本文探討研究了航空復雜構件的精確成形技術相關內容。

　　精確成形技術是航空制造基礎技術之一，針對航空復雜構件的研制生產現狀和發展趨勢，開展航空精確成形技術基礎研究，認清成形機理，掌握成形規律，提出成形過程設計和控制方法，對提高航空復雜構件研制生產水平，實現航空關鍵構件精確控形和精確控性，提高航空發動機和飛機性能、可靠性和壽命、降低制造成本等具有十分重要的意義。

　　航空復雜構件是指飛機和航空發動機結構中形狀結構復雜和(或)組織結構復雜的結構件。精確成形則是采用各種成形方法獲得成形完整、尺寸精確、組織結構精確控制以及性能優越、可靠性高零件的工藝方法。凝固成形和塑性成形技術是兩種主要的、傳統的成形技術，各種大型、薄壁、整體、復雜、精密、優質的鑄鍛件是飛機和航空發動機的主要承力構件和關鍵構件，在航空制造業中具有十分的重要地位。

　　美國在21世紀國防科技戰略規劃體系中，將材料與制造技術定為優先發展的領域之一，而精密成形技術則是軍用飛機制造技的術重要組成部分。隨著航空裝備的發展，整體、精密、優質的復雜構件應用愈來愈廣泛，已成為新一代航空裝備的核心，決定了飛機和發動機的性能、可靠性、壽命及經濟性。以美國為代表的西方發達國家在先進航空武器裝備中廣泛應用精確成形的復雜整體構件，以提高武器裝備的作戰性能、整體結構性能和可靠性，減輕結構重量，縮短研制周期，降低制造成本。例如，美國F-35戰斗機要求減少機械加工量90%以上，成本降低66%，實現這一目標勢必廣泛采用精確成形的復雜整體構件。

　　航空復雜構件精確成形技術發展總趨勢是成形構件的復雜整體化、構件成形精確化、成形成性一體化和工藝設計與控制的全程化。也就是說，航空復雜構件精確成形，不僅要控制構件的成形和保證形狀尺寸，而且要精確控制構件內部的組織結構，即“精確控形”和“精確控性”。航空復雜構件精確成形已不同于傳統意義上的鑄和鍛，而是多學科交叉和各種先進技術的綜合應用。實現航空復雜構件精確成形，必需掌握其成形機理、成型規律以及設計和控制方法。

　　長期以來，由于我國在成形技術基礎研究方面的重視程度不夠，基礎研究不夠深入，缺乏系統性和集成性，構件成形缺乏系統的理論指導，依然以經驗和反復試制為主要模式進行研制和生產，構件的尺寸精度、性能和可靠性低，成本高，周期長，質量不穩定。例如，傳統鑄件由于性能和可靠性不夠高，一般只能應用于飛機機體的非重要部位，設計安全系數一般都在2左右;機體大型整體鍛件規格小(大型鈦合金鍛件投影面積不足2m2)，材料利用率低(僅為10%～20%左右)。在航空發動機核心部件中，定向空心高溫合金葉片合格率也僅為20%～30%左右，單晶空心高溫合金葉片合格率則更低。因此，提高航空復雜構件研制生產水平，需針對航空復雜構件精確成形領域共性、關鍵的技術基礎問題展開研究，為先進飛機和發動機研制生產及未來發展奠定基礎，起到技術支撐和指導作用。

　　航空復雜構件精確成形領域技術基礎問題

　　先進飛機和發動機中成形構件的主要特點如下。

　　(1)形狀結構和組織結構復雜。為提高航空裝備性能、可靠性和壽命，減輕結構重量，降低制造成本，縮短制造周期，往往將原來的幾個部件組合于一體成形，使其形狀結構整體化、薄壁化、復雜化;此外，為實現某些功能，往往將結構與功能一體化，這也使得其形狀結構復雜;另外，為滿足構件在裝備中的使用特點和需要，有的大型整體結構件的組織結構要求均勻，有的不同部位的組織結構要求不一樣(如航空發動機雙性能整體葉盤等)，有的則對組織結構控制有特殊要求(如定向或單晶葉片)，所以組織結構復雜化也是先進裝備構件發展趨勢之一。

