隨著世界工業(yè)化進(jìn)程的加快，工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模越來越大，對(duì)能源的消耗也與日俱增。為有效應(yīng)對(duì)過度能源消耗導(dǎo)致的眾多全球化問題，《中國(guó)制造 2025》以及十四五“雙碳”目標(biāo)提出持續(xù)推進(jìn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整并爭(zhēng)取早日實(shí)現(xiàn)。在眾多工業(yè)生產(chǎn)模式中，鍛造生產(chǎn)一直以高能耗著稱，其能耗約占機(jī)械制造行業(yè)總能耗的 25%[1]。因此，我國(guó)作為世界第一制造大國(guó)，鍛造行業(yè)節(jié)能降耗工作的開展迫在眉睫，其不僅符合國(guó)家節(jié)約能源的發(fā)展方針，還直接影響國(guó)家的經(jīng)濟(jì)利益。
飛機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的主要承力部件都采用鋁合金及高強(qiáng)鋼的模鍛件，如飛機(jī)機(jī)體承力框、主梁、起落架，發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪盤、渦輪軸、葉片等，其制造水平對(duì)飛機(jī)所能達(dá)到的最高性能水平、可靠性、壽命和技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益有重大影響[2-4]。因此，航空航天領(lǐng)域?qū)Υ笮徒饘馘懠馁|(zhì)量要求極高，但目前企業(yè)在達(dá)到鍛件質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，也存在能耗管控粗放的問題。而現(xiàn)有的研究大多數(shù)都著眼于通過調(diào)整生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)或工藝方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁合金等金屬大型鍛件質(zhì)量的控制。Mao 等[5]提出了一種控制環(huán)三維機(jī)械性能的新方法來調(diào)控 2219 鋁合金大規(guī)格鍛環(huán)內(nèi)部 Al2Cu 粗大第二相（CSPPs）嚴(yán)重偏析和力學(xué)性能不均勻的問題；王富強(qiáng)等[6]基于 DEFORM 數(shù)值模擬軟件，對(duì)某型機(jī) 7B04 鋁合金接頭鍛造過程進(jìn)行研究，采用優(yōu)化工藝試制的鍛件的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度有明顯提升，均滿足產(chǎn)品性能指標(biāo)；Xu 等[7]提出了箱形鍛件等溫反擠壓過程中的預(yù)成形件設(shè)計(jì)方法，通過有限元模擬揭示了等厚坯料金屬流動(dòng)規(guī)律，模擬結(jié)果成功地預(yù)測(cè)了基體鍛件底部折疊和蓋件鍛件側(cè)壁填充不足的缺陷；Zhao 等[8]改進(jìn)了傳統(tǒng)的鍛造工藝：預(yù)熱、熱鍛、固溶熱處理（SHT）和人工時(shí)效，將 SHT 和熱鍛集成到一個(gè)操作中，提出新型固溶鍛造一體化工藝，在工業(yè)化條件下成功制造了 6082 鋁合金鍛件；Zhao 等[9]研究了 300M 鋼在大應(yīng)變下的變形行為，模擬了大型鍛件的鍛造過程，發(fā)現(xiàn)流變應(yīng)力的變化受變形參數(shù)和加工硬化與動(dòng)態(tài)軟化相互作用的影響，以此提出了一種新的本構(gòu)模型來預(yù)測(cè)不同變形參數(shù)下的流變應(yīng)力。
雖然有少部分文獻(xiàn)提及能源管控的重要性，但其研究均在起步階段，且沒有形成連續(xù)完整的體系，故本文就航空航天大型鋁合金等金屬鍛件的缺陷、鍛件質(zhì)量的檢測(cè)方法進(jìn)行歸納總結(jié)，提出一些針對(duì)鍛造生產(chǎn)企業(yè)能耗檢測(cè)方法應(yīng)用的思考與探索，有助于改善航空航天鍛造生產(chǎn)制造領(lǐng)域能耗管控粗放的行業(yè)現(xiàn)狀，在鍛造行業(yè)高質(zhì)低耗生產(chǎn)轉(zhuǎn)型發(fā)展過程中具有一定的指導(dǎo)意義。
1 、大型鍛件缺陷
鋁合金、高強(qiáng)鋼等高強(qiáng)度金屬是鍛造用的主要原材料，其形式大致為軋材、擠材和鍛坯，是由鑄錠分別經(jīng)過軋制、擠壓及鍛造加工而成的半成品。在一般情況下，鑄錠本身存在表面缺陷和內(nèi)部缺陷，會(huì)造成鍛件在后續(xù)工序中含有缺陷，影響鍛件的性能[10-11]。鍛造成形過程中工藝和操作不當(dāng)，同樣會(huì)引起鍛件出現(xiàn)缺陷，甚至報(bào)廢。下面按照鍛件生產(chǎn)過程說明一些主要缺陷的特征、產(chǎn)生原因及可能引起的不良后果。
