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未來精密熱加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
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精密熱加工技術(shù)是武器系統(tǒng)關(guān)鍵制造技術(shù)之一，主要包括精密鑄造、精密塑性成，形、特種熱處理及特種焊接技術(shù)。精密熱加工技術(shù)具有生產(chǎn)周期短、成本低、零件使用性能好，產(chǎn)品可靠性高、制坯近無余量等優(yōu)點(diǎn)，受到世界各國(guó)的高度重視。
近十年來，美國(guó)十分注重發(fā)展精密熱加工和提高性能一體化技術(shù)。如：鋁鋰合金粉制件精密熱成形可使零件比剛度提高30％；碳化硅/鋁復(fù)合材料可使零件的比剛度提高30%—75%；單晶葉片精鑄可以提高渦輪溫度55℃、節(jié)省燃料10%；快速凝固粉末層壓式渦輪葉片，可使發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪溫度提高220℃、油耗降低8.4%、飛機(jī)起飛質(zhì)量降低7.4%，發(fā)動(dòng)機(jī)推重比提高30%—50%。發(fā)展精密熱加工技術(shù)，并與提高零部件性能研究一體化，符合我國(guó)國(guó)防科技發(fā)展對(duì)關(guān)鍵基礎(chǔ)加工技術(shù)研究所提出的要求。
一、精密鑄造
精密鑄造成形工藝不但可以縮短新型武器的研制周期、降低成本，還可以提高武器的靈活性、可靠性。如美國(guó)波音公司生產(chǎn)的巡航導(dǎo)彈的艙體采用鋁合金精密鑄造工藝后，彈體成本降低30%，每枚導(dǎo)彈所需工時(shí)從8000小時(shí)減少到5500小時(shí)，且可靠性提高，重量有所降低。
美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)精密鑄造公司和NASA劉易斯研究中心等單位對(duì)A1系金屬間化合物和Ti、
Ni基等特種合金的精密鑄造進(jìn)行了大量研究。他們采用整體一次成形精鑄工藝加工渦噴、渦扇導(dǎo)向器，減少機(jī)加工時(shí)40％，成本降低30%。我國(guó)軍工系統(tǒng)的精密鑄造工藝與國(guó)外相比差距較大。如導(dǎo)彈艙體主要采用低、差壓鑄造法。普通粘土砂鑄型生產(chǎn)艙段，尺寸精度低，表面質(zhì)量較差，內(nèi)部缺陷多，合金液二次氧化嚴(yán)重，力學(xué)性能不高，廢品率高達(dá)20%—30%，目前國(guó)內(nèi)僅能鑄造1.4m以下的艙段。另外象導(dǎo)彈尾翼、飛機(jī)部分器件等仍采用機(jī)械加工方法，不但生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本高，而且可靠性也較差。在特種合金精密鑄造工藝方面，同樣存在很大差距，象單品空心無余量葉片精鑄工藝，在國(guó)外已應(yīng)用于軍工生產(chǎn)，而國(guó)內(nèi)尚處于研究階段。至于A1系金屬間化合物的精密鑄造工藝的研究目前還未開始。
綜上所述，與國(guó)外相比，我國(guó)在精密鑄造工藝方面約落后10—15年。為了縮短新型武器的研制和生產(chǎn)周期、降低成本、提高可靠性，必須加強(qiáng)精密鑄造工藝的研究。
二、精密塑性成形
