材料設(shè)計(jì)漫談2課件

工藝創(chuàng)新在材料發(fā)展中的顯要作用材料創(chuàng)新的內(nèi)涵包含和工藝創(chuàng)新兩大部分。在滿足材料需求方面的重要作用通常不會(huì)被人們忽視或忘卻；工藝創(chuàng)新在滿足材料需求方面的重要作用卻容易被一部分人忽視或忘卻。因此，很有必要通過(guò)下面的各種典型實(shí)例闡明工藝創(chuàng)新在材料發(fā)展中的顯要作用。1塑性成形工藝的典例1.1鈦合金高低溫交替鍛造工藝●金屬材料從鑄錠開(kāi)坯經(jīng)坯料鍛造直至最終模鍛往往要經(jīng)過(guò)很多火次，每火的加熱溫度通常是從高溫遞減至較低溫度，國(guó)內(nèi)外鈦合金傳統(tǒng)的鍛造工藝也是如此。然而，鈦合金大型鍛件及其坯料的組織經(jīng)常出現(xiàn)嚴(yán)重的不均勻，俗稱“大花臉”，對(duì)力學(xué)性能不利。●經(jīng)過(guò)研究和生產(chǎn)實(shí)踐，根據(jù)全程組織設(shè)計(jì)的概念，進(jìn)行了全程工藝設(shè)計(jì)，創(chuàng)立了AHLT工藝，即從鑄錠開(kāi)坯直至最終模鍛進(jìn)行全程的統(tǒng)籌安排，其鍛前加熱溫度經(jīng)歷了“高—低—高—低”的程序，其中“高”指β區(qū)加熱，“低”指α＋β區(qū)加熱。該工藝獲得了均勻的金相組織和優(yōu)良的綜合性能。我國(guó)鈦合金盤的高低倍組織TC11鈦合金高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子，其壓氣機(jī)盤全部采用高低溫交替鍛造工藝。該“工藝研究”項(xiàng)目獲國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。迄今為止，TC11仍是我國(guó)軍用工業(yè)中年用量最大的一種鈦合金牌號(hào)，有力地推動(dòng)了鈦合金材料的發(fā)展。1.2鈦合金高溫形變強(qiáng)韌化工藝傳統(tǒng)的α＋β鍛造工藝雖能獲得較高的δ、ψ，但KIC低，da/dN快，蠕變抗力低，這不適應(yīng)損傷容限設(shè)計(jì)和高溫零件的要求。因此，國(guó)內(nèi)外均在發(fā)展高溫形變強(qiáng)韌化工藝，花樣頗多，如近β鍛、準(zhǔn)β鍛、亞β鍛、β鍛、全β鍛等，均在不同程度上提高了KIC和蠕變強(qiáng)度，減慢了da/dN，其δ和ψ雖在多數(shù)情況下有不同程度降低，但并不影響使用可靠性。這種關(guān)鍵性能上的戲劇性變化是單純依靠合金成分的改變所辦不到的。性能上的變化取決于組織上的變化，而組織又取決工藝。TA12鈦合金高壓壓氣機(jī)盤和鼓筒（采用急冷式β模鍛工藝）百花齊放的各種高溫形變強(qiáng)韌化工藝均取得良好效果和不同程度的應(yīng)用。其中以急冷式β模鍛工藝為主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)的TA12鈦合金應(yīng)用研究獲部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，而近β鍛造工藝獲國(guó)防科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)。1.3等溫、近等溫和超塑性加工工藝鈦合金材料發(fā)展過(guò)程遇到的較大困難是塑性加工溫度范圍狹窄，而且由于導(dǎo)熱性差（見(jiàn)表）而使坯料表面溫度冷卻很快，其變形不均勻問(wèn)題很難解決，相應(yīng)地組織性能不均勻和表面裂紋等問(wèn)題突出。三種材料的熱導(dǎo)率 W/(m℃)——這三種工藝在定義上是有差別的，但相互聯(lián)系很緊密，就合而言之。美國(guó)GE公司采用近等溫塑性加工工藝發(fā)展Ti-Al系金屬間化合物材料●等溫或近等溫塑性加工也促進(jìn)了難變形的Ti-Al系金屬間化合物材料的發(fā)展●一個(gè)古老的典型實(shí)例--大馬士革鋼寶刀的歷史故事早在11世紀(jì)末到13世紀(jì)末的200年里，驃悍的阿拉伯騎兵那閃閃發(fā)光、鋒利無(wú)比的大馬士革寶刀曾使東征的十字軍聞風(fēng)喪膽。