钛合金型材冷拉伸技术钛合金材料

航空领域常用的铝合金由于焊接强度很低，不可能采用常规焊接方法将铝合金型材与铝合金薄蒙皮焊接成轻型的铝合金整体壁板，因此通常采用机械加工方法，将厚铝板整体切削成铝合金整体壁板，这就导致结构重量较大，而且材料利用率特别低。与强度低、耐热性差的铝合金相反，钛合金恰恰具有高强和耐高温的优点，因此越来越多地取代铝合金用作飞机材料。但是钛合金材料价格昂贵，且加工难度大。

60年代前后，由于工艺方面的限制，钛合金整体壁板也是用厚钛板机械加工而成，当时从价格和重量对比看，钛合金都不具备优势。之后，钛合金热成型技术得到发展，但是使用这种技术需要加热及热处理设备，加工精度差，生产效率低。因而，只有采用钛合金冷成型技术才是理想的方法。但是，一直到今天，钛合金型材件冷拉伸成形都是世界各国公认为不可能实现的技术。之所以有此观点，主要原因就是作为冶金材料拉伸成形，钛合金材料的屈服点强度与最大强度之间差距很小(均小于10%)，而一般拉伸机床操作过程中其拉力变化至少在20%以上，所以采用拉伸机床成形，钛合金必断无疑。世界上一直无法在常规型拉机床上冷拉伸钛合金型材件的缘故就在于此。而受国外"钛合金不能冷拉成型"观点的影响，长期以来，中国航空工艺部门也没对钛合金冷拉技术开展过专门的研究。今年10月在美国召开的世界钛合金会议上，会议的报告目录中仍未见有关于钛合金冷成形内容的报道。

航空工业领域年近八旬的退休老专家许季昌于1952年毕业后开始进入航空工业领域工作。1954年，他在听了航空领域著名专家昝凌到英国出差回国后的一次报告时，了解到当时英国飞机制造厂仍在使用19世纪制造的冲压机床，便认定未来冲压机床必定会有巨大发展空间。之后，许季昌向上级汇报了想去从事具体的冲压机床设计工作，以实现参与此未来大发展的愿望。1958年，九所(625所前身)在飞机研究室成立了冲压机床设计组，许季昌被调入该组工作。

在此后的工作中，许季昌逐渐意识到铝合金的焊接性能已限制了它的发展，铝合金材料将被取代，而能取代它的最佳金属材料必是钛合金。钛合金焊接性能很好，如果用钛合金薄蒙皮与钛合金型材零件焊接成轻型钛合金整体壁板，那将大幅度减轻机身重量。

尽管很多人都认为钛合金型材零件是不可能冷拉成形的，但是许季昌却不信，在仔细分析研究了材料冷拉工艺必须具备的性能，并查阅和研究了钛合金的技术性能后，他认为在特定条件下，钛合金型材件必定能冷拉成形。钛合金型材冷拉伸成形如果成功，必将为提高飞机性能创造极有利的条件，于是钛合金型材件冷拉成形技术就成为成了许季昌几十年不断为之奋斗的目标。

为了实现钛合金冷拉成形这一技术梦想，许季昌在完成机床设计等本职工作之余，不仅钻研了老本行的机械液压技术，还努力学习数字电子控制技术，专心探索成形钛合金型材零件将会出现的工艺技术难点和相应解决方案。考虑到钛合金冷拉的需要，从1965年开始到1980年，许季昌研制成了世界上第一台能在钛合金型材件冷拉时进行控制的变形量自动控制系统(获航空工业部科技二等奖)，并安装在了由他主持设计的XL-1转台式型材拉弯机上，打开了钛合金型材冷拉伸成形技术的成功之门。文章开头所提到的试验，就是在他设计的XL-1转台式型材拉弯机上进行的，几十年过去了，这台机器还在工作。

钛合金

钛合金TC4材料的组成为Ti-6Al-4V，属于(a+b)型钛合金，具有良好的综合力学机械性能。比强度大。TC4的强度sb=1.012MPa，密度g=4.4*103，比强度sb/g=23.5，而合金钢的比强度sb/g小于18。钛合金热导率低。钛合金的热导率为铁的1/5、铝的1/10，TC4的热导率l=7.955W/m·K。钛合金的弹性模量较低。TC4的弹性模量E=110GPa，约为钢的1/2，故钛合金加工时容易产生变形。TC4(Ti-6Al-4V)和TA7(Ti-5Al-2.5Sn)钛合金，采用两种注入方案进行表面改性，试验表明，钛合金经离子注入后，提高了显微硬度，显著地降低了滑动摩擦系数，有效地提高了耐磨性。为探明其改性机理，对注入与未注入样品进行了X射线光电子能谱(XPS)分析，获得满意的结果。