1.1 原材料產(chǎn)生的缺陷
盡管原材料在入廠前會(huì)由專業(yè)檢查人員進(jìn)行檢查，但有些缺陷既分散又隱蔽，存在沒有被發(fā)現(xiàn)的可能，原材料導(dǎo)致的鍛件缺陷可以分為表面裂紋、折疊、非金屬夾雜、鋁合金氧化膜、白點(diǎn)、粗晶環(huán)等，其缺陷相應(yīng)的主要特征、產(chǎn)生原因及影響如表 1 所示。
1.2 備料產(chǎn)生的缺陷
在備料過程中，機(jī)床內(nèi)留有金屬碎屑或操作不當(dāng)通常會(huì)導(dǎo)致鍛件產(chǎn)生較為嚴(yán)重的缺陷，產(chǎn)生的主要缺陷包括切斜、端面彎曲、端面凹陷、端面裂紋等，其缺陷相應(yīng)的主要特征、產(chǎn)生原因及影響如表 2 所示。
1.3 加熱時(shí)產(chǎn)生的缺陷
鋁合金等金屬在加熱時(shí)產(chǎn)生缺陷的原因大致可分為 3 種：1）介質(zhì)影響使坯料外層組織化學(xué)狀態(tài)變化而引起的缺陷，如氧化、脫碳、增碳、滲硫和滲銅等；2）由內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的異常變化引起的缺陷，如過熱、過燒和未熱透等；3）由于溫度在坯料內(nèi)部分布不均引起內(nèi)應(yīng)力（如溫度應(yīng)力、組織應(yīng)力）過大而產(chǎn)生的缺陷，如開裂等[19]。下面介紹幾種較為常見的缺陷，見表 3。
1.4 鍛壓過程中產(chǎn)生的缺陷
鍛壓過程中由于工藝不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致大量鍛件缺陷的產(chǎn)生，如粗大晶粒、晶粒不均勻、冷硬現(xiàn)象、裂紋、折疊、穿流、欠壓等，會(huì)導(dǎo)致鍛件的使役性能降低。下面簡(jiǎn)要說明幾種對(duì)鍛件影響較大的缺陷，以及缺陷相應(yīng)的主要特征、產(chǎn)生原因和影響，如表 4 所示。
1.5 鍛后熱處理中產(chǎn)生的缺陷
鍛后熱處理在生產(chǎn)過程中通常起到細(xì)化晶粒、調(diào)整組織的作用，使鍛件具有所需的使役性能，在這一過程中產(chǎn)生的缺陷主要可以歸納為冷卻裂紋、網(wǎng)狀碳化物、硬度過高或硬度不夠，其缺陷相應(yīng)的主要特征、產(chǎn)生原因及影響如表 5 所示。
2、 質(zhì)量檢測(cè)
在大多數(shù)航空航天鍛件產(chǎn)品制造企業(yè)中，鍛件成形需要經(jīng)過多個(gè)工序過程，因此，以鋁合金為代表的大型鍛件質(zhì)量的影響因素是多方面的，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行多項(xiàng)質(zhì)量檢測(cè)評(píng)價(jià)以確保鍛件質(zhì)量達(dá)到出廠要求。鍛件質(zhì)量包括外觀質(zhì)量、力學(xué)性能、晶粒度/平均晶粒尺寸、斷裂韌性、殘余應(yīng)力、抗腐蝕能力等方面，其中外觀質(zhì)量又包含鍛件的幾何尺寸、形狀精度、表面質(zhì)量 3個(gè)項(xiàng)目。
大型金屬鍛件的質(zhì)量，必須滿足 3 個(gè)方面的要求：一是消除材料內(nèi)部的冶金缺陷，二是要獲得大小均勻的細(xì)晶粒組織，三是實(shí)現(xiàn)鍛件力學(xué)性能的定向定量分布[27]。
2.1 外觀質(zhì)量檢測(cè)
在鍛造過程中，需要對(duì)大型鍛件的主要尺寸進(jìn)行測(cè)量以判別其是否達(dá)到工藝文件的要求。目前，工程測(cè)量鋁合金等金屬鍛件尺寸的方法分為接觸式測(cè)量法和非接觸式測(cè)量法。接觸式測(cè)量法，也就是直接測(cè)量法，其中用大型卡鉗直接測(cè)量和“量桿”法最為常見，這類方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、無需特殊工具、可直接讀取數(shù)據(jù)[28]。但由于大型鍛件不便于搬運(yùn)、在鍛壓時(shí)溫度高達(dá) 800~1 200 ℃，并且會(huì)發(fā)出高亮的紅光、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣苛刻等條件限制，非接觸式測(cè)量法逐漸發(fā)展成為主流的尺寸形狀測(cè)量方法。