鍛打?qū)毜兜蔫F坯產(chǎn)于印度，能被敘利亞工匠鍛成削鐵如泥的寶刀，但運(yùn)至歐洲讓最高明的工匠鍛造時(shí)，卻脆得無(wú)法成形。這是因?yàn)楫?dāng)含碳量高達(dá)1.5%時(shí)，雖可顯著提高鋼的強(qiáng)度和硬度，卻因形成大量脆性的滲碳體網(wǎng)狀組織而無(wú)法鍛打刀劍。寶刀雖尚能找到，鍛造技術(shù)卻久已失傳。直到20世紀(jì)60年代，美國(guó)斯坦福大學(xué)的兩位冶金師揭開(kāi)了大馬士革寶刀的秘密。原來(lái)高含量碳的加入雖會(huì)導(dǎo)致脆性，但也能阻止晶粒長(zhǎng)大而獲得超細(xì)晶粒（平均直徑為九個(gè)微米），從而在一定條件下使它處于超塑性狀態(tài)?，F(xiàn)在，這種新的經(jīng)過(guò)超塑性加工的鋼刀鋼剪已在美國(guó)和日本上市，人們?cè)谧约旱膹N房里就可一試大馬士革寶刀的鋒芒了。1.4超大變形量連續(xù)冷拉工藝●普通碳鋼的拉伸強(qiáng)度為290～590MPa，但日本在90年代將低碳鐵素體鋼經(jīng)特殊熱處理后再以99.99%變形量通過(guò)金剛石模板連續(xù)冷拉成超細(xì)纖維(1m長(zhǎng)的絲材坯料被拉成1萬(wàn)米的纖維)，這時(shí)它的拉伸強(qiáng)度竟高達(dá)5300MPa，同時(shí)又保留了鐵素體原來(lái)的塑性和韌性。這與組織的細(xì)化和缺陷的減少有關(guān)。冷拉超細(xì)纖維的直徑越小，強(qiáng)度越高。直徑50m纖維的強(qiáng)度為4170MPa，直徑15m纖維的強(qiáng)度為5300MPa。2凝固成形工藝的典例2.1金屬型精鑄工藝●美Howmet公司和P&W公司聯(lián)合推出，1991年開(kāi)始用于高溫合金，后來(lái)又用于鈦合金。●分GMM（重力金屬型鑄造）和VDC（真空金屬模鑄造）?！衽c陶瓷型熔模鑄造相比，節(jié)省成本40～50%，減少了污染，提高了性能（見(jiàn)圖）。鈦合金金屬型鑄件與陶瓷型鑄件、鍛件的性能對(duì)比●已用GMM工藝制造了F119發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)第4、5級(jí)阻燃鈦合金可調(diào)式導(dǎo)流葉片精鑄件（見(jiàn)圖）?！翊蛩阌肰DC工藝制造鈦合金風(fēng)扇和壓氣機(jī)葉片，如能實(shí)現(xiàn)，則更是一個(gè)重大突破。F119發(fā)動(dòng)機(jī)（F/A-22用）F119發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)第4、5級(jí)阻燃鈦合金可調(diào)式導(dǎo)流葉片金屬型鑄件●應(yīng)用典例之二——F-22飛機(jī)的垂尾方向舵作動(dòng)筒支座F-22（2005年前開(kāi)始服役）●為什么要用？主要是為了大幅度減少零件數(shù)而顯著降低成本、縮短周期和減輕結(jié)構(gòu)重量。以V-22轉(zhuǎn)接座為例，降低成本30%，加工和安裝時(shí)間減少62%V-22轉(zhuǎn)接座前后兩種方案的對(duì)比示意圖主要靠關(guān)鍵技術(shù)及其誘人的效果壯了膽?！袢箨P(guān)鍵技術(shù)：(1)計(jì)算機(jī)技術(shù)（特別是工藝模擬）；(2)熱等靜壓；(3)β熱處理?！裾T人的效果：鑄造系數(shù)從1.25～2.00降至1.00；既精確控形，也精確控性?！翊龠M(jìn)了鈦合金鑄件在F-22等飛機(jī)上的大量應(yīng)用，F(xiàn)-22就有6個(gè)大型Ti-6Al-4V鑄件，連F-22的側(cè)機(jī)身與機(jī)翼的接頭這種非常關(guān)鍵的零件都采用了Ti-6Al-4V鑄件，無(wú)疑這是鈦合金鑄造技術(shù)邁出的非常大的一步！——2002年初Howmet公司又接到一批F-22大型鈦鑄件的訂貨合同，總價(jià)值800萬(wàn)美元?！駷槭裁锤矣?？美國(guó)、英國(guó)與航材院渦輪葉片用高溫合金的發(fā)展2.3高溫合金葉片材料的發(fā)展史首先是工藝創(chuàng)新的發(fā)展史(a)(b)

