铝、钛合金锻件在航空工业生产中占有重要地位，作为主要承力构件，其组织性能直接关系到飞机的使用寿命和可靠性，另外铝、钛合金锻件生产是飞机和发动机制造中的重要环节，一些结构复杂、技术质量要求高的大型锻件价值昂贵、研制周期长，在整机的零件总数中所占比例大，直接影响飞机和发动机的研制周期和成本，影响航空产品的质量。欧美发达国家对铝、钛合金锻件成形技术均进行了长期深入研究，开发出一系列先进合金和先进加工工艺技术，如液态模锻、精确轧制、等温锻、准β锻工艺等，各种新工艺、新装备也得到了日新月异的发展，为这些国家航空装备的发展奠定了关键性的技术基础。

应用现状

目前在航空工业中，形成以铝合金为主，钢用量不断减少、钛合金用量显著增加的趋势，虽然复合材料在承力件上得到广泛、大量应用，但现阶段，在先进材料的渐进演化式应用准则前提下，传统铝、钛金属材料仍大有作为。在战机性能不断提高的发展需求牵引下，我国战斗机的钛用量也在不断扩大，20世纪80年代开始服役的歼八系列的钛用量仅为2％，新一代战斗机的钛用量达到15％，更新一代的高性能新型战斗机的钛用量将达25％～30％。

变形铝合金

铝合金耐腐蚀性好、密度低，具有比较高的比强度、比刚度，是飞机结构的理想材料，目前，铝合金在军用飞机上的使用量为15%～50%。近年来通过调整合金成分、提高合金纯洁度，引入新的热处理制度，发展新型高损伤容限型高强铝合金、耐蚀铝合金、高温铝合金和高性能Al-Li合金等。尽管受到钛合金、复合材料的挑战，铝合金在飞机结构材料上仍具有不可取代的优势。近年来美国开发了新型铝合金7085，用于A380翼梁和翼肋，与制造超厚板材和大型锻件用的传统材料相比，7085强度更高，抗损伤性能更好，使A380的重量明显降低，同时降低了成本，被各国广泛看好。

变形钛合金

20世纪50年代航空发动机进入喷气发动机时代，由于钛合金具有比强度高、使用温度范围宽（-269～600℃）、抗蚀性好等特性，因此很快被用于飞机及航空发动机。1950年，美国采用工业纯钛制造F84战斗轰炸机的后机身隔热板、导风罩和机翼罩等非承力构件，这也是钛合金在航空领域的首次应用，之后钛合金在航空领域的应用得到了迅猛发展，人们将钛称为继钢和铝之后的“第三金属”，显示了钛合金的重要性和广阔的发展前景。50年来的世界钛市场中最大的用户始终属于航空，当前，航空仍然占50％左右市场份额，甚至钛合金在飞机和发动机的使用量成为衡量一个国家航空工业水平的标志之一，国外先进发动机的钛合金用量比例达到25%～33%，较新型的战机如F-22全机钛合金用量达到41%。臂如在A380飞机上，钛合金的用量已经从原来占空客飞机结构重量的5%～7%增加到10%，仅发动机吊挂架和起落架的钛含量就增加了2%，这对未来飞机结构选材提出了独特的挑战，空客首次在A380发动机吊挂架主要结构上使用全钛合金材料。而我国涡喷13发动机钛合金用量仅占发动机总重量的13%，近年设计定型的昆仑涡喷发动机钛合金用量也只有15％，可见我国在航空领域的钛合金用量与西方发达国家存在明显差距。

航空铝、钛合金锻件的特点

多品种、小批量

航空工业与大规模批量生产的汽车工业有很大的不同，它的产品具有品种繁多、批量小的特点，轻金属材料主要应用于飞机的中后机身框、机翼梁、垂尾梁、接头等承力构件，发动机的盘、环、轴等零件。国内许多型号的飞机每年产量仅几十架，致使飞机锻件、发动机锻件虽然形状各异、品种繁多，却不能形成大批量生产。

