TRIZ理论在提高航空油管TA18钛合金无缝管扩口率中的应用

TA18钛合金管材用于航空液压管要求其火炬率达到60%，但目前企业实际达到的水平为30%且不稳定，因此本文采用TRIZ理论来解决TA18合金管材火炬率低的问题。

1 初始问题描述

1.1 TA18管制备工艺

TA18 钛合金无缝管生产工艺:海绵钛+中间合金→熔炼→铸锭→锻造→棒料→挤压→管坯→轧制→热处理→成品管。

1.2主要问题

目前工艺技术生产的TA18管，经过测试，在最佳水平下，其火炬率可达30%，且批次间产品火炬率测试值不稳定，达不到协议要求的60%，因此该产品始终无法满足用户要求。

2 TRIZ问题解决流程

2.1系统分析

2.1.1因果链分析

是因果链导致TA18管道的火炬率低于60%。从因果链可以看出，直接原因是:管道表面缺陷或组织异常；退火温度不合适。

通过因果链分析，启示方案如下:①控制退火温度，保证材料强度与塑性的最佳匹配；②选择挤压管坯时，选择尺寸均匀的，使结构均匀一致；③加强钻孔和表面处理，确保管道表面无裂纹和划痕。

2.1.2功能分析

本研究是关于产品在生产过程中的技术性能，而不是简单的机械产品或制造产品，因此进行了基于FAST而不是组件的功能分析。

功能:准备管道(改变形状和内部结构布置)

可用的搜索方法:铸造法、挤压法、拉拔法、轧制法、锻造法(旋转锻造、快速锻造、模锻和自由锻造)、焊接法、机加工钻孔法、斜轧冲孔法、粉末成形法和激光快速成型法。

分类:熔铸法、粉末冶金法、塑料加工法、3D打印法。

通过以上基于FAST的功能分析，发现制备管材的方法有很多，每种方法都有自己的特点，可以利用这些特点来结合和借鉴本研究课题。

2.2 小人法

绘制TA18成品管微观结构的微缩图，详见图3。图3a是目前实际管道横截面的微缩图。在这个微缩图中，每一个微缩图的大小都不一样，而且每一个微缩图的排列都是混乱的，每一个微缩图都没有紧密的结合在一起，所以在受到外力的时候，比如张开或者压扁，每一个微缩图都很容易因为约束力低而被外力折断。因此，火炬率仅维持在30%左右，无法达到客户要求的60%的目标。图3b是用微缩法得到的TA18成品管截面的理想显微组织微缩图。这种模型的优点是每一个微型图形的大小都是一样的，并且每一个微型图形都是相互连接的，这样在受到外力时，每一个微型图形都受到均匀的应力，并且会相互协调分布力，可以进一步提高耀斑率。

根据小人模型的图3b可以得知，管材具有明显的织构，这个织构指数在工程上用轴向和径向塑性变形率之比来表示，具体称为收缩应变率或CSR。由于钛合金管材具有高度方向性的微观结构和显著的结晶织构，径向织构的管道在液压系统的工程设计过程中可以表现出一系列优异的性能。径向织构管材的屈服强度和伸长率高于切向织构管材。

小人法可以得到的启示方案是:①制备铸锭时，通过调整坩埚浇注系统，可以得到晶粒细小的铸锭；②通过改变熔炼方式获得具有织构倾向的铸锭；③通过锻造+机加工选择组织均匀、晶粒尺寸一致的管坯；④选择挤压管坯尺寸和结构均匀的零件，并在后续加工过程中产生管材织构；⑤轧制过程中，增加二辊轧制道次，减少多辊轧制道次，控制Q值，产生周向织构。

2.3理想解决方案

系统财务报告准则的定义见表1。

通过IFR可以得到如下启发方案:①选择挤压管坯尺寸和结构均匀的部位，精整去除内外表面缺陷，轧制过程按顺序进行；②大方坯轧制和中间道次轧制均采用双辊轧制，每道次轧制的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使用TRIZ工具

2.4.1技术矛盾-矛盾矩阵

(1)技术矛盾的原始问题

改进:TA18采用目前的冶炼、锻造、挤压、轧制和热处理技术，可获得尺寸、表面和力学性能符合要求的管材。

变质:目前管材表面会出现微缺陷，晶粒随机分布，工艺性能难以达到预期值。

(2)问题模型

对应39个通用工程参数

改进参数:10力

劣化参数:物体产生的31种有害因素

(3)解决方案模型

根据Archischuler矛盾矩阵表，参考文献创新原理有4篇，筛选后保留3篇创新原理(表2)。

2.4.2物理矛盾-分离原理

(1)身体矛盾:

对于高燃烧率，是否应该增加更多？孙？系统；双辊轧制不应更多地用于机械指标和减少表面缺陷。

为了提高表面质量，应增加更多的多辊轧制；为了提高扩口率，不宜多采用多辊轧制。

(2)物理矛盾的分离:

时间分离。

(3)解决方案模型

根据预作用原理，可以在毛坯上预成型具有纹理的特征。这样，这个问题有三种扩展的解决方案:

①铸锭中形成枝晶方向相同的铸态组织。

②轧制用管坯直接通过对所需织构的棒材钻孔制成。

③挤压管坯的管坯锭具有所需的织构要求。

2.4.3物理场模型-标准解决方案

对现有技术体系的分析表明，效果不够。通过S2变形，将原来挤压出来的管坯变成其他有纹理倾向的管坯，增强效果，从而得到效果完整的物场模型。

结论

通过TRIZ小人法的模型，找到了解决该行业技术问题的突破口，通过因果链分析、功能分析、技术矛盾与物理矛盾、矛盾矩阵、发明原理、知识库等工具的应用，丰富了解决思路。最终选择了两种组合方案:①挤压管坯的尺寸和均匀组织，二辊多辊组合轧制工艺；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%.