精密塑性加工技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家受到高度重視，并投入大量資金優(yōu)先發(fā)展。70年代美國(guó)空軍主持制訂“鍛造工藝現(xiàn)代化計(jì)劃”，目的是使鍛造這一重要工藝實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化，更多地使用CAD/CAM，使新鍛件的制造周期減少75%。1992年，美國(guó)國(guó)防部提出了“軍用關(guān)鍵技術(shù)清單”，其中包含了等壓成型工藝、數(shù)控計(jì)算機(jī)控制旋壓、塑變和剪切成形機(jī)械、超塑成型/擴(kuò)散連接工藝、液壓延伸成型工藝等精密塑性成型工藝。此外，國(guó)外近年來還發(fā)展了以航空航天產(chǎn)品為應(yīng)用對(duì)象的“大型模鍛件的鍛造及葉片精鍛工藝”、“快速凝固粉末層壓工藝”、“大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件強(qiáng)力旋壓成型工藝”、“難變形材料超塑成形工藝”、“先進(jìn)材料(如金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料等)成形工藝’’等。近來，隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)對(duì)熱加工成形工藝的滲透，板材成形柔性制造系統(tǒng)也開始嶄露頭角。
(一)超塑成形美國(guó)休斯公司、BAE公司等在超塑成形技術(shù)方面居世界前列。目前欽合金超塑成形工藝已廣泛用于制造導(dǎo)彈外殼，推進(jìn)劑儲(chǔ)箱，整流罩、球形氣瓶、波紋板及發(fā)動(dòng)機(jī)部件等。鋁合金、鎂合金、鎳基高溫合金、金屬基復(fù)合材料等的超塑成形工藝也在研究。我國(guó)的超塑成形技術(shù)在航天航空及機(jī)械行業(yè)已有應(yīng)用，如航天工業(yè)中的衛(wèi)星部件、導(dǎo)彈和火箭氣瓶等，并采用超塑成形法制造偵察衛(wèi)星的欽合金回收艙。與此同時(shí)，還基本上掌握了鋅、銅、鋁、欽合金的超塑成形工藝，最小成形厚度可達(dá)0.3mm，形狀也較復(fù)雜。但壁厚均勻性問題尚待解決。
(二)強(qiáng)力旋壓美國(guó)利用強(qiáng)力旋壓技術(shù)。已能生產(chǎn)直徑為3.9m、徑向尺寸精度0.05mm、表面粗糙度Ra0.16—0.32μm、壁厚差＜0.03mm的導(dǎo)彈殼體。幾乎對(duì)各種金屬均能旋壓成形，且工藝穩(wěn)定，并已實(shí)現(xiàn)設(shè)備大型化，多用途化和自動(dòng)化。錯(cuò)距旋壓、
CNC等先進(jìn)旋壓工藝及設(shè)備也已普及使用。
我國(guó)現(xiàn)已有數(shù)百種，數(shù)以百萬計(jì)零件采用旋壓工藝，其中有彈體、尾管、封頭、燃燒室、殼體、噴管等等。且已開發(fā)出各種外旋壓工藝，包括低溫和高溫旋壓技術(shù)和設(shè)備，可旋制最大直徑為5m的封頭件，最大旋床達(dá)60噸。航天系統(tǒng)已采用強(qiáng)力旋壓工藝生產(chǎn)了大型固體發(fā)動(dòng)機(jī)高強(qiáng)鋼封頭和鋁合金封頭，直徑2.5m；液體火箭銀合金管。出口直徑0.28m；戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈鋁合金殼體，直徑0.46m；發(fā)動(dòng)機(jī)球形容器的欽合金半球體，直徑0.53m，減薄率50%—75%。我國(guó)與國(guó)外的差距主要表現(xiàn)在我國(guó)基本上只能旋壓圓柱件、錐型件和簡(jiǎn)單曲面形狀的零件，大尺寸殼體多數(shù)仍采用卷板拼焊工藝，構(gòu)件內(nèi)常存在殘余應(yīng)力，在焊縫熱影響區(qū)也易產(chǎn)生延遲裂紋；大型旋壓件尺寸精度較差，給后續(xù)裝配焊接造成很大困難；帶淺筋和筒形件內(nèi)旋工藝雖已取得一些成果，但可旋筒體直徑小，筋很淺；旋壓設(shè)備大都比較陳舊，錯(cuò)距旋壓、數(shù)控旋壓和錄返旋壓等均剛起步。