單晶渦輪空心葉片網(wǎng)格劃分(a)

凝固過(guò)程三維溫度場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果(b)無(wú)論是定向凝固還是單晶葉片，可工藝創(chuàng)新之處是很多的。例如型芯材料（定向常用氧化硅，單晶常用氧化鋁），凝固成形過(guò)程的數(shù)值模擬等。大型單晶葉片與較小葉片對(duì)比GE公司用第二代單晶合金ReneN5鑄出長(zhǎng)400mm、重9Kg的GE90發(fā)動(dòng)機(jī)單晶空心葉片。地面燃機(jī)的單晶葉片更大（見(jiàn)圖）●大型葉片單晶工藝的難度更大2.4高溫合金整體葉盤精鑄工藝用于760℃以下工作的高溫合金零件。目的是避免或減少與粗晶伴生的連續(xù)析出碳化物、偏析和微觀縮孔，提高疲勞性能和使用可靠性。細(xì)化途徑：振動(dòng)法、熱控法、細(xì)化劑法●細(xì)晶精鑄工藝斯貝發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)器細(xì)晶葉盤。BIAM采用機(jī)械振動(dòng)法+熱控法制成，使用1000次以上仍不損壞，而從英國(guó)進(jìn)口的葉輪使用900次以下就損壞細(xì)晶葉盤與普通葉盤的晶粒度對(duì)比高溫合金定向葉片/細(xì)晶輪轂整體葉盤●雙性能精鑄工藝3粉末成形工藝的典例3.1高溫合金渦輪盤材料的發(fā)展史同樣離不開(kāi)工藝創(chuàng)新的重要貢獻(xiàn)●

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的不斷提高,渦輪盤材料的關(guān)鍵性地位越來(lái)越突出。有人把它譽(yù)為“發(fā)動(dòng)機(jī)的皇冠”（渦輪葉片則譽(yù)為“皇冠上的眾多明珠”）。●原來(lái)采用變形工藝的渦輪盤材料，由于偏析等問(wèn)題很難妥善解決，其高溫蠕變抗力和疲勞性能等難以滿足較高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)的要求，于是美國(guó)創(chuàng)立了新的粉末盤的工藝路線?！窀邷睾辖鸱勰┍P的工藝路線GE公司早期沒(méi)有采用P&W公司的超塑性鍛造工藝，而采用了熱等靜壓工藝。1980年，用熱等靜壓工藝制成的F404發(fā)動(dòng)機(jī)Rene’95粉末渦輪盤破裂而導(dǎo)致一等事故。后來(lái)歐美的粉末盤都采用了“擠壓開(kāi)坯+超塑性鍛造”的工藝，以保證消除尺寸過(guò)大的陶瓷夾雜和改善組織性能。需2萬(wàn)～3.5萬(wàn)t擠壓機(jī)?！馚IAM研制成功的FGH95渦輪盤與DD3單晶葉片已在渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)上長(zhǎng)期試車通過(guò)