　　(2)尺寸精確。為降低制造成本和縮短制造周期，結構件形狀尺寸要求精確，即無或少加工余量。

　　(3)高性能、高可靠性。為滿足航空裝備高性能、高可靠性的需求，必須提高成形構件自身的性能和可靠性，所以必須要求無(少)缺陷、并根據構件的使用特點和要求精確設計并控制各部位的組織結構。

　　研制復雜構件，首先必須正確認識多場耦合作用下構件成形過程的形狀尺寸變化和組織結構演變的熱力學和動力學機理，掌握其變化規律;在此基礎上，建立精確的物理數學模型，對其成形過程進行數值模擬，使其過程“可視”，預知其結果;在上述基礎上，研究和應用科學的過程設計與控制方法，使復雜構件的成形在精確設計和精確控制的條件下成形，從而達到復雜構件“精確控形”和“精確控性”的目的。

　　復雜構件精確成形領域共同存在的重大科學基礎問題主要包括以下幾個方面。

　　(1)復雜構件精確成形過程的形狀尺寸變化和組織結構演變的熱力學和動力學機理。

　　復雜構件成形過程是一個在多場耦合作用下，材料充填與成形、組織(含缺陷)形成與演變、應力形成與變化的過程。傳統的成形基礎理論一般是基于溫度場、重力場或外力場等單獨或簡單復合作用、理想狀態下的熱力學和動力學機理。而復雜構件精確成形往往是在特種工藝條件下實現的，其成形過程受多場控制、受多種因素共同影響。但這些因素如何耦合作用、它們是如何影響構件形狀尺寸變化和組織結構演變的，目前尚不十分清楚。因此弄清多場耦合作用下界面、組織、應力和缺陷形成與變化等復雜構件精確成形過程的熱力學和動力學機理十分關鍵，它是指導復雜構件精確成形的理論基礎。

　　精鑄渦輪葉片

　　(2)復雜構件精確成形規律與理論模型。

　　復雜構件最終形狀尺寸及組織結構是由材料原始組織、成形方法及工藝過程決定的。搞清原始組織結構對復雜構件成形及最終性能的影響、多場耦合作用下構件形狀尺寸和組織結構如何變化，是實現復雜構件精確成形的關鍵。需通過大量試驗研究，揭示多場耦合作用下復雜構件形狀尺寸變化和組織結構演變規律，建立起復雜構件精確成形理論模型，為研究復雜構件精確成形過程設計與控制方法提供理論基礎。

　　計算機模擬是研究復雜構件精確成形過程、優化成形工藝、驗證成形理論的重要手段。通過計算機模擬技術可使復雜構件成形過程的形狀尺寸變化和組織結構演變等變得“可視”，從而為實現構件形狀尺寸和組織結構的精確預測與控制，為提高復雜構件成形精度、縮短研制周期、降低制造成本等奠定基礎。為實現復雜構件精確成形過程精確模擬，需根據復雜構件的成形機制與規律，確定模擬所需的真實邊界條件，提出準確的物理數學模型。

　　(3)復雜構件精確成形過程設計與控制的方法。

　　在解決上述兩個基礎問題的基礎上，需要研究復雜構件精確成形過程設計和控制的科學方法。但是如何控制影響復雜構件精確成形熱力學和動力學過程的諸多復雜因素，以及如何精確設計工藝過程使其按預定目標實現形狀尺寸和組織結構的轉變，需要對精確成形工藝的全過程進行優化和重組，然后根據復雜構件形狀尺寸變化和組織結構演變的機理和規律，精確設計其成形過程的各種“場”，并實現復雜構件形狀尺寸和組織結構的間接或直接控制，進而實現實時控制，從而以達到精確控制目的。