(三)薄板精密成形
薄板類復(fù)雜構(gòu)件精密成形的新工藝新技術(shù)已在俄、美等國(guó)得到廣泛應(yīng)用。俄、美等國(guó)的放電成形設(shè)備已系列化，設(shè)備最大能量達(dá)500KJ。俄國(guó)已能生產(chǎn)包括A1-Li合金難變形材料等數(shù)十種導(dǎo)彈零件，最大尺寸達(dá)1200mm×1000mm×6mm(直徑×高度×厚度)。目前，聚氨酯軟模成形技術(shù)已成為航空航天工業(yè)中的重要成形手段，俄國(guó)TY-154飛機(jī)工廠已采用該項(xiàng)技術(shù)生產(chǎn)1萬多個(gè)零件。美、法等國(guó)已普遍采用CNC拉形蒙皮與壁板，異形截面框類零件軋制工藝已廣泛應(yīng)用，大型運(yùn)載火箭普遍使用整體鋁合金環(huán)形鍛件。
我國(guó)在薄板復(fù)雜構(gòu)件成形方面，還沿用傳統(tǒng)工藝。電磁成形剛用于生產(chǎn)，且設(shè)備能量低，線圈技術(shù)還未過關(guān)；電水成形尚屬空白，聚氨酯軟模成形技術(shù)僅有少量簡(jiǎn)單應(yīng)用，技術(shù)還不成熟；數(shù)控蒙皮拉形及發(fā)動(dòng)機(jī)有嚴(yán)格要求空間走向?qū)Ч艿膽?yīng)用仍屬空白。
(四)精密模壓成形國(guó)外已廣泛應(yīng)用精密模壓成形技術(shù)制造武器。美國(guó)鋁業(yè)公司采用等溫成形制造F—14戰(zhàn)斗機(jī)框架欽合金加強(qiáng)板和支承座機(jī)件，前者投影面積10320mm2，鍛件重量0.32Kg，加強(qiáng)筋的最小壁厚3.17mm。后者投影面積13545mm2，鍛件重量0.82kg，最小厚度2.67mm。美國(guó)普拉特·惠特尼公司采用等溫鍛造工藝生產(chǎn)F100發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪盤，重量由原來普通模鍛件的112.5kg降到56.7kg。常用的精密模壓成形技術(shù)，如閉塞式鍛造、采用分流原理的精密成形及等溫成形等國(guó)外已用于軍工生產(chǎn)。我國(guó)，前兩項(xiàng)技術(shù)剛剛起步，等溫成形已有一定應(yīng)用。目前，精密模壓技術(shù)在我國(guó)應(yīng)用還較少，精度也較差，國(guó)外精度為±0.05—0.10mm，我國(guó)為±0.1—0.25mm。
三、特種熱處理
特種熱處理工藝是國(guó)防工業(yè)系統(tǒng)關(guān)鍵制造技術(shù)之一。美國(guó)為加速其航天飛機(jī)的發(fā)展，由5家公司組成聯(lián)合體共同開發(fā)針對(duì)5種新材料的成形及熱處理工藝，即高溫Ti-Al化合物，C/C及陶瓷基復(fù)合材料，高蠕變強(qiáng)度材料及高導(dǎo)熱材料。美國(guó)經(jīng)特殊工藝.處理的8089合金，使用溫度可達(dá)到400℃。金屬間化合物經(jīng)韌化處理后可顯著提高韌性，更適于高溫下使用，Ti3A1可在816℃、TiAl可在1083℃下使用；是航天飛機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)理想的材料。美國(guó)已將形狀記憶合金用于衛(wèi)星自展天線和管接頭，用于導(dǎo)彈自展尾翼的研究也取得了很大進(jìn)展。以美國(guó)威斯康星大學(xué)為首的PSII表面熱改性處理技術(shù)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)與衛(wèi)星軸類零件及軸承，并取得重大進(jìn)展，克林頓總統(tǒng)曾親臨視察該項(xiàng)工藝技術(shù)。