3.2噴射成形工藝

與多工序的鑄錠/熱變形的傳統(tǒng)工藝相比，由于它是由金屬液直接霧化和沉積成近凈型半成品，因此周期短，成本低。

與鑄造工藝相比，由于具有快速凝固的特點(diǎn)，金相組織細(xì)小均勻，更適合于在噴射成形后經(jīng)少量變形（如熱軋、冷軋、超塑成形）加工成最終成品。

適合于一些難變形合金或鑄造時(shí)易嚴(yán)重偏析的合金（如TiAl合金）●鋁合金、高溫合金、鈦合金、金屬間化合物均適用●優(yōu)越性三種噴射成形方式的示意圖●應(yīng)用情況

美國(guó)海軍的噴射成形In625合金大口徑厚壁管等已用于艦艇魚(yú)雷發(fā)射管、尾軸及軸密封套等。

P&W發(fā)動(dòng)機(jī)公司和Howmet公司制備的噴射成形（+熱等靜壓+環(huán)軋）In718合金高壓渦輪機(jī)匣已分別在PW4000和F100-PW220發(fā)動(dòng)機(jī)上通過(guò)了試車。

GE公司噴射成形高溫合金渦輪盤將用于新一代GE-90發(fā)動(dòng)機(jī)，見(jiàn)圖。從1400℃的高溫合金熔液霧化沉積成盤件的實(shí)況噴射成形的TiAl合金(Ti-48Al-2Nb-2Mn)環(huán)形件噴射成形設(shè)備（70Kg容量）●BIAM較早就建立了噴射成形設(shè)備（見(jiàn)圖）和開(kāi)展了研究。航天某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的GH742渦輪盤很易鍛裂，σ0.2也不夠高?，F(xiàn)改用噴射成形工藝并制成5個(gè)成品盤（見(jiàn)圖），σ0.2提高了200MPa。某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)用GH742噴射成形沉積坯制成渦輪盤半成品的過(guò)程噴射成形GH742渦輪盤成品3.3激光成形（Lasform）工藝●在美政府的國(guó)防先進(jìn)研究項(xiàng)目局和海軍研究辦公室的資助下，由兩個(gè)大學(xué)（JohnsHopkins大學(xué)和賓夕法尼亞州大學(xué)）、兩個(gè)公司（MTS系統(tǒng)公司和AeroMet公司）聯(lián)合研究成功?！襁@是一種由高功率激光鍍覆技術(shù)與先進(jìn)的快速成形技術(shù)結(jié)合而成的金屬粉末熔化和直接沉積的新工藝●激光成形設(shè)備由一個(gè)14KWCO2激光器、一個(gè)特殊的粉末喂料系統(tǒng)和一個(gè)很大的可充氬的工作室（3x3x1.2m）組成，工件與激光束的三維相對(duì)運(yùn)動(dòng)通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件控制（見(jiàn)圖）。激光成形設(shè)備●優(yōu)越性●是軟件驅(qū)動(dòng)的柔性加工，不用添置加工設(shè)備、工夾具等硬件，最適用于通常要改變?cè)O(shè)計(jì)的研制工作?！裆a(chǎn)周期短，可快速反應(yīng)?！癫牧侠寐矢?。●力學(xué)性能達(dá)到鍛件水平●可裁縫式地制成“變成分”的材料和零件●一種比傳統(tǒng)補(bǔ)焊好得多的修補(bǔ)手段●應(yīng)用實(shí)例F/A-18E/F已選定4個(gè)Ti-6Al-4V大型構(gòu)件應(yīng)用此工藝鑒于激光成形工藝可顯著降低研制周期與成本，對(duì)航空工業(yè)高性能金屬構(gòu)件有戰(zhàn)略性重要意義，美國(guó)國(guó)防后勤局最近與明尼蘇達(dá)州的AeroMet公司簽訂了1900萬(wàn)美元的多年協(xié)議，用激光成形法為軍用飛機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)制造鈦合金結(jié)構(gòu)件的試生產(chǎn)件，由CAD文檔驅(qū)動(dòng)高功率激光器將鈦合金粉末熔結(jié)而制成近凈形件。