非接觸式測(cè)量表現(xiàn)出測(cè)量精度高、范圍大、信息量豐富、處理速度快和重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，包括投影光柵法、干涉測(cè)量法、飛行時(shí)間法（Time of Flight，TOF）、近景攝影測(cè)量法、結(jié)構(gòu)光法和雙目立體視覺測(cè)量法等[29-31]。非接觸式測(cè)量法根據(jù)研究方向的不同可以分為激光測(cè)量技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，其中激光測(cè)量技術(shù)又分為激光束投射法和激光掃描測(cè)距法[32-35]。激光束投射法操作簡(jiǎn)單、讀數(shù)直觀，一般用于測(cè)量鍛件的長(zhǎng)度尺寸，但存在裝置略顯復(fù)雜、有隨機(jī)誤差、激光斑在鍛件上不易辨識(shí)等缺點(diǎn)。激光掃描測(cè)距法根據(jù)原理可分為相位雷達(dá)法和脈沖雷達(dá)法[30,36-37]。相位雷達(dá)法測(cè)量相對(duì)距離精度較高，測(cè)量絕對(duì)距離精度不高，不適合遠(yuǎn)距離、大范圍測(cè)量。脈沖雷達(dá)法，也被稱為飛行時(shí)間法，原理是計(jì)時(shí)器測(cè)定激光束發(fā)射到接收的時(shí)間，乘以光速，就可計(jì)算出觀測(cè)位置到目標(biāo)的距離。
由于大型鍛件高溫重載環(huán)境下激光器的測(cè)量精度會(huì)受到影響，因此各國(guó)在脈沖雷達(dá)測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)上采取 一 些 措 施 以 保 證 測(cè) 量 精 度 ， 比 如 德 國(guó) 研 發(fā) 的LaCam-Forge 系統(tǒng)（如圖 1 所示）[32]；Bokhabrine 等[38]采用 2 臺(tái)商用 TOF 激光測(cè)距儀來保證測(cè)量精度（圖 2為 TOF 相機(jī)距離測(cè)量的不確定性來源）；上海交通大學(xué)徐要?jiǎng)偟萚39]通過二自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)激光測(cè)距傳感器運(yùn)動(dòng)，使用坐標(biāo)變換得出三維外形進(jìn)行尺寸測(cè)量。
計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、大量程、全自動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，符合目前向智能化工業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，可分為基于雙目立體視覺的被動(dòng)視覺測(cè)量和基于結(jié)構(gòu)光的主動(dòng)視覺測(cè)量[40-44]。雙目立體視覺是指通過立體匹配，根據(jù)視差來重建物體的深度信息，如圖 3 所示。
單 CCD 成像測(cè)量由于成像景深較淺，不能遠(yuǎn)距離、大范圍測(cè)量，無法得到三維外形，所以應(yīng)用受到限制。日本學(xué)者 Okamoto 等[45]研制出了基于雙 CCD 成像的大型鍛件測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高溫鍛件的高穩(wěn)定測(cè)量。然而，立體匹配是雙目立體視覺存在的一個(gè)難以克服的問題，為了避免立體匹配，Zhang 等[31]提出了基于線結(jié)構(gòu)光的結(jié)構(gòu)光視覺測(cè)量系統(tǒng)。該測(cè)量系統(tǒng)可以完成規(guī)則和不規(guī)則鍛件的尺寸測(cè)量，但由于其采用的是導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)，導(dǎo)軌的尺寸易受到應(yīng)用空間的限制，需事先設(shè)置掃描路徑，且該測(cè)量系統(tǒng)采用的是平面網(wǎng)格的
標(biāo)定方法，標(biāo)定過程復(fù)雜。目前計(jì)算機(jī)視覺的應(yīng)用日益廣泛，多相機(jī)視覺系統(tǒng)的需求也越來越多，如圖 4所示是多攝像機(jī)、多觀測(cè)測(cè)量的基本概念。
在測(cè)量大型鍛件外形尺寸的同時(shí)，鍛件表面是否存在裂紋、折疊、凹坑等缺陷也是評(píng)定鍛件質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。鍛件表面檢測(cè)方法包括傳統(tǒng)檢測(cè)法、自動(dòng)檢測(cè)法以及機(jī)器視覺檢測(cè)法 3 類。傳統(tǒng)檢測(cè)法是人工目視檢測(cè)和頻閃光檢測(cè)法，后者用頻閃光源與專用攝像機(jī)替代了人眼，圖 5 為閃光灰度線性變換的結(jié)果，但檢測(cè)可信度和自動(dòng)化程度仍然較低，無法滿足大型鍛件的生產(chǎn)[47-49]。自動(dòng)檢測(cè)法主要有渦流檢測(cè)法、紅外線檢測(cè)法和漏磁檢測(cè)法。渦流檢測(cè)法是通過渦流的大小反應(yīng)表面缺陷形態(tài)的無損檢測(cè)方法，對(duì)于檢測(cè)裂紋、刮傷、夾雜物、凹坑等靈敏度高，但缺點(diǎn)是必須充分加熱，因此限制了檢測(cè)速度，見圖 6。紅外線檢測(cè)法常用于離線、小范圍的測(cè)量，通過檢測(cè)表面溫度的上升值，可以確定缺陷的位置和深度。漏磁檢測(cè)法的原理是：鍛件被磁化后，表面缺陷處會(huì)形成漏磁場(chǎng)，分析漏磁通的密度從而確定缺陷的深度、寬度等特征。漏磁檢測(cè)法除了能檢測(cè)表面缺陷外，還能檢測(cè)內(nèi)部缺陷，檢測(cè)精度也較高，但對(duì)缺陷的分類識(shí)別能力較差，且不能檢測(cè)表面粗糙度。機(jī)器視覺檢測(cè)法是光學(xué)、電子學(xué)、軟件工程等學(xué)科的交叉和融合，已經(jīng)成為當(dāng)前各方研究的熱點(diǎn)，分為基于激光和基于CCD 成像的檢測(cè)系統(tǒng)，這一點(diǎn)與上文尺寸精度檢測(cè)中激光檢測(cè)和計(jì)算機(jī)視覺檢測(cè)的原理相似。