真空及氣氛熱處理以其特有的無污梁、無氧化、工件變形小和適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于航空航天結(jié)構(gòu)件處理，如齒輪結(jié)構(gòu)件表面滲碳或滲氮，導(dǎo)彈和航天器各種合金或鋼件的去應(yīng)力、增強(qiáng)或增韌處理等。典型結(jié)構(gòu)如：儀表零件、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、燃料貯箱、發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等；美國(guó)熱處理爐約有50%以上為真空熱處理爐。規(guī)格齊全，成龍配套。第四代最新式氣淬爐——雙室高壓真空氣淬爐也已開始應(yīng)用。此外，真空熱處理爐已廣泛采用了計(jì)算機(jī)控制。目前已發(fā)展到真空化學(xué)熱處理和真空氣淬熱處理，包括高壓真空氣淬、高流率真空氣淬和高壓高流率真空氣淬技術(shù)等。
激光熱處理技術(shù)在國(guó)外已廣泛用于航空、航天、電子、儀表等領(lǐng)域，如各種復(fù)雜表面件、微型構(gòu)件、需局部強(qiáng)化處理構(gòu)件、微型電子器件、大規(guī)模集成電路的生產(chǎn)和修補(bǔ)、精密光學(xué)元件、精密測(cè)量元件等。其中，激光淬火是應(yīng)用最早最廣泛的激光處理技術(shù)，能處理欽合金、鋁合金、合金鋼和碳鋼等材料。如MKl0制導(dǎo)火箭發(fā)射系統(tǒng)點(diǎn)火區(qū)的阻斷凸輪，采用AISl4340鋼，用1.2KW激光表面處理代替原來的氮化處理，最高硬度由原來的55Rc提高到62Rc，硬化層深度由0.01—0.02in提高到0.015—0.030in，且每組4件凸輪的處理導(dǎo)向由原60天縮短到1小時(shí)，欽合金零件表面激光淬火后硬度可提高75％—125％。目前研究水平已達(dá)到經(jīng)激光表面處理后硬度比普通淬火高5%—20%，激光涂層結(jié)合牢固、熔層只有0.05—0.13mm，激光合金化和非晶態(tài)處理，融化層只有1—10μm；目前世界上主要研究單位有美國(guó)的IBM公司、巴特爾研究院、海軍研究試驗(yàn)室、激光應(yīng)用公司等；英國(guó)的羅爾斯一羅伊斯公司、英國(guó)帝國(guó)大學(xué)等；日本的大阪大學(xué)熱噴涂研究中心、村田公司等。國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域也開展了相應(yīng)的研究工作，并取得顯著成果。但由于起步較晚，加之經(jīng)費(fèi)投入不足，因此與國(guó)外相比尚有一定差距。因此，“九·五”期間應(yīng)加大力度開展研究，進(jìn)一步縮小與國(guó)外的差距。
四、特種焊接技術(shù)
由于航天產(chǎn)品的特殊工作環(huán)境和要求決定了必須不斷采用一些新結(jié)構(gòu)材料、特殊結(jié)構(gòu)形式和連接技術(shù)，這就要求有新的焊接工藝與設(shè)備以適應(yīng)武器系統(tǒng)的要求。事實(shí)說明，如果不采用焊接技術(shù)，要制造出任何航天器都是不可能的。因此世界各國(guó)在航天工業(yè)部門的焊接技術(shù)水平都是最高的，發(fā)股速度也是最快的。
