锻造工艺分类及细分领域发展趋势分析

我国航空锻造迎来黄金发展期。

1.锻造是高端装备必备工艺

锻造本质上是一种金属的塑性成形工艺：即利用金属的塑性变形使毛坯改变形状和性能， 利用锻压设备和模具，外加载荷（冲击载荷或静载荷），使金属毛坯产生塑性变形，从而获 得一定形状和尺寸、机械性能和内部组织符合一定技术要求的锻件。锻件具有优秀的综合力学性能。1）金属棒料、铸锭在冶炼、浇注和结晶的过程中， 不可避免地会产生气孔、缩孔和树枝状晶等缺陷，通过锻造可以改善和提高其组织性 能。2）锻造可以使金属发生塑性变形和再结晶，细化粗大晶粒，得到致密的金属组织， 提高其力学性能。3）在零件设计时，若正确选用零件的受力方向与纤维组织方向，还 可以提高锻件的抗冲击性能。 锻件广泛应用于国民经济和国防工业的各个领域。锻造在生产、加工工具零件的过程 中，具有生产效率高、锻件综合性能强等优势，因此被广泛应用于装备制造业中的关 键及核心零部件中。

锻造按照工艺可以分为三大类：碾环、自由锻和模锻：三类锻造工艺涉及的锻件尺寸、 形状不同，采用的工装模具不同，使用的锻造设备不同。

相较其他金属加工方式，锻造加工主要有以下特点： 加工对象特殊，加工难度高：1）为满足装备高强度&轻量化的要求，航空发动机、燃 气轮机、火箭、卫星、导弹等重大装备领域常以高温合金、铝合金、钛合金等特种合 金材料作为原材料。2）特种合金材料具有塑性低、变形抗力高、流动性差、锻造温度 范围窄等特点，整体锻造难度较大，对企业的技术实力、工艺水平、装备水平、管理 能力均提出了较高要求。

加工设备专业，投资大周期长：1）锻造行业是典型的资本密集型行业，由于特种合 金材料具有较强的特殊性，决定了其加工设备必须具备较高的性能。2）因此，锻造企 业通常需要投入大量资金购置现代化设计软件、高精度数控锻造设备和辗环设备、高 均匀性的加热设备、高性能的热处理设备、数控机加工设备以及成套理化检测设备等， 以满足不同生产工艺和下游装备制造企业对生产的要求。

加工工艺复杂，技术门槛高：1）锻造工艺复杂，技术集成度高：其主要生产流程包 括下料、加热、锻造、辗环、热处理、金加工、理化检测等多个环节，加工过程涉及 冶金、金属加工、热处理和现代机械设计制造技术等多学科、多领域技术。2）锻件产 品具有多品种、多规格、定制化的特点，不同产品的结构差异较大，需要企业具备大 量的专业化技术工人，在生产过程中精确控制各种技术参数，以保证产品质量。

锻件是飞机的关键部件：据《航空用 TC 钛合金锻造成型特性研究》介绍，1）锻件的结构 型式、材料性能与质量、制造成本是决定飞机和航空发动机的性能、可靠性、寿命和经济 性的重要零部件，锻造零件占据整机零件的 85%。2）其中，机身、起落架锻件多为模锻 件，而航空发动机锻件则多为盘、轴和环形锻件。

大型飞机、战斗机机身结构件：1）种类：包括飞机机体的框、梁类结构件，具体有 飞机舱门部位的门框锻件，机头部位的风挡边框锻件，机翼与机身部位的连接件，机 翼部位的边条、承力梁、框锻件，发动机吊挂系统锻件，机身承力框锻件，转向舵部 位的转轴梁锻件。2）用材：主要涉及钛合金、超高强度钢、铝合金等。

起落架系统锻件：1）种类：主要包括外筒、活塞杆锻件，扭力臂、斜支撑、支架、 后支架等锻件。2）用材：主要涉及超高强度钢、钛合金和铝合金等。

直升机结构件：1）分类：主要包括发动机系统锻件、传动箱系统锻件、浆毂系统锻 件、机身结构件锻件、起落架锻件和武器吊挂系统锻件。2）零件种类：主要有发动机 涡轮盘和涡轮轴锻件、传动箱传动卡盘锻件、浆毂中央件、浆毂连接件、浆毂轴、传 动卡盘、吊挂架、起落架外筒和活塞杆锻件等。3）用材：主要涉及钛合金、超高强度 钢和铝合金等。

2.航空锻造的发展趋势

①航空模锻的发展趋势：大型化、整体化、精密化

据《大型航空模锻件的生产现状及发展趋势》一文介绍，新一代航空模锻件向着“大型化、 整体化、精密化”的趋势发展：1）航空模锻件是飞机及其发动机的关键零部件：其制成 的零件重量约占飞机机体结构重量的 20-35%，占发动机结构重量的 30-45%。2）航空模 锻件的结构形式、材料性能、制造成本是决定飞机和发动机的性能、可靠性、寿命和经济 性的重要因素之一。3）飞机结构设计与制造的重要理念：减轻飞行器的结构重量，增强结构的可靠性、耐久性，缩短装备的制造周期和降低制造成本。