2.2 力學(xué)性能檢測(cè)
在鍛造生產(chǎn)過程中，除了必須保證大型鍛件所要求的外形尺寸和表面質(zhì)量外，還必須滿足鍛件在使用過程中的力學(xué)性能要求。大型鍛件受力情況復(fù)雜，其力學(xué)性能的好壞直接關(guān)系到鍛件能否達(dá)到質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和使用壽命要求。
力學(xué)性能的檢測(cè)包括拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)等測(cè)試。由于鍛件的力學(xué)性能與其纖維方向成一定的關(guān)系，取樣的位置也要具有代表性，對(duì)性能要求較高的鋁合金等金屬大型鍛件，從 3 個(gè)方向（縱向、切線及橫向）合理取樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試為最佳[50-51]。
按照 GB/T 228.1《金屬材料拉伸試驗(yàn)第 1 部分：室溫試驗(yàn)方法》等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制備試樣，并采用拉力試驗(yàn)機(jī)、沖擊試驗(yàn)機(jī)等儀器設(shè)備進(jìn)行力學(xué)性能數(shù)值的測(cè)定。圖7 為不同應(yīng)變速率下實(shí)驗(yàn)流變應(yīng)力與新提出的本構(gòu)模型預(yù)測(cè)流變應(yīng)力的比較。
2.3 晶粒度/平均晶粒尺寸檢測(cè)
鍛件的微觀組織對(duì)其性能有著決定性的作用，當(dāng)鍛件內(nèi)部存在不正常組織時(shí)，不僅嚴(yán)重影響鍛件的性能，還會(huì)提高鍛件的廢品率。在工業(yè)上通常將內(nèi)部晶粒的尺寸大小視為重要的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，比如鋁合金的平均晶粒尺寸、高強(qiáng)鋼的晶粒度。晶粒度/平均晶粒尺寸是衡量晶粒大小的尺度，可以用晶粒的平均直徑或者平均面積表示，工業(yè)上通常使用晶粒度級(jí)數(shù)或者長(zhǎng)度、面積、體積等評(píng)定或測(cè)量晶粒大小。
測(cè)量鋁合金等金屬晶粒度/平均晶粒尺寸的方法有很多，例如：金相分析法、電子顯微鏡法（SEM/EBSD）、超聲波法、氦吸附小比表面法、X 射線衍射法等，其中金相分析法在國(guó)內(nèi)外被廣泛應(yīng)用[52-54]。金相分析法通過測(cè)量和計(jì)算二維層次上薄膜的金相顯微組織或者合金的金相試樣磨面以確定合金組織在三位空間中的狀態(tài)形貌，以此來建立合金組織、成分以及性能之間的定量關(guān)系。圖 8 為采用新型鍛造工藝處理的鋁合金構(gòu)件內(nèi)部的 EBSD 結(jié)果。
2.4 斷裂韌性檢測(cè)
鋁合金等金屬材料在使用過程中會(huì)發(fā)生各種失效，斷裂是其中最為嚴(yán)重的一種失效形式，鍛件會(huì)在承載遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)載荷的情況下發(fā)生斷裂。材料發(fā)生斷裂主要與鍛件內(nèi)部存在的微觀裂紋有關(guān)，微觀裂紋是在鍛件的生產(chǎn)和加工過程中產(chǎn)生的，當(dāng)鍛件受到外部載荷作用時(shí)，裂紋會(huì)發(fā)生擴(kuò)展造成鍛件斷裂。斷裂韌性主要通過表征裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變的參量對(duì)金屬材料的斷裂進(jìn)行定量分析，應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子 KIC、J 積分、裂紋尖端張開位移（Crack Tip Opening Displa-cement ， CTOD ） 和 裂 紋 尖 端 張 開 角 （ Crack TipOpening Angle，CTOA）是目前在斷裂韌性評(píng)價(jià)方法中應(yīng)用較為廣泛的幾個(gè)參量[55-62]。