TRIZ 理论在提高航空油管TA18 钛合金无缝管扩口率中的应用
关键词: TRIZ理论； TA18钛合金； 无缝管； 扩口率
引言
TA18钛合金管材由于其良好的综合性能，大量用于飞机和发动机液压及燃油等管路系统，早在20世纪70年代就在美国高科技领域军用、航天和民用飞机上作为液压、燃油等管路应用[1-4]。用于航空液压管的TA18钛合金管材要求其扩口率达到60%，而目前企业实际达到的水平为30%而且不稳定，因此本文利用TRIZ理论解决TA18合金管材扩口率低的问题，攻克这一技术难题。
1 初始问题描述
1.1 TA18管制备过程
TA18钛合金无缝管材的生产流程：海绵钛+中间合金→熔炼→铸锭→锻造→棒坯→挤压→管坯→轧制→热处理→成品管材。
1.2 主要问题
采用目前的工艺技术生产得到的TA18管的扩口率经测试最好水平达到30%，而且批次产品之间的扩口率测试值不稳定，无法达到协议要求的60%，造成此产品一直无法满足用户使用要求。
2 TRIZ解题流程
2.1 系统分析
2.1.1 因果链分析
图1为导致TA18管扩口率小于60%的因果链，从图中可以看出直接原因：管材表面有缺陷或组织异常；退火温度不适宜。
通过图3因果链分析，可得到的启示方案有：①控制退火温度保证材料的强度和塑性匹配达到最佳；②在选择挤压管坯时，选取尺寸均匀的，这样组织也比较均匀一致；③加强镗孔和表面处理，确保管材表面无裂纹和划痕等缺陷。
2.1.2 功能分析
本研究是关于产品生产过程中的技术性能问题，而不是单纯的某一个机械产品或加工制造类产品，因此没有进行基于组件的功能分析，而是进行基于FAST的功能分析。
定义功能：制备管材（改变形状，改变内部结构排列）
搜索可用的方法：浇铸法、挤压法、拉拔法、轧制法、锻造法（旋锻、快锻、模锻和自由锻）、焊接法、机加钻孔法、斜轧穿孔法、粉末成型法、激光快速成型法。
功能分类：熔炼浇铸法、粉末冶金法、塑性加工法、3D打印法。
通过以上的基于FAST的功能分析发现，制备管材的方法很多，每种方法都有各自的特点，因此可以利用这些特点进行对本研究课题有利的组合和借鉴。
2.2 小人法
对TA18成品管的微观结构进行小人模型图的绘制，具体见图3。图3a为目前实际管材横截面的微观组织小人模型，在该小人模型图中每个小人的大小不一样，而且每个小人之间的排列也是杂乱无章的，每个小人之间没有紧密结合，这样在受到外力作用时，如扩口或压扁时，每个小人之间由于结合力低，容易被外力突破，也就造成扩口率仅维持在30%左右，满足不了客户要求的60%的指标。图3b为通过小人法得到的理想的TA18成品管横截面的微观组织小人模型图，这一模型的好处是每个小人大小一样，而且每个小人之间互相连接在一起，这样在受到外力作用时，每个小人受力比较均匀，而且会互相之间协调和分配力，这样能进一步提高扩口率，有望达到60%的目标。
依据小人模型图3b，可得到的启示为管材具有明显的织构，工程中用轴向和径向的塑性变形率比值来表示这一织构指数，具体被称为收缩应变率或CSR。由于钛合金管材方向性极强的微观组织和显著的晶体学织构，在工程设计液压系统过程中可以表现出一系列优异的性能。径向织构的管材比切向的具有更高的屈服强度和延伸率。
通过小人法，可得到的启示方案有：①制备铸锭时，通过调整坩埚浇注系统，得到晶粒细小的铸锭；②通过改变熔炼方式得到有织构倾向的铸锭；③通过锻造+机加的方式选择组织均匀、晶粒大小一致的管坯；④选择挤压管坯尺寸、组织均匀部位，在后续加工过程中，产生管材织构；⑤轧制过程中增加两辊轧制道次，缩减多辊轧制道次，控制好Q值，产生周向织构。
2.3 理想解
系统IFR定义见表1。通过IFR，可得到的启示方案有：①选择挤压管坯尺寸、组织均匀部位，精整除去内外表面缺陷，轧制过程沿一个顺序轧制；②开坯轧制和中间道次轧制都采用两辊轧制，而且每道次轧制Q值控制在0.5～1.8范围内，成品轧制采用多辊轧制，Q值控制在＞3范围内。
2.4 运用TRIZ工具
2.4.1 技术矛盾-矛盾矩阵
（1）原问题技术矛盾
改善：采用目前的熔炼、锻造、挤压、轧制和热处理工艺技术可以得到尺寸、表面、力学性能满足要求的TA18管材。
恶化：目前生产的工艺技术中管材表面会产生微缺陷，晶粒杂乱分布，工艺性能难以符合期望值。
（2）问题模型
对应的39个通用工程参数改善的参数：10力恶化的参数：31物体产生的有害因素
（3）解决方案模型
对应查看阿奇舒勒矛盾矩阵表得到参考创新原理为4个，经筛选，保留3个创新原理（表2）。
2.4.2 物理矛盾-分离原理
（1）物理矛盾：
为了高扩口率，应该多增加两辊轧制；为了力性指标和降低表面缺陷，又不应该多使用两辊轧制。
为了提高表面质量，应该多增加多辊轧制；为了提高扩口率，又不应该多使用多辊轧制。
（2）物理矛盾分离法：
时间分离。
（3）解决方案模型
根据10预先作用原理，可以在坯料上预先形成带有织构的特征。这样可以延伸出的解决问题解决方案有三个：
①铸锭在熔铸时形成树状枝方向一致的铸态组织。
②轧制用的管坯直接用带有所需织构的棒材钻孔制得。
③挤压管坯用的管坯锭具有所需的织构要求。
2.4.3 物场模型-标准解
分析目前的技术系统为效应不足，通过S2的变形，将原先的挤压管坯改为带有织构倾向的其他管坯，来增强效应，从而得到效应完全的物场模型。
图4 TA18管制备系统物场模型3 结论
通过TRIZ结题中小人法的模型，找到了解决这一行业技术难题的突破口，再通过因果链分析、功能分析、技术矛盾和物理矛盾、矛盾矩阵、发明原理、知识库等工具的应用，丰富了解题思路。最终选用两个组合方案：①选用挤压管坯尺寸、组织均匀部位，二辊和多辊组合轧制工艺；②锻造制备特殊要求管坯，二辊和多辊组合轧制工艺进行验证。结果两个方案都得到了满意的效果，TA18管材的扩口率都大于60%。
责编/刘红伟
参考文献
1.杨亚社,杨永福,罗登超,等.航空用TA18管材加工工艺研究[J].稀有金属材料与工程,2013,42(3):625.
2.张旺峰,李艳,王玉会,等.Ti-3Al-2.5钛合金管材研究进展[J].材料导报,2011,25(12):133.
3.ClydeEF,StevenEM.Ti-3Al-2.5Vseamlesstubingengineeringguide[M].Washington:SandvikSpecialM etalsCorporation,1990:3.
4.BoyerR,WelschG,CoolingsEW.Materialspropertieshandbook:Titaniumalloys[M].ASMInternational (MaterialsPark,OH),1994:263.