高度复杂的系统工程

航空锻造不仅追求外观、形状尺寸，还要求严格的内部组织，锻件涉及材料技术、锻造技术、热处理技术、液压机电等分系统，各系统之间要很好协调配合生产，才能得到组织性能优良的锻件。

高昂的成本价格

随着航空飞机、发动机技术的发展，航空大量选用价格昂贵的钛合金等难变形材料制作锻件，一些技术质量要求高的大型锻件的研制周期长、价值昂贵，锻件制成的零件在整机的零件总数中所占比例大，成本高，直接影响飞机和发动机的研制周期和研制成本，如Ti40钛合金材料，约1000元/kg。

高可靠性和高风险度

由于航空产品是一种要“上天、载人”的产品，对产品质量有严格的质量控制要求，其组织和性能直接关系到使用的可靠性与寿命。同时，因航空难变形材料锻造特点，如锻造生产控制不当，极易出现质量问题而报废。因而，航空锻件属于高风险、高难度的产品。

锻造工艺技术及实例

在飞机机体构件中，铝合金主要用于框梁类锻件，主要采用普通锻造和等温锻造两种方法制造。铝合金的框梁结构件由于其筋肋的高宽比较大，尺寸大、形状相对复杂，故而所需的锻压设备主要采用变形速度较慢的液压机进行锻造。

与铝合金和合金钢相比，钛合金的锻造是相当困难的，特别是采用传统的锻造技术，因钛合金锻造加工窗口较窄，对锻造条件的要求相对苛刻，其组织性能受锻造温度、应变速率及模具温度的影响非常明显。钛合金的变形方式有锻压、挤压、轧制等，环形件一般可采用环轧方法生产。

无论采用何种锻造方法，其共性都是使金属在一定温度下发生塑性变形，锻造温度、变形量和变形速率是锻造的三个主要工艺参数，特别是在锻造的最后一到两火的变形对钛合金的组织和性能的影响最大。在实际的钛合金锻造过程中，除了合适的锻造方法及变形工艺参数外，还要严格控制坯料的加热，模具的加热，锻造时的润滑等环节。近年来，钛合金的等温锻造、超塑成形/扩散连接等工艺得到了快速的发展和应用，等温锻造工艺采用慢速变形，可锻出形状复杂、尺寸精度高的锻件，不仅组织和性能稳定，而且节约了原材料，从而提高了材料的利用率，降低了生产成本。

精密成形工艺

⑴环形件异型截面精密轧制工艺。近净形成形工艺技术之一，通过对坯料组织控制、环坯几何形状、变形量的分布和流变规律，异型截面轧制模具的设计技术的研究，使环锻件的金属流线基本沿零件外廓分布，极大地降低了材料、工时消耗，缩短研制生产周期，提高零件的综合性能。该技术广泛用于发动机TC4、TC11、TA7、TA19钛合金的机匣、安装边、密封环等环形件。

⑵等温锻造、超塑性成形。该工艺是利用金属在一定的组织结构、变形温度和恒应变速率条件下具有超塑性的特性，金属在超塑性状态下变形抗力大幅度下降(例如，某些金属降至1/3～1/5，甚至更低)，流动性大大提高，可以用较小的锻压设备模锻出形状复杂和精密尺寸、组织细小均匀的锻件，可使锻件精化，提高锻件材料利用率。采用超塑性等温锻造是当前及今后一段时期内生产航空锻件最为可靠的关键工艺技术。特别是在大型钛合金结构件、整体叶盘的大量应用情况下，等温锻造、超塑性成形不失为一种低成本的新途径，实践经验表明，采用一万吨等温锻液压机锻造1～2m2的大型钛合金结构件是完全可行的。