金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌性 KIC 是在裂紋尖端區(qū)域的應(yīng)力處于平面應(yīng)變狀態(tài)且裂紋尖端塑性變形受到約束時(shí)，材料在緩慢加載條件下的裂紋擴(kuò)展抗力。J 積分表征彈塑性材料中裂紋擴(kuò)展所需的能量值，臨界值 JIC 可以定量描述裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度。CTOD 是指理想彈塑性材料受到加載時(shí)，在裂紋尖端處張開的相對(duì)距離，利用 CTOD準(zhǔn)則測(cè)算裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)，裂紋尖端開口的臨界值為δc。上述幾種不同的斷裂韌度指標(biāo)都有各自的適用領(lǐng)域和局限性，其中金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌性 KIC 在線彈性斷裂力學(xué)領(lǐng)域具有成熟完善的理論基礎(chǔ)，且其測(cè)試方法相對(duì)較為簡(jiǎn)便，在工程上的用途更為廣泛。
動(dòng)態(tài)斷裂試驗(yàn)有很多不同的試驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)方法和加載速率也是不同的，常用的實(shí)驗(yàn)裝置包括電液伺服萬能材料試驗(yàn)機(jī)、擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)、落錘試驗(yàn)機(jī)、Hopkinson 拉/壓桿。圖 9 為阿什比圖，顯示出各種材料的塑性區(qū)大小取決于斷裂韌性和屈服強(qiáng)度[61]。
2.5 殘余應(yīng)力檢測(cè)
鋁合金等工程材料及其鍛件在成形、熱處理、機(jī)械加工以及裝配等工藝過程中，都會(huì)不同程度地產(chǎn)生殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力對(duì)鋁合金等金屬大型鍛件的強(qiáng)度、疲勞壽命、抗腐蝕能力和結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性有很大影響，可以根據(jù)產(chǎn)生條件的不同將殘余應(yīng)力分為不均勻塑性變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力、熱處理產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和化學(xué)變化產(chǎn)生的殘余應(yīng)力[63]。目前殘余應(yīng)力的檢測(cè)方法根據(jù)其對(duì)鍛件的破壞程度可分為全破壞檢測(cè)法、半破壞檢測(cè)法和無損檢測(cè)法 3 類[64-70]，如圖 10 所示。
全破壞檢測(cè)法包括輪廓法和裂紋柔度法；半破壞檢測(cè)法包括鉆孔法、壓痕法、環(huán)芯法和剖面法；無損檢測(cè)法包括 X 射線衍射法、中子衍射法、同步衍射法、磁測(cè)法和超聲波檢測(cè)法，超聲無損檢測(cè)如圖 11 所示。殘余應(yīng)力的測(cè)試方法眾多，各有優(yōu)劣，應(yīng)根據(jù)行業(yè)生產(chǎn)模式不同、企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)情況不同、鍛件形狀尺寸不同等具體情況選用適合的測(cè)試方法，依照 GB/T 31310—2014《金屬材料殘余應(yīng)力測(cè)定鉆孔應(yīng)變法》、GB/T7704—2017《無損檢測(cè) X 射線應(yīng)力測(cè)定方法》等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)驗(yàn)。對(duì)于鋁合金鍛件，工程上應(yīng)用較多的殘余應(yīng)力檢測(cè)方法是小孔法、環(huán)芯法和 X 射線衍射法。鉆孔法又被稱為小孔法或盲孔法，由于其具有對(duì)鍛件破壞性小、測(cè)量精度較高、設(shè)備輕便且便宜等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。環(huán)芯法也被稱為圓環(huán)法或切槽法，其破壞性比鉆孔法大，但它的應(yīng)變釋放率高于鉆孔法，可測(cè)量近表面一定深度范圍內(nèi)的殘余應(yīng)力分布，且測(cè)試精度比鉆孔法高。X 射線衍射法是殘余應(yīng)力測(cè)定技術(shù)中的無損檢測(cè)方法之一，是研究最為廣泛深入且成熟的應(yīng)力測(cè)定方法，缺點(diǎn)是 X 射線的穿透能力有限，僅能測(cè)量表面的殘余應(yīng)力。
2.6 抗腐蝕能力檢測(cè)
