有限元模擬TC11葉片等溫鍛坯料溫度對成形的影響

俞應(yīng)煒，徐平安，李智勇

（昌河飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，江西 景德鎮(zhèn) 333002）

有限元模擬TC11葉片等溫鍛坯料溫度對成形的影響

俞應(yīng)煒，徐平安，李智勇

（昌河飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，江西 景德鎮(zhèn) 333002）

本文選用了兩種不同溫度的坯料進(jìn)行模擬分析，溫度分別是915℃、935℃。TC11鈦合金葉片壓制采用等溫鍛工藝，可有效消除葉片內(nèi)的冷模組織，顯著提高葉片內(nèi)溫度分布均勻性。模擬結(jié)果顯示，兩種溫度坯料均滿足等溫鍛工藝要求。但是坯料溫度較低時，成形完整時需要較大成形載荷，模具磨損也更明顯。坯料最高溫度不能超過935℃，最佳區(qū)間為925℃～935℃。其中坯料溫度為935℃對于降低成形載荷更加有利。

等溫鍛工藝；TC11葉片；有限元模擬；坯料溫度；成形載荷

TC11鈦合金最早是20世紀(jì)50年代中期由美國 Crucible公 司 研 制 出 的 B120VCA 合 金（Ti-13V-11Cr-3Al），一種新型抗氧化、超高強(qiáng)鈦合金，具有良好的抗氧化性能，冷熱加工性能優(yōu)良，可制成厚度為0.064mm的箔材，可通過固溶-時效處理獲得較高的機(jī)械性能、良好的環(huán)境抗力及強(qiáng)度與斷裂韌性能，同時用以制造各種航空航天構(gòu)件[1]。

葉片是航空發(fā)動機(jī)的重要組成部分，是決定燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)壽命的最大零件，其主要作用是使燃?xì)飧咚倭鲃硬⑥D(zhuǎn)換為飛機(jī)所需動力，具體來說就是葉片要與發(fā)動機(jī)內(nèi)腔配合形成燃?xì)饣蚩諝夥较蚣敖孛娴牟粩嘧兓?，并與渦輪盤、主軸等配合達(dá)到燃?xì)獍l(fā)生器在高溫時可壓縮易燃?xì)饬鱗2]。正是由于葉片在航空發(fā)動機(jī)中的作用，決定了葉片的工作環(huán)境差，還需承受巨大載荷。葉片通常在高溫條件下工作，葉身和葉根除承受著由離心力產(chǎn)生的拉伸與彎曲，以及受燃?xì)饬髯饔枚a(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)力外，還要經(jīng)受振幅和頻率變化范圍很大的振動載荷的交變應(yīng)力，這些都需要葉片具有強(qiáng)度高、韌性好、抗蠕變和抗應(yīng)力腐蝕的能力強(qiáng)，并且有較高的表面光潔度，所以葉片的選材、設(shè)計方法和制造技術(shù)等均有較高要求。

1 有限元模擬方法及結(jié)果

1.1 數(shù)值模擬的初始條件的設(shè)立

坯料材料為TC11，首先需經(jīng)荒坯壓制。根據(jù)工廠實際生產(chǎn)情況，鍛造過程以近等溫鍛的形式進(jìn)行。坯料的初始條件：始鍛溫度915℃、935℃，模具溫度870℃。液壓機(jī)的壓制曲線如圖1所示。

圖1 壓力機(jī)的壓制曲線

模擬計算時采用的其他有關(guān)物理參數(shù)：坯料材料密度 4.5×103kg/m3，比熱容493J/kg·K，導(dǎo)熱系數(shù)17.8 W/m·K，坯料與周圍環(huán)境的熱交換系數(shù)10mt－30·K－1，坯料與模具基礎(chǔ)面的熱交換系數(shù)200mt－30· K－1。坯料模型如圖2所示。

圖2 荒坯模型

1.2 數(shù)值模擬結(jié)果

1.2.1 坯料溫度為915℃、935℃時等效應(yīng)變分布和應(yīng)變速率分布對比

935℃坯料變形過程完成后葉片的等效應(yīng)變分布如圖3所示。圖中葉片在變形結(jié)束后的應(yīng)變總體分布在1.45以下，但在葉榫中心形區(qū)域應(yīng)變值較大，達(dá)到10左右。從圖中葉片的等效應(yīng)變數(shù)值看，除中心橢圓形區(qū)域發(fā)生較大變形外，葉片其他區(qū)域變形較小。915℃坯料變形結(jié)束時葉片的等效應(yīng)變?nèi)鐖D4所示。從圖中可以看出，葉片的整體等效應(yīng)變數(shù)值在1.6以下，與935℃坯料相比，等效應(yīng)變的分布基本一致，數(shù)值稍有提高但相差不大。