β熱處理的特大Ti-6Al-4V鍛件（F-22后機(jī)身隔框）4.1鈦合金β熱處理工藝4熱處理工藝的典例損傷容限設(shè)計(jì)用的TC11鈦合金采用了一種新型的β熱處理工藝——BRCT熱處理。不同β熱處理工藝對(duì)鈦合金力學(xué)性能的影響不同熱處理工藝對(duì)TC11鈦合金顯微組織的影響α＋β空冷二重?zé)崽幚恙录崩涠責(zé)崽幚恙驴绽涠責(zé)崽幚鞡RCT熱處理BRCT熱處理的TC11鈦合金的拉伸斷口特征a、穿晶斷裂；b、局部沿晶斷裂BRCT熱處理的TC11鈦合金壓氣機(jī)盤BRCT熱處理的TC11鈦合金傘艙梁TC11鈦合金壓氣機(jī)盤的室溫拉伸性能、缺口敏感系數(shù)、沖擊韌性和斷裂韌性TC11鈦合金壓氣機(jī)盤的蠕變和熱穩(wěn)定性*本表中所列的蠕變?cè)嚇?00小時(shí)試驗(yàn)后的室溫拉伸性能。**ψ/ψ0為520℃(BRCT)或500℃(α＋β熱處理)100h或500h熱暴露后與暴露前斷面收縮率的比值。左圖為兩種熱處理工藝的TC11鈦合金傘艙梁與Ti-10-2-3合金鍛坯（厚30mm）的疲勞裂紋擴(kuò)展特性。CT試樣，L-T取向，室溫，空氣，R=0.1，f=5～13Hz101520253035405040608010014010-410-3MPa·m1/2ΔK，kg·mm-3/2da/dN，mm/周TC11(β熱處理)TC11(α＋β熱處理)Ti-10V-2Fe-3Al4.2高溫合金粉末盤的雙性能熱處理工藝F119的DTPIn100粉末盤采用雙性能熱處理，高溫處理的外緣獲得高的K1C、蠕變抗力和低的da/dN，而低溫處理的內(nèi)緣則獲得高的σ0.2和低周疲勞強(qiáng)度。4.3鋁合金的“T77”熱處理工藝——通過(guò)熱處理工藝創(chuàng)新提高綜合性能●改善強(qiáng)度與抗蝕性的匹配實(shí)例：B-777大量選用7055-T77和7150-T77（見(jiàn)B-777選材圖）高強(qiáng)度鋁合金的發(fā)展與應(yīng)用●該熱處理工藝的特點(diǎn)(1)精確控溫的高溫固溶處理固溶處理溫度非常接近過(guò)燒溫度，因此必須精確控溫（±3℃），出爐后水冷（一般采用滾道式上下噴水）。(2)三級(jí)時(shí)效第一級(jí)較低溫度時(shí)效（通常水冷），達(dá)90%強(qiáng)度。第二級(jí)較高溫度過(guò)時(shí)效（通常水冷），以提高抗腐蝕性。第三級(jí)較低溫度時(shí)效（溫度等同或接近第一次時(shí)效，通?？绽洌?，補(bǔ)充強(qiáng)化至應(yīng)有水平，即充分利用過(guò)飽和效果。5復(fù)合工藝的典例5.1樹(shù)脂轉(zhuǎn)移成形（RTM）——在室溫或較低溫度下靠加壓（抽真空）將低粘度的樹(shù)脂注入放好預(yù)成型坯（編織好的增強(qiáng)纖維）的密閉模中，而后加熱固化?！饕攸c(diǎn)（與傳統(tǒng)的預(yù)浸料鋪疊/熱壓成形工藝相比）①制品設(shè)計(jì)自由度大，各種復(fù)雜異形件均不必縫合，有利于結(jié)構(gòu)整體化和提高強(qiáng)度、剛度、抗分層、抗沖擊等綜合性能；