解析不同環(huán)境條件下鋁合金等金屬材料的腐蝕規(guī)律、評(píng)估金屬耐蝕性能，并對(duì)試驗(yàn)環(huán)境氣候條件的腐蝕性嚴(yán)酷度進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)級(jí)，通常需要根據(jù)實(shí)際服役條件針對(duì)性地進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)、檢測(cè)分析試驗(yàn)結(jié)果并深入研究[71]，各種腐蝕檢測(cè)方法見表 6。其中應(yīng)力腐蝕破裂作為危害較大的腐蝕形態(tài)之一在工業(yè)領(lǐng)域備受關(guān)注，當(dāng)鍛件處在特定的環(huán)境介質(zhì)中時(shí)，同時(shí)承受一定的應(yīng)力，就可能產(chǎn)生突發(fā)的、不可預(yù)知的應(yīng)力腐蝕滯后開裂[72]。應(yīng)力腐蝕開裂機(jī)理最廣為人知的是陽(yáng)極溶解和氫脆理論，而根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡牟煌?，?yīng)力腐蝕測(cè)試方法可分為電化學(xué)法、恒應(yīng)變法、恒載荷法、預(yù)制裂紋法、慢應(yīng)變速率拉伸法，以及針對(duì) 7xxx 系列鋁合金的電導(dǎo)率檢測(cè)法，其中電化學(xué)法包括電化學(xué)阻抗譜和電化學(xué)噪聲等[73-77]。另外，應(yīng)力腐蝕檢測(cè)手段還包括聲發(fā)射技術(shù)（Acoustic Emission，AE）、長(zhǎng)焦距 顯 微 鏡 、 數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù) （ Digital ImageCorrelation，DIC）及形貌表征方法等原位檢測(cè)手段。
對(duì)于鋁合金的抗應(yīng)力腐蝕性能檢測(cè)，無論是慢應(yīng)變速率拉伸還是恒載荷法，均需要較長(zhǎng)的檢測(cè)時(shí)間，為了縮短檢測(cè)時(shí)間、提高檢測(cè)的經(jīng)濟(jì)性，在實(shí)際加工過程中，通常采用電導(dǎo)率在線檢測(cè)。在一般情況下，電導(dǎo)率愈高，抗應(yīng)力腐蝕性能愈好[78]。
2.7 其他檢測(cè)
在航空航天領(lǐng)域，為了確保鋁合金等金屬大型鍛件在使用過程中沒有任何安全隱患，對(duì)鍛件質(zhì)量的要求極高，在更多情況下需要根據(jù)鍛件的使用環(huán)境進(jìn)行特定的質(zhì)量檢測(cè)，比如整體鍛件的疲勞壽命檢測(cè)，包括高周疲勞試驗(yàn)和低周疲勞試驗(yàn)。根據(jù)鍛件在使用過程中的受力情況、重要程度和工作條件，需要檢測(cè)的質(zhì)量指標(biāo)通常還有高溫瞬時(shí)斷裂強(qiáng)度、高溫持久強(qiáng)度、持久塑性及高溫蠕變強(qiáng)度等。
3 、能耗檢測(cè)
工業(yè)節(jié)能不僅是“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃及“雙碳”目標(biāo)的要求，更是工業(yè)企業(yè)提升綜合實(shí)力的必由之路。能效管控是工業(yè)企業(yè)節(jié)能的一個(gè)重要研究方向，針對(duì)鍛造生產(chǎn)高能耗的特點(diǎn)，亟需厘清生產(chǎn)制造過程中能量流轉(zhuǎn)、損耗的機(jī)理。目前大多數(shù)能耗管控的研究注重于冷加工過程和金屬冶煉過程，由于鍛造過程火次多、工藝流程長(zhǎng)、生產(chǎn)環(huán)境高溫重載，涉及鍛造生產(chǎn)單工序或多工序能耗管控方面的相關(guān)研究較少。下面就筆者的理解將工業(yè)能耗檢測(cè)分為工廠層、裝備層和產(chǎn)品層 3 個(gè)層次，以期為企業(yè)節(jié)能提供一些探索的思路。
3.1 工廠層能耗檢測(cè)
針對(duì)航空航天行業(yè)鍛造生產(chǎn)制造企業(yè)往往具備多個(gè)車間同時(shí)進(jìn)行生產(chǎn)工作的特點(diǎn)，工廠層次的能耗檢測(cè)應(yīng)當(dāng)采用分布式的能源管理系統(tǒng)。對(duì)單個(gè)車間分別采集多源能源數(shù)據(jù)，采集的瞬時(shí)能源數(shù)據(jù)同步上傳到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的融合處理，最終在服務(wù)器端顯示能源數(shù)據(jù)報(bào)表、圖標(biāo)等功能，實(shí)現(xiàn)能耗分析、能源數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、查詢、信息共享[79]，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖 12 所示。