美國(guó)和俄羅斯兩個(gè)航天工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家每發(fā)展一種新型號(hào)航天產(chǎn)品總是伴隨一系列特種焊接技術(shù)的發(fā)展，以保證新型號(hào)產(chǎn)品的制造需要。例如美國(guó)在研制土星五號(hào)運(yùn)載火箭，俄羅斯在研制能源號(hào)運(yùn)載火箭時(shí)，鋁合金貯箱直徑分別達(dá)到10m和8m，壁厚達(dá)到25mm和42mm，常規(guī)的焊接技術(shù)已無法適應(yīng)這種新型號(hào)產(chǎn)品制造需要，美俄都不約而同地發(fā)展了適合立式組裝并焊接的特種焊接技術(shù)。美國(guó)發(fā)展了VPPA(變極性等離子弧)焊接工藝與設(shè)備，完成了大型鋁合金貯箱的制造。俄羅斯發(fā)展了局部真空電于束焊接工藝與設(shè)備，完成了能源號(hào)大型鋁合金貯箱的制造。特種焊接技術(shù)的研究范圍非常寬廣，下面僅就幾個(gè)方向性研究領(lǐng)域具體介紹國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀：
(一)自動(dòng)化智能化焊接技術(shù)現(xiàn)代航天產(chǎn)品在制造精度，質(zhì)量保證(質(zhì)量穩(wěn)定性與可靠性)方面都有極高的要求，迫切需要采用能完全替代人工操作的自動(dòng)化智能化焊接技術(shù)。例如美國(guó)馬舍爾空間飛行中心正在組織NASA的一些高等院校及工業(yè)部門開發(fā)能滿足制造大型鋁合金貯箱需要的自動(dòng)化智能化焊接系統(tǒng)，1993年底，該系統(tǒng)已接近完成。據(jù)稱，它是由各種質(zhì)量傳感器、焊接過程數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)控制的焊接裝置組成的，估計(jì)已投入運(yùn)行。我國(guó)在中型鋁合金貯箱焊接自動(dòng)化方面雖取得了一些成果并已用于生產(chǎn)，但在智能化方面還有很大差距。希望在“九五”期間能采用部分硬件從國(guó)外引進(jìn)，一些關(guān)鍵技術(shù)和軟件由自己研究開發(fā)的方針，攻克這項(xiàng)“自動(dòng)化智能化焊接技術(shù)”，滿足我國(guó)新型號(hào)航天產(chǎn)品制造技術(shù)的需要，在“九五”期間接近或趕上先進(jìn)國(guó)家的水平。
(二)新材料與異種材料焊接技術(shù)航天產(chǎn)品的許多部件幾乎無例外地都要求質(zhì)量盡可能輕、性能盡可能好，因此要采用許多新結(jié)構(gòu)材料(陶瓷、復(fù)合材料、金屬間化合物、非晶態(tài)材料、定向結(jié)晶材料、難熔金屬材料、功能材料等)，這就給新材料或異種材料的連接帶來難題。航天工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家針對(duì)這些新材料異種材料連接的要求進(jìn)行了大量研究工作，根據(jù)不同的材料組合，通過固態(tài)連接或熔化連接的方法得到所需的連接接頭，滿足構(gòu)件的工作要求。例如俄羅斯已成功制造了由銅一不銹鋼一欽不同金屬材料組合焊接的高壓補(bǔ)燃式夾層結(jié)構(gòu)液體發(fā)動(dòng)機(jī)推力室。工藝新穎、先進(jìn)、合理、滿足了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。美、俄航天部門采用特殊前處理，而后進(jìn)行釬焊或擴(kuò)散焊，成功焊接了B/A1復(fù)合材料管與鋁合金管或鈦合金管，成功地制造了空間飛行器內(nèi)的承力衍架。而且還成功解決了金屬與陶瓷的焊接技術(shù)。焊接的方法有多種，但較為理想的方法是以Ag-Cu-Ti合金為活性釬料，輔加應(yīng)變緩解過渡材料進(jìn)行釬焊。