　　航空復雜構件精確成形技術的發展水平取決于成形理論基礎研究的水平和深度

　　如前所述，復雜構件形狀尺寸和組織結構受控于其成形過程的熱力學和動力學變化。要提高構件尺寸精度和性能、對構件尺寸和性能進行預測及控制，就必須正確認識多場耦合作用下材料充填與變形、組織形成與改變的機制，它是復雜構件精確成形的重要基礎。只有弄清成形過程中所發生眾多熱力學和動力學變化機制，掌握其變化規律，建立精確的物理數學模型，方能進行精確的數值模擬;預知成形過程形狀尺寸和組織結構的演變;才能實現復雜構件成形過程精確設計以及復雜構件形狀尺寸變化和組織性能的精確控制。因此精確成形技術的發展水平取決于成形理論和相關技術基礎研究的水平和深度。

　　正由于發達國家在成形理論和相關技術基礎研究方面投入了大量人力、物力、財力，不斷取得高水平的基礎研究成果，并充分發揮其理論指導和基礎支持作用，才能不斷涌現高水平的精確成形技術。美國之所以在F-22戰斗機、V-22傾轉式旋翼機等先進航空武器裝備上率先大量采用鋁合金、鈦合金復雜精鑄件，就是因為美國在多場耦合作用下液態充填規律、凝固成形過程(含熱處理過程)、組織(含缺陷)控制方法等方面取得了重大基礎研究成果，使Howmet等公司能穩定地實現航空復雜構件的精確成形，以高合格率、低成本、短周期獲得優質、高可靠性的鑄件。同樣，在美國F-22戰斗機后機身隔框大型復雜整體鈦合金鍛件(投影面積5.16m2)的研制過程中，若按一般塑性變形規律，需在10萬噸級以上的壓機上制造，但是美國只有4.5萬噸級的設備。也正是由于對鈦合金塑性變形機制的深入研究，掌握了其變形規律，采用全程工藝設計方法合理安排變形工藝，同時采用先進的鈦合金β熱處理技術，精確控制組織結構，才能研制出高性能大型整體復雜精密鍛件。

　　從總體上看，我國尚未形成完整的復雜構件精確成形技術體系，航空復雜構件的研制困難重重，所遇到的問題是缺乏系統的理論指導，僅依靠淺顯的理論+經驗反復試制。這樣一方面研制成本增加，低水平重復，研制周期長;另一方面成形零件精度低、可靠性差，有時浪費大量人力、物力還研制不出合格零件。航空發動機葉片和盤件、飛機機體大型整體鑄鍛件等典型航空復雜構件的制造已成為制約航空裝備研制生產的技術瓶頸。

　　航空裝備發展對復雜構件精確成形技術基礎研究需求

　　未來航空武器裝備的發展對精確成形技術的需求將更為強烈。在推重比為12～15級的軍用航空發動機中，其渦輪前進口溫度將高達2000K以上，發動機的結構重量將減輕50%左右。因此，軍用航空發動機構件將采用高結構效率的整體化、輕量化、空心薄壁化和精確化的復雜結構，勢必對成形技術的要求也越來越高。另外，高超音速飛機、無人機等先進飛機的發展，對納米晶金屬材料和復合材料等新型材料成形技術的需求也日益強烈。

　　由此，航空復雜構件精確成形技術發展必須實現由經驗向量化、數字化設計與控制的方向轉變。實現這一轉變，急需加強航空復雜構件精確成形技術基礎研究。

　　結束語

　　造成我國成形技術落后的主要原因是長期以來在成形技術基礎研究方面不足，成形機理不明，規律不清，航空復雜構件的研制和生產缺乏科學的工藝設計和精確控制的方法。只有不斷深化成形技術基礎研究，才能改變當前以經驗為主導的研制模式，才能實現航空復雜構件的精確成形，為先進飛機和航空發動機發展提供技術支撐。