结构整体化：是飞机及其发动机设计和制造技术中最引人注目的国内外发展趋势之一。 1）最大限度减少零件的数量：满足更高安全可靠性、更轻结构重量、更长使用寿命、 更低成本、更短制造周期等要求；2）结构整体化可提高飞机经济性：零件数量的减 少令飞机机体、发动机重量更轻，并进一步降低了必要的燃油储备量。3）实践证明航 空模锻件的整体化具有诸多优势：提高了构件的整体刚性；减少了装配误差，节约了 机加工台时；减轻了飞机的结构重量；降低材料消耗，节约成本。

采用大型整体结构件：是飞行器设计的重要趋势之一。1）结构整体化或将导致模锻 件向大型化发展。2）采用大型结构件可以减轻飞行器的结构重量，增强结构的可靠性、 耐久性，缩短装备的制造周期和降低制造成本。3）航空大型整体模锻件的生产能力和 技术水平彰显国家综合实力：大型化结构设计的实现依托于大型锻压设备和先进的模 锻工艺，设备是基础，工艺是保障手段，二者相辅相成，缺一不可。

精密化：据《大型航空模锻件的生产现状及发展趋势》，精密化为保证锻件的组织性 能和经济性所需。 1）保证锻件组织性能：在后续的零件加工中，锻件表面的致密层不复存在，纤维组 织被分割，影响和降低了零件的力学性能和表面完整性，力求锻件的形状接近零件， 大力发展净近成形工艺是先进锻压技术的主攻方向之一。 2）精密锻造是锻件经济性的要求：零件加工时大量昂贵的金属材料变为切削，因此 必须发展精密锻造减少零件后续机加工带来的材料损耗。以整机锻件重量和整机锻件 制成的零件重量相比较，我国航空锻件的材料利用率约为 15%-25%，其中大型锻件的 材料利用率为 10%-25%。

②航空钛合金锻造发展趋势：等温锻、精密碾轧、整体成形

据《航空钛合金锻造技术的研究进展》介绍，钛合金具有密度低、比强度高、耐热性好等 特点，作为飞机/发动机的主要结构材料，已广泛应用于航空工业。

例如：飞机起落架部件、框、蒙皮和壳体等，发动机压气机盘、鼓筒、叶片、转子、 机匣等，其中新一代战斗机 F-22 飞机的钛合金用量已分别高达 41%，战略轰炸机 B-2 的钛合金含量达到了 26%。

据《航空用 TC21 钛合金锻造成型特性研究》介绍，根据钛合金大型航空锻件的锻造成形 特点，常见的航空用钛合金锻造成形技术主要分为：等温锻造技术、精密碾轧技术、整体 成形技术。 等温锻造技术：等温锻造作为一种重要的钛合金锻造成形技术，不仅能满足大型且复 杂度较高锻件的生产，同时还能保证锻件的流线型完整，锻件的组织和性能稳定。 精密碾轧技术：精密碾轧技术是航空锻件中最重要的锻造成形技术之一，该锻造技术 主要被运用于航空发动机中环形锻件的加工成形，不仅可以确保钛合金环形锻件的加 工效果，同时还能提高钛合金环形锻件的性能，从而延长锻件的使用寿命。 整体成形技术：该锻造成形技术主要是将原本需要多工件组合而成的锻件进行整体锻 造成形，该技术不仅可以减少连接件的数量，降低锻件的整体重量和制造成本，同时 还能提高锻件的整体性能和使用寿命。

③环形锻件发展趋势：更轻、更强、更耐热

据《航空发动机材料及工艺发展浅析》介绍：航空发动机是人类有史以来最复杂、最精密 的工业产品之一，集成了空气动力学、结构强度、材料、工艺等相关专业的最高成就。为 了进一步提高发动机推重比以满足作战平台的需求，必须大量采用轻质、高强韧、耐高温 的先进材料、工艺和结构布局。 环形锻件是航空发动机的关键锻件：1）环锻件的优势：采用碾环技术成形的环件具有组 织致密、强度高、韧性好等优点，是铸造或其他制造技术所无法替代的。2）环形锻件是否 整体、优质、精密化，对飞机、航空发动机的经济可承受性影响同样十分显著。3）近似于 零件外廓的异形环件的生产质量和制造技术对于降低发动机研制成本和提高发动机研制生 产能力都具有十分重要的影响。4）环锻件发展趋势：具备更强的承载能力、更轻的重量、 更强的耐热性以及对温度和载荷变化的适应能力。

高温合金、钛合金等难变形材料的应用为环形锻造工艺提出了新要求：1）在我国目前批 产和在研的各种型号航空发动机种，高温合金、钛合金等难变形材料大型环件的应用十分 广泛。2）提高环形碾轧技术已成为提高我国武器装备研制生产能力和性能的共性问题，迫 切需要科学的工艺设计手段以确保工艺质量。3）对环件的尺寸精度、冶金质量、生产成本 和生产周期的要求更为严格。