航空铝合金、镁合金、镍合金、合金钢等，具有较小的锻造温度范围，尤其是在锻造薄腹板和高肋骨时。在壁部件的情况下，毛坯的热量迅速从模具中散发，温度急剧下降，抗变形能力急剧上升，塑性性能急剧下降，此时，设备的吨位显著增加，锻件容易打破。因此，由于可以在不改变工艺的情况下增加锻件的厚度和加工公差，等温锻造技术的发展很好地解决了上述问题。

等温锻造是一种最新发展的先进锻造技术，在模壳锻造的整个成型过程中，将模壳和坯料的温度加热到锻造温度。模壳和羊毛坯的温度从始至终都是相同的。整个煅烧过程和温度相对较慢，并且可以以成形速率形成（以确保有足够的时间根据整个煅烧过程引起的冷作硬化进行重结晶和软化）。在高温标准下，航空铝合金变形到较低的应变力。变形后的材料可以完全重结晶，这可以克服大部分或全部加工硬化的影响。

（二）等温锻造的优点和问题

（1）等温锻造的优势

与基本锻造相比，等温锻造具有以下优点。进一步提高了金属复合材料的延展性，降低了坯料的冷却速度或应变力，进而大大降低了原材料的抗变形能力。减少使用的机器和设备的总数。低变形率和温度控制，解决了模具制冷的缺点，部分是温度过高和变形不均匀的问题锻件的动态结晶就足够了。等温用模具锻造工艺以最佳的热规格进行，加工参数可以精确控制，因此产品具有均匀的组织，优良的机械性能，优良的金属性能。精确的锻造尺寸和小的加工公差，很少或根本没有切口。可以生产高质量，复杂的帽檐零件，从而可以大大节省原材料并降低生产成本。

由于模具的影响，减少或消除了冷却和材料变形硬化，锻造载荷小，并且锻造量大，大大减少了设备吨位，简化了锻造工艺。因此，大型结构部件和复杂形状的精密锻造是可能的。等温锻造毛坯所需的应变非常小。例如，使用5MN液压机的等温锻造可以替代传统的20MN液压机。

（2）等温锻造问题

等温过程锻造对机械和设备有特殊要求，大多数家用压力机无法执行较低的应变力操纵。在锻造之前和过程中，必须将模具壳长时间加热至高温。常见故障发生后，处理常见故障的时间相对较长，生产率降低，能耗增加。另外，模具壳的设计方案和产品成本很高，并且缺乏技术和专业的模具壳室内设计师。模具壳的原材料昂贵并且生产和加工困难。大多数模具壳都是锻造产品，其疲劳特性弱且使用寿命短，这会损害整个等温过程的合理性。

结语

等温过程锻造技术的出现促进了航空航天工业生产的发展趋势，其发展趋势在很大程度上取决于锻造设备和模壳产品的研发。如今，外国锻造公司已经可以使用等温锻造技术来生产高精度的航空航天产品。在我国，应鼓励企业积极引进优良的锻造设备和人力资源管理，其发展趋势是等温过程锻造技术，为航空航天提供高精度等温过程，并促进航空航天积极发展的趋势。

参考文献

[1] 刘静安， 张宏伟， 谢水生. 铝合金锻造技术[M]. 冶金工业出版社， 2012.

[2] 赵一平. 铝合金锻造生产技术[J]. 金属加工（热加工）, 2011(11):12-17.

[3] 王宝善. 航空铝合金锻造及常见缺陷分析[C]// 中国锻压协会. 中国锻压协会， 2015.