②材料空隙率很低（0～0.2%）；

③纖維含量高，可達(dá)50～60%，甚至75%；

④尺寸精確，重復(fù)性好，裝配工時(shí)顯著減少；

⑤能耗低，生產(chǎn)周期短，成本降低20%，增強(qiáng)了與金屬件的競(jìng)爭(zhēng)力（金屬件雖比RTM成本還低10%，但重40%）；

⑥工作環(huán)境好——對(duì)樹(shù)脂的要求①耐熱性、耐濕性、韌性等性能仍應(yīng)滿足使用要求；

②在室溫或較低溫度下具有低粘度(0.1～1Pa·S)；

③對(duì)增強(qiáng)纖維有良好的浸潤(rùn)性、匹配性和粘附性；

④固化時(shí)不產(chǎn)生揮發(fā)物或其他不良副反應(yīng)；——環(huán)氧樹(shù)脂一般能適應(yīng)上述要求，如用雙馬來(lái)酰亞胺，則可用各種單體與它聚合或加入活性稀釋劑?！狥-22是首例大量采用RTM工藝的飛機(jī)。有400多個(gè)零件采用RTM。應(yīng)用實(shí)例：進(jìn)氣唇口，前機(jī)身部分隔框和構(gòu)架，燃油箱骨架和箱壁，中機(jī)身武器艙門帽形加強(qiáng)筋，機(jī)翼中間梁，尾翼的梁和肋。——F-35（JSF）的垂尾及平尾原來(lái)采用鋁合金蜂窩芯/復(fù)合材料蒙皮結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步減輕結(jié)構(gòu)重量，成功地用RTM技術(shù)驗(yàn)證了全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)（石墨纖維/雙馬樹(shù)脂）的垂尾，使零件數(shù)從原來(lái)13個(gè)減至1個(gè)，緊固件取消了1000個(gè)，制造費(fèi)相應(yīng)減少60%以上。這一90Kg重的大型復(fù)雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件制造技術(shù)的突破與RTM流動(dòng)模型（最佳注射部位及程序）的建立緊密相關(guān)。——我國(guó)已成功地用RTM工藝制備了殲八Ⅱ機(jī)翼隔框模擬件，相應(yīng)地研制成功適用于RTM的酚醛樹(shù)脂、BMI和環(huán)氧樹(shù)脂。5.2整體泡沫芯子/纖維/樹(shù)脂復(fù)合工藝●工藝過(guò)程：模塑出包含肋條、桁條、電氣線路及其他附件的整體泡沫芯子——固化——纏繞以增強(qiáng)用的纖維——送回模具注射樹(shù)脂——固化。●應(yīng)用：原用于制造沖浪船，后來(lái)美國(guó)泡沫基體公司用該復(fù)合工藝制成X-45無(wú)人作戰(zhàn)機(jī)的輕型機(jī)翼，既具有高強(qiáng)度，也顯著降低了成本，獲波音公司2002年供應(yīng)商創(chuàng)新獎(jiǎng)。5.3鋁材/樹(shù)脂基復(fù)合材料的層合工藝（G