TC4鈦合金大型模鍛件鍛造工藝

文/徐東，蘇春民，李興品，李玉鳳·貴州安大航空鍛造有限責(zé)任公司郭欣達·中國人民解放軍駐安順地區(qū)軍代室

TC4鈦合金大型模鍛件鍛造工藝

文/徐東，蘇春民，李興品，李玉鳳·貴州安大航空鍛造有限責(zé)任公司郭欣達·中國人民解放軍駐安順地區(qū)軍代室

發(fā)動機中的風(fēng)扇葉輪屬于發(fā)動機前段工作部分，服役溫度不高，但需承受較大的離心力作用，因此力學(xué)性能要求較高。鈦合金具有較高的比強度，密度相對較小，有利于提高發(fā)動機的推重比，符合發(fā)動機的選材要求。圖1所示的鍛件材料為TC4鈦合金，從材料的變形抗力和外形分析，初步判斷鍛件成形抗力較大，不易成形；從材料流動角度分析，鍛件小頭肩部垂直方向較薄，溫度下降較快，材料流動填充相對困難。因此，鍛件需進行荒形制備，且荒形各部分材料應(yīng)合理分配，以利于降低模壓過程中的變形抗力和提高材料的填充性。

圖1 鍛件圖

成形方案優(yōu)化

變形抗力

鍛造過程中變形抗力越小，材料流動性越好，鍛件成形越容易，同時越有利于鍛造設(shè)備的選取。為了得到較低的變形抗力，針對坯料的模壓過程進行了數(shù)值模擬計算，以期設(shè)計出較為合理的坯料。模擬參數(shù)：變形溫度為970℃；上模下壓速度為2mm/s；模具預(yù)熱溫度為250℃；摩擦系數(shù)為0.7。圖2為5種坯料方案及變形抗力的模擬結(jié)果。從圖2中可以看出，方案1采用矩形環(huán)坯，該坯料生產(chǎn)工藝為簡單變形；方案2采用矩形環(huán)坯，機加帶錐度的內(nèi)孔，該坯料內(nèi)孔大小較符合鍛件小頭的大小；方案3采用內(nèi)孔帶錐度并具有鍛件小頭外形的復(fù)雜形狀的坯料，制坯需采用胎模；方案4直接采用棒料機加一頭的斜度即可，制坯工序簡單；方案5利用沖頭將內(nèi)孔沖出，并留有很薄的內(nèi)筋，利于降低后期模壓時鍛件小頭薄壁部分的成形難度。變形抗力從小到大順序排列為：方案3＜方案5＜方案4＜方案2＜方案1。

圖2 5種坯料方案及變形抗力（噸位）

金屬流線

模鍛件流線要求較高，一般要求沿鍛件輪廓分布。從流線分布（圖3）來看，5種方案的鍛件流線均能沿著鍛件輪廓分布，方案1、2、3、5采用環(huán)坯成形，流線形狀相近，而方案4采用中心不沖孔的坯料成形，變形較劇烈，流線分布不太均勻，產(chǎn)生渦流的可能性增加?？傮w來說5種方案流線均能符合鍛件外形，但方案4的鍛件流線欠佳。

方案的確定

圖3 5種方案的鍛件流線

從載荷大小的角度，方案1、2坯料對應(yīng)最大的載荷，對設(shè)備力量要求太高，用現(xiàn)有設(shè)備成形風(fēng)險較高。方案3坯料模壓時載荷最小，但環(huán)坯的制備較為復(fù)雜，需要依靠胎模來制取環(huán)坯。方案4對應(yīng)的荒形簡單，制備容易，而且載荷相對較低，是一種較好的方案，但流線欠佳。方案5對應(yīng)的環(huán)坯僅需靠沖頭即可成形，不需胎模等工裝，且載荷相對較低，也是一種較好的成形方案。分析選用方案5的坯料進行模壓較為合適。圖4為方案5模壓結(jié)束時的應(yīng)變分布，圖中可以看出應(yīng)變范圍在0.041～2.7之間，截面上變形區(qū)域基本在0.11以上，低于0.11的變形區(qū)域僅存在于鍛件底部一個小區(qū)域內(nèi)，且該小變形區(qū)在后續(xù)機加過程中可以去除，因此方案5變形相對均勻，可以保證鍛件組織均勻一致。

工藝試驗

根據(jù)方案5的中間坯進行工藝試驗，環(huán)坯經(jīng)過機加后進行模壓，鍛件經(jīng)兩火模壓成形，形狀如圖5所示。即采用方案5的坯料進行模壓是可行的，鍛件形狀尺寸均達到圖1的設(shè)計要求。

從鍛件切取的低倍試樣如圖6所示，低倍未見缺陷（3～6級），符合技術(shù)條件要求，流線基本沿鍛件外形分布。鍛件切片的高倍試樣情況如圖7所示，從圖7可以看出，鍛件為雙態(tài)組織，組織形貌符合技術(shù)要求中的3～5級，等軸初生α含量在30%～45%之間，符合技術(shù)條件要求。

結(jié)束語

采用數(shù)值模擬手段對坯料方案進行優(yōu)化，并選取了合適的坯料進行工藝試驗，結(jié)果表明：

圖4 方案5模壓結(jié)束時的應(yīng)變分布

圖5 采用方案5模壓后的鍛件形狀

圖6 鍛件低倍試樣

圖7 鍛件高倍照片

⑴采用不同的環(huán)坯生產(chǎn)所得到的變形抗力有所區(qū)別，總體規(guī)律是與最終鍛件形狀越接近的坯料，變形抗力越小。

⑵毛邊的產(chǎn)生時機對鍛件成形有一定的影響，毛邊產(chǎn)生時機越晚越有利于成形。

⑶選取了變形抗力適中，制坯工序操作簡單，流線較好的坯料進行工藝試驗，鍛件外形尺寸、組織性能完全滿足技術(shù)要求。證明所選坯料方案合適。

徐東，工程師,主要從事高溫合金、鈦合金鍛造及熱處理，環(huán)形鍛件及模鍛件的成形及數(shù)值模擬等方面的工作。