對(duì)于鍛造企業(yè)，生產(chǎn)過程各個(gè)工序的能耗情況不一樣，但所消耗的能源類型一致，采用能源計(jì)量?jī)x表技術(shù)，給各車間配置用電計(jì)量?jī)x表、用天然氣計(jì)量?jī)x表、用水計(jì)量?jī)x表等數(shù)據(jù)采集儀表，對(duì)工廠各車間所耗用的能源和載能工質(zhì)進(jìn)行計(jì)量，及時(shí)準(zhǔn)確地獲取各類能耗數(shù)據(jù)。通過對(duì)各車間的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，明確生產(chǎn)制造過程各個(gè)工序的能效情況，重點(diǎn)剖析能效較低工序的能源耗用情況，精準(zhǔn)找到能耗最高的薄弱點(diǎn)進(jìn)行原因分析，并針對(duì)性地提出能源管控的措施，進(jìn)一步有效降低該車間的能耗，從而提高整個(gè)工廠的能效。
3.2 裝備層能耗檢測(cè)
工序是鍛件成形的基本環(huán)節(jié)，工序質(zhì)量是保障鍛件質(zhì)量的基礎(chǔ)，每個(gè)工序都需要依靠該工序?qū)Ｓ玫纳a(chǎn)制造裝備，故考慮裝備的能耗管控不僅有利于提高生產(chǎn)制造過程的能效，還有助于保障工序質(zhì)量，從而保證鍛件的質(zhì)量。將各工序鍛造裝備當(dāng)作能源數(shù)據(jù)采集對(duì)象，配置不同種類的計(jì)量?jī)x表用以采集鍛造裝備的耗電量、耗天然氣量以及耗水量等，通過能源分析系統(tǒng)得出在生產(chǎn)鍛件時(shí)裝備的功率和能效，找尋鍛造裝備能耗與鍛件質(zhì)量之間存在的關(guān)系，能夠進(jìn)一步明晰與裝備關(guān)聯(lián)性更強(qiáng)的質(zhì)量形成機(jī)制，為通過改善工藝路徑生產(chǎn)質(zhì)量更好的鍛件奠定了基礎(chǔ)，最終實(shí)現(xiàn)降低鍛件廢品率、提高鍛件生產(chǎn)制造能效的目的。
在對(duì)裝備能耗進(jìn)行分析時(shí)，可以將能耗分為 2類：加工能耗與基本能耗。加工能耗會(huì)因工藝和鍛件的變化而產(chǎn)生較大的變化，隨著加工時(shí)間變化呈非線性變化；基本能耗一般與裝備的開機(jī)運(yùn)行時(shí)間有關(guān)，不因工藝和鍛件的變化而產(chǎn)生較大變化，與加工時(shí)間近似于線性關(guān)系，通常包括潤(rùn)滑系統(tǒng)能耗、控制系統(tǒng)能耗等[80]，圖 13 為液壓機(jī)系統(tǒng)能量流模型。同時(shí)，在工序與工序之間、裝備與裝備之間存在各種各樣的生產(chǎn)調(diào)度擾動(dòng)因素，如未及時(shí)將鍛件從加熱爐中取出、鍛件夾取操作失誤等，可以采用 5M1E 分析法（人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)），從人員、機(jī)器、材料、方法、環(huán)境和測(cè)量 6 個(gè)維度來系統(tǒng)地控制擾動(dòng)因素對(duì)鍛件質(zhì)量產(chǎn)生的影響，從而使能耗分析更加細(xì)致準(zhǔn)確、更具有針對(duì)性，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)降低某一生產(chǎn)工序或某一鍛造裝備的能耗。
3.3 產(chǎn)品層能耗檢測(cè)
當(dāng)前，航空航天領(lǐng)域大型鍛件的生產(chǎn)模式以單件小批量為主，其生產(chǎn)周期是單個(gè)鍛件在各個(gè)工藝階段生產(chǎn)周期的總和。在鍛件的生產(chǎn)周期中，各種物料沿生產(chǎn)周期的軌跡流動(dòng)，形成物質(zhì)流；各種能源沿著轉(zhuǎn)換、使用、回收、耗散的路徑流動(dòng)，形成能量流。物質(zhì)流和能量流既獨(dú)立又相互聯(lián)系、彼此制約，能量流推動(dòng)物質(zhì)的流動(dòng)和轉(zhuǎn)變，而物質(zhì)流在轉(zhuǎn)變過程中又產(chǎn)生新的能量流[81]，工序能量流如圖 14 所示。鍛造過程中物質(zhì)流的主體是金屬材料的流動(dòng)，天然氣、煤等燃料的流動(dòng)為材料的控形控性過程提供必要的能量。
?（Exergy）作為一種衡量能源品質(zhì)的指標(biāo)，可以看作是在某種給定環(huán)境和約束條件下，一個(gè)過程或系統(tǒng)能夠釋放出的最大有用功或有效能。在進(jìn)行鍛壓工序時(shí)，電能和天然氣的能量一部分通過裝置和燃燒轉(zhuǎn)化為熱能以及機(jī)械能，在這一過程中導(dǎo)致鍛件形狀改變、性能提高的能量轉(zhuǎn)化成為鍛件所擁有的能量，即?流，另一部分能量耗散在環(huán)境里提高了裝備周邊的溫度。從本質(zhì)上來說，通過改變工藝參數(shù)、裝備參數(shù)使鍛件達(dá)到質(zhì)量及性能要求，是在調(diào)控各個(gè)工序中材料所獲得能量的多少，因此厘清鍛件生產(chǎn)周期中各工序的質(zhì)量與能耗的關(guān)聯(lián)機(jī)制是實(shí)現(xiàn)協(xié)同調(diào)控鍛件質(zhì)量能耗的一大重點(diǎn)，是企業(yè)在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)節(jié)能降耗的必經(jīng)之路。