国内某专业化锻造厂生产的国内最大的铝合金等温锻件，整体框架结构投影面积达到1.5m2,筋高而薄，普通模锻成形困难，采用等温锻成形充填饱满，完全符合设计要求。

⑶近等温锻造。由于等温锻造需要价格昂贵的模具投入和较低的使用寿命，对设备具有严格的应变速率控制要求，生产效率较低，成本较高。为克服坯料在变形过程中的冷模效应，提高锻件组织性能的均匀性，对于形状相对简单的发动机盘、轴类锻件大都采用近等温锻造的方式进行变形。近等温锻是将模具加热温度比坯料锻造加热温度低30℃～80℃，不需预制具有完全超塑性特性的坯料和严格的设备的速率控制要求，模具使用温度的降低，可以使得模具选材广泛、模具寿命提高，变形速度接近于常规的液压机普通锻造，因而生产效率较高。

国内某专业化锻造厂生产的TB6钛合金近等温锻件，毛料重量达440kg、直径达φ915㎜，为国内最大的直升机桨毂钛合金锻件,锻件结构、尺寸及各项性能指标均满足新型直升机设计和使用要求，达到了国外同类产品先进水平。

铝合金锻造新工艺

在铝及铝合金锻造技术上目前已研制开发了大量锻造新工艺、新技术，如液态模锻、等温锻造、粉末锻造、多向模锻、无斜度精密模锻等，对简化工艺、减少工序、节能降耗、提高品质、提高质量和生产效率、保护环境、减低劳动强度、提高经济效益等方面发挥了重大作用，为制品尺寸和组织、力学性能控制提供了可靠保证。

钛合金锻造新工艺

航空用钛合金锻件由于要求其具有组织均匀、晶粒细小、高强高韧、流线完整的特性，同时根据零件的不同用途而具有不同的组织和性能特征，因此，对于航空用钛合金锻件来说，其锻造工艺除了常规的两相区普通锻造外，还创新了多种锻造工艺方法：

⑴高低温交替反复镦拔制坯工艺技术，是在高温区（β相区）加热并变形，得到均匀细小得新β晶粒和破碎的晶界，低温区加热和变形得到晶内得均匀细小的等轴组织。此工艺主要是用来将粗大组织的坯料制成组织均匀、晶粒细小的等轴组织的锻坯，给后续的成形储备良好的组织状态，此工艺技术在各类钛合金的制坯都得到了应用，特别是对于发动机压气机盘、轴类转动部件的大型锻件的生产。

⑵β锻造：在相变点以上Tb+30℃～50℃加热锻造，锻后采用空冷或水冷，得到网篮组织(α片+β转)，其特点是锻件室温塑性较低但断裂韧度、高温性能好，如TC17、BT25等压气机盘；β锻造的优点是锻造过程中坯料工艺塑性好、变形抗力低。b锻造需要严格的控制工艺，避免不均匀的变形和晶粒的过度长大。

⑶准β锻造：将坯料的加热温度定在Tb+（10～30）℃进行变形，其旨在得到综合性能较好的网篮组织，可控制钛合金低倍晶粒度，解决网篮组织塑性偏低的难题，改善合金的综合力学性能。如TC6、TC18、TC21合金飞机结构件锻件采用了此锻造工艺生产。

⑷近β锻造：坯料在Tb-（10～20）℃内加热后变形，旨将相变、形变热处理、强韧化理论结合，得到由20%等轴α、50%～60%条状α构成的网篮和β转变基体组成的新型微观结构——三态组织。其特点是不改变合金成分，而是基础理论研究与实际应用相结合，通过工艺途径发展新型组织来充分发挥和挖掘材料性能潜力、提高使用温度，目前主要用于TC11合金压气机盘的生产。

⑸双性能盘锻造工艺：通过研究热工艺参数对TC11、TC17钛合金显微组织的影响、显微组织与高温性能的定量关系，优化热工艺参数，获得双重组织的盘件：轮缘为网兰组织、腹板和轮毂为等轴组织，满足整体叶盘轮缘、轮毂工作温度和性能侧重差异的要求。

节选自《锻造与冲压》2010年第二期