我國(guó)的703所，哈工大，621所等單位都對(duì)新材料和異種材料的焊接技術(shù)開展了研究，也取得了一些成果，但與先進(jìn)國(guó)家比仍有很大差距。主要原因是我們?cè)谶@方面進(jìn)行的基礎(chǔ)性研究和應(yīng)用基礎(chǔ)性研究太弱，手段太落后，投入的人力、物力太少。
(三)微連接技術(shù)航天器的控制電路及有效載荷的高可靠性、高密度化和微小型化是航天工業(yè)長(zhǎng)期努力的目標(biāo)。解決好這些問題不但可以大幅度減少航天器發(fā)射費(fèi)用，而且可極大地提高控制系統(tǒng)的可靠性和工作頻率，對(duì)延長(zhǎng)衛(wèi)星的壽命有重要影響。美、俄等先進(jìn)國(guó)家已在航天器的控制系統(tǒng)中大量采用表面組裝技術(shù)、微組裝技術(shù)和多芯片組裝等先進(jìn)電子器件組裝技術(shù)，使控制系統(tǒng)和衛(wèi)星達(dá)到了小型化和輕量化的目的。我國(guó)由于微連接技術(shù)還較落后，航天器的控制系統(tǒng)仍主要采用插孔組裝，難以達(dá)到充分的小型化和輕量化。哈工大的焊接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室擁有國(guó)內(nèi)最早建立的微連接研究室，已在表面組裝的微連接技術(shù)方面開展了多年的研究工作，現(xiàn)在與電于工業(yè)部有關(guān)單位，航天部504所及上海航天局合作，結(jié)合航天器的需要開展微連接技術(shù)的研究。
(四)先進(jìn)的熔化焊接工藝大推力運(yùn)載火箭和航天器的鋁合金大型燃料貯箱或航天飛機(jī)、飛船的鋁合金壓力殼的制造主要采用熔化焊接技術(shù)。針對(duì)不同結(jié)構(gòu)和尺寸的大型燃料貯箱或壓力殼的制造需要。國(guó)外已發(fā)展了不同的熔焊工藝與設(shè)備，成功地完成了航天產(chǎn)品的制造任務(wù)。
美、俄開發(fā)的先進(jìn)熔化焊接工藝技術(shù)主要有：窄間隙氦氣保護(hù)熔化極焊接工藝，可進(jìn)行多層焊接，可焊厚度不限，俄國(guó)已成功焊接了厚度40mm和80mm的鋁合金貯箱；直流正接氦氣保護(hù)鎢極氬弧焊，俄國(guó)成功地用單道焊接工藝完成了3—8mm厚的工件生產(chǎn)任務(wù)；局部真空電子束焊接技術(shù)，俄國(guó)已成功用于厚度為42mm的鋁合金貯箱的焊接；閃光對(duì)焊技術(shù)。俄國(guó)已成功用來生產(chǎn)大截面(50—80×103mm2)鋁合金環(huán)形框或縱向接縫的焊接；變極性等離子弧穿孔焊接。美國(guó)已成功開發(fā)并用于焊接厚度為16mm的大型鋁合金容器，是一種無內(nèi)部缺陷的最理想的鋁合金焊接工藝。國(guó)內(nèi)在上述焊接新工藝研究方面幾乎都處于空白或剛起步階段，需要盡快開展研究工作。
此外，對(duì)于航天器中各種不銹鋼、鈦合金、鋁合金導(dǎo)管的焊接美、俄都已開發(fā)了先進(jìn)的自動(dòng)焊接工藝，同時(shí)也相應(yīng)開發(fā)了防泄漏的接頭檢驗(yàn)方法保證了導(dǎo)管系統(tǒng)的安全運(yùn)行。我國(guó)在導(dǎo)管焊接方面仍處于手工焊為主的局面。焊后的質(zhì)量檢測(cè)手段也較落后。
急需開展研究工作，改變這種嚴(yán)重落后的局面。美、俄均已成功地應(yīng)用CO2激光焊接技術(shù)于導(dǎo)彈空氣舵中欽合金蒙皮與鑄造骨架的焊接，焊縫質(zhì)量和減小變形方面都獲得了理想的結(jié)果。我國(guó)在這方面基本處于空白或剛起步階段。哈工大焊接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室已引進(jìn)了功率為2KW的CO2激光加工系統(tǒng)，正在開展結(jié)合航天工業(yè)需要的研究工作。