因鍛造生產(chǎn)過程復(fù)雜、自動(dòng)化程度不高，為了更準(zhǔn)確地明晰能量在生產(chǎn)周期中的流動(dòng)，除檢測(cè)計(jì)量?jī)x表的能量數(shù)據(jù)、各工序的工藝參數(shù)及裝備參數(shù)外，還需檢測(cè)許多可控性低的擾動(dòng)因素，如轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間、環(huán)境溫度等。再者，將材料本身視作一定量的能源，同時(shí)考慮鋸料等材料切削工序的材料浪費(fèi)，可以獲知更為全面的鍛件生產(chǎn)周期能源流動(dòng)和能效，精確把握鍛件生產(chǎn)周期中能耗較高的過程或工序，有針對(duì)性地實(shí)施最為適合的節(jié)能辦法，從而加強(qiáng)鍛造生產(chǎn)線上的能源管理、降低生產(chǎn)鍛件的能耗、提高企業(yè)生產(chǎn)的一次良品率和能效。
4 、結(jié)論
大型鍛件作為高端裝備的關(guān)鍵承力構(gòu)件，所采用的金屬材料以鋁合金和高強(qiáng)鋼居多，其質(zhì)量直接關(guān)系著裝備的使用性能及服役安全；為滿足我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的要求，改善航空航天生產(chǎn)制造領(lǐng)域能耗管控粗放的行業(yè)現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量能耗協(xié)同管控，推動(dòng)鍛造工業(yè)向高質(zhì)低耗發(fā)展是必然趨勢(shì)。本文以鋁合金等金屬鍛件為對(duì)象，回顧、歸納、分析和探索了航空航天大型鍛件精密鍛造過程缺陷形成、質(zhì)量檢測(cè)與能耗監(jiān)測(cè)的內(nèi)容。
1）分析了大型鍛件在生產(chǎn)制造過程中的缺陷，將鍛件缺陷根據(jù)生產(chǎn)過程歸納為原材料產(chǎn)生的缺陷、備料產(chǎn)生的缺陷、加熱時(shí)產(chǎn)生的缺陷、鍛壓過程中產(chǎn)生的缺陷和鍛后熱處理中產(chǎn)生的缺陷 5 類，并分別闡述了缺陷的特點(diǎn)、產(chǎn)生原因及影響機(jī)制。
2）針對(duì)鋁合金等金屬鍛件質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)的不同，分為外觀質(zhì)量、力學(xué)性能、晶粒度/平均晶粒尺寸、斷裂韌性、殘余應(yīng)力、抗腐蝕能力及其他性能，對(duì)不同指標(biāo)的檢測(cè)方法進(jìn)行了分類歸納總結(jié)，并指出當(dāng)前航空航天領(lǐng)域大型鍛件生產(chǎn)過程常見的質(zhì)量檢測(cè)方法。
鍛件的結(jié)構(gòu)大型多樣，工藝條件多變，質(zhì)量形成機(jī)制復(fù)雜，故需要完備、便攜、不破壞鍛件的質(zhì)量檢測(cè)方法。對(duì)于外觀質(zhì)量，為節(jié)省人力時(shí)間，實(shí)現(xiàn)完整精確的自動(dòng)化檢測(cè)，非接觸式測(cè)量是國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)，包括激光測(cè)量和計(jì)算機(jī)視覺；對(duì)于其他質(zhì)量，除常規(guī)通過拉伸壓縮試驗(yàn)等基礎(chǔ)試驗(yàn)檢測(cè)力學(xué)性能外，還采用 TEM、EDS、XRD、EBSD 等檢測(cè)方法分析鍛件微觀組織結(jié)構(gòu)，由于航空航天領(lǐng)域常采用單件小批量的生產(chǎn)模式，其質(zhì)量檢測(cè)自然是更傾向于無損檢測(cè)，X 射線、超聲檢測(cè)等易操作、耗時(shí)短的無損檢測(cè)方法無疑是現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)。
3）按照工廠層、裝備層和產(chǎn)品層 3 個(gè)層次分別提出生產(chǎn)制造過程能耗檢測(cè)的方法，有針對(duì)性地闡明不同層次節(jié)能降耗的理論依據(jù)，在考慮不同層次生產(chǎn)擾動(dòng)因素的同時(shí)，在工廠層引入分布式工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)布局，在裝備層引入 5M1E?分析法，在產(chǎn)品層引入流，便于精準(zhǔn)定位高能耗的環(huán)節(jié)，提出準(zhǔn)確有效的方案，解決能耗突出環(huán)節(jié)的問題，為航空航天鍛造行業(yè)提供了高效低耗轉(zhuǎn)型發(fā)展的新思路。
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