圖3 935℃坯料等效應(yīng)變分布

圖4 915℃坯料等效應(yīng)變分布

為了減小變形熱效應(yīng)，降低材料變形抗力，等溫鍛一般都以較低的應(yīng)變速率進(jìn)行。模擬的初始應(yīng)變速率為1×10-7s-1，變形結(jié)束時葉片應(yīng)變速率的分布情況如圖5所示。從圖中可以看出，應(yīng)變速率較大的區(qū)域主要集中在葉榫區(qū)域，最大應(yīng)變速率值達(dá)到0.05s-1，應(yīng)變速率最小值約為0.00074s-1。葉片其他區(qū)域的應(yīng)變速率值約為0.0034s-1。935℃坯料變形結(jié)束時的應(yīng)變速率分布如圖6所示。從圖中可以看出，變形結(jié)束時葉片的應(yīng)變速率分布在葉榫中心區(qū)域數(shù)值較大。最大值達(dá)到0.06s-1，其他區(qū)域應(yīng)變速率平均值約為0.002s-1。與圖5坯料的應(yīng)變速率相比，數(shù)值基本相同。

圖5 935℃坯料應(yīng)變速率分布

圖6 915℃坯料應(yīng)變速率分布

1.2.2 坯料溫度為915℃、935℃時變形結(jié)束溫度分布對比

935℃坯料變形完成后，葉片表面以及芯部的溫度分布如圖7所示。由圖可見，由于等溫鍛過程中坯料、模具、環(huán)境之間的溫差較小，同時又以很低的應(yīng)變速率變形，因而整個坯料的溫度分布比較均勻。坯料芯部局部溫度最高的區(qū)域約為944℃，比始鍛溫度上升約30℃左右，坯料表層溫度約為890℃左右，與普通鍛造工藝相比，坯料的溫度均勻性有了明顯提高。說明等溫鍛工藝對于消除冷模組織，提高鍛件內(nèi)溫度分布的均勻性是十分有效的。這樣的溫度分布對于提高鍛件組織性能的均勻性非常有益。

915℃坯料變形結(jié)束后葉片的溫度分布如圖8所示，坯料初始溫度915℃，比圖7坯料略低。葉片區(qū)域最高溫度達(dá)940℃，葉片表面平均溫度為890℃。葉片的芯部溫度分布如圖所示，葉榫芯部的溫度分布與圖7坯料的溫度分布一致，最高溫度在940℃左右。

圖7 935℃坯料變形結(jié)束溫度分布

本次模擬在坯料內(nèi)部及表面共取三個點來追蹤葉片在變形過程中溫度的變化。點的位置如圖9所示，芯部的點為P1，表面的點為P2、P3。

從圖10、11、12可以看出，在935℃坯料溫度下葉片芯部的P1點在變形過程中最高溫度為942℃，最低溫度為919℃，與初始的935℃相比，溫度變化不大，這是由于成形過程速度較低，坯料溫升控制較好。表面的P2、P3點在變形過程中最高溫度均為935℃，在鍛造開始時，上模未接觸坯料之前，溫度有所降低，上模接觸坯料之后開始成形的過程中，由于機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，溫度有所上升，最終溫度都在900℃左右。

圖13、14、15三個點的位置與圖10、11、12坯料的取點位置一樣。P1為葉榫芯部的點，P2、P3為葉片表面上的點。從圖中可以看出，葉榫芯部的點P1的最高溫度為 929.2℃，P2、P3點的最低溫度分別為895.5℃、814.8℃。與圖10、11、12坯料相比，溫度稍低。1.2.3 坯料溫度為915℃、935℃時對成形載荷影響

圖8 915℃坯料變形結(jié)束溫度分布

圖9 葉片取點的分布

圖10 935℃坯料P1點溫度變化曲線

圖11 935℃坯料P2點溫度變化曲線

圖12 935℃坯料P3點溫度變化曲線

圖13 915℃坯料P1點溫度變化曲線

圖14 915℃坯料P2點溫度變化曲線

圖15 915℃坯料P3點溫度變化曲線

圖16為坯料溫度為935℃成形過程中上模載荷隨時間變化的曲線。從圖中可以看出，在8s后上模與坯料接觸，上模載荷開始逐漸增大，行程開始時壓力機(jī)的速度為2mm/s，20～40s時載荷上升較快，40～ 60s時載荷在1800t左右，60～80s載荷上升加快，迅速從60s時的2000t上升到3500t，80s之后成形力急劇上升，從80s時的3500t升到90s時的6500t。40～60s區(qū)間內(nèi)載荷上升緩慢是由于此階段主要發(fā)生金屬流動，模具的阻力較小，而60s后，模具填充基本完成，金屬繼續(xù)流動到模具截面較小的區(qū)域，摩擦阻力很大，同時坯料溫度也逐漸降低，所以載荷急劇上升。從圖中可以看出，上模的最高載荷為6589.9t。圖17為成形過程中上模的載荷隨時間變化的曲線。從圖中可以看出，曲線的整體走勢跟圖16坯料成形過程的載荷分布一致，8s后載荷開始逐漸增大，20～40s時載荷上升較快，40～60s時載荷也在1800t左右，60～80s載荷上升加快，80s時達(dá)到4000多t，80s之后成形力急劇上升，最大載荷達(dá)到7287.7t。與坯料溫度為935℃載荷曲線相比，60s之前載荷曲線基本一樣，60s后，由于模具填充基本完成，金屬繼續(xù)流動到模具截面較小的區(qū)域，摩擦阻力很大，同時坯料的溫度也逐漸降低，915℃坯料的溫度比935℃坯料的溫度更低，所以所需載荷更大。

圖16 915℃時成形載荷隨時間變化曲線

圖17 935℃時成形載荷隨間變化曲線

1.2.4 坯料溫度為935℃、915℃時對于模具的影響

圖18為上模和下模的模具磨損情況，從圖中可以看出，紅色區(qū)域以及黃色區(qū)域為磨損較為嚴(yán)重的區(qū)域，這是由于在成形過程中，坯料首先填充葉榫部分，隨著上模向下運動，金屬繼續(xù)流動，模具對金屬流動產(chǎn)生較大阻力，因而紅色區(qū)域部分的磨損較為嚴(yán)重。從圖中可以看出上下模的磨損位置一致，可通過對預(yù)鍛荒坯的形狀進(jìn)行優(yōu)化來降低模具的磨損。如圖19為915℃坯料成形結(jié)束后模具磨損情況，與935℃坯料相比模具磨損位置一致，915℃坯料的模具磨損最大值為10408mm·MPa，而935℃坯料模具磨損最大值達(dá)到11029.2mm·MPa，坯料的溫度降低對模具磨損有一定影響。

圖18 935℃坯料模具磨損情況

圖19 915℃坯料模具磨損情況

2 結(jié)論

（1）TC11鈦合金葉片壓制采用等溫鍛工藝，可以有效消除葉片內(nèi)的冷模組織，顯著提高葉片內(nèi)溫度分布均勻性。模擬結(jié)果顯示，兩種溫度的坯料變形結(jié)束時，葉片區(qū)域的溫差在30℃以內(nèi)。

（2）由于坯料荒坯形狀已確定，選擇了兩種不同溫度的荒坯進(jìn)行終鍛，模擬結(jié)果顯示，兩種溫度坯料均滿足等溫鍛工藝要求。但是坯料溫度較低時，成形完整時需要較大成形載荷，模具磨損也更明顯。

（3）通過對不同終鍛溫度的坯料進(jìn)行模擬計算，確定了等溫鍛終鍛坯料最高溫度不能超過935℃，最佳925℃～935℃。其中坯料溫度935℃對于降低成形載荷更加有利。

[1]柳 陽.基于HA集群的Linux多機(jī)互備份系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[D].廣州：華南理工大學(xué)，2011.

[2]透平機(jī)械現(xiàn)代制造技術(shù)叢書編委會.葉片制造技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2002：356－359.

Finite element simulation of influence of TC11 blade isothermal forging billet temperature to the forming

YU Yingwei,XU Pingan,LI Zhiyong
（Changhe Aircraft Industry Group Co.,Ltd.,Jingdezhen 333002,Jiangxi China）

Two kinds of billet with different temperature (915℃，935℃)have been simulated and analyzed in the text.The isothermal forging process has been adopted to TC11 titanium alloy blade in order to effectively eliminate the cold die structure in the blade,which can significantly improve the temperature uniformity of the blade.The simulation results show that the two kinds of billet can meet the requirements of isothermal forging process.But when the billet temperature is low,bigger forming load has been needed if the forming is complete,and the die wear is more obvious.The maximum temperature of the billet can't exceed 935℃,and the optimum temperature range is 925℃ to 935℃.It is more favorable for reducing the load when the billet temperature is 935℃.

Isothermal forging;Billet temperature;Forming load

TG316

A

10.16316/j.issn.1672－0121.2017.01.018

1672－0121（2017）01－0070－05

2016－10－22；

2016－12－10

俞應(yīng)煒（1988－），男，碩士，助工，從事冶金工藝研究。E－mail：yuyingweihold@163.com