TC25鈦合金機(jī)匣優(yōu)化鍛造工藝研究

謝永富，葛 波，呂日紅，蘇春民，張小梅

(1.貴州安大航空鍛造有限責(zé)任公司， 貴州 安順 561005； 2.貴州黎陽航空動(dòng)力有限公司， 貴陽 550014)

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【機(jī)械制造與檢測(cè)技術(shù)】

TC25鈦合金機(jī)匣優(yōu)化鍛造工藝研究

謝永富1，葛 波1，呂日紅2，蘇春民1，張小梅1

(1.貴州安大航空鍛造有限責(zé)任公司， 貴州 安順 561005； 2.貴州黎陽航空動(dòng)力有限公司， 貴陽 550014)

針對(duì)TC25鈦合金機(jī)匣類薄壁零件在加工和使用過程中容易變形，通過對(duì)TC25鈦合金某鍛件進(jìn)行鍛造、熱處理等工藝參數(shù)優(yōu)化的技術(shù)研究，對(duì)比分析原工藝和優(yōu)化工藝對(duì)鍛件產(chǎn)品組織、性能、殘余應(yīng)力等方面的影響，優(yōu)化工藝生產(chǎn)鍛件的組織均勻性和應(yīng)力均勻性，工藝優(yōu)化效果明顯，基本實(shí)現(xiàn)了殘余應(yīng)力和組織狀態(tài)有效管理。

TC25鈦合金；殘余應(yīng)力；工藝參數(shù)；均勻性

TC25鈦合金是前蘇聯(lián)研制的α+β型兩相鈦合金，屬于Ti-Al-Zr-Sn-Mo-W系合金，綜合性能優(yōu)良，而且兼有高熱強(qiáng)性和熱穩(wěn)定性。研究表明，TC25鈦合金零件在500℃以下可工作6 000 h，在550℃左右也可工作3 000 h；該合金加工性能良好，被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零件[1-3]。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)用機(jī)匣類鍛件多為關(guān)重件，其品質(zhì)關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)工作的安全性和可靠性[4-7]。驗(yàn)證機(jī)階段所制造的大型機(jī)匣類鍛件的組織和性能雖然能滿足相關(guān)技術(shù)要求，但由于此類機(jī)匣鍛件加工出的零件具有薄壁、形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工余量大、剛性低、精度要求高等特點(diǎn)，在制造和使用過程中易產(chǎn)生變形，從而降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性[8]。

為解決TC25合金薄壁類零件存在的品質(zhì)問題，實(shí)現(xiàn)TC25鈦合金薄壁類零件的冶金品質(zhì)穩(wěn)定，提高組織均勻。需對(duì)TC25鈦合金鍛件進(jìn)行鍛造、熱處理等工藝參數(shù)研究，對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化、細(xì)化[9-10]。優(yōu)化工藝，可提高鍛件冶金品質(zhì)。細(xì)化工藝，可提高工藝的操作性和可控性，減少人為及其它影響鍛件變形的不利因素，提高產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定性與批次一致性。

1 實(shí)驗(yàn)思路

要解決TC25合金機(jī)匣類薄壁零件在整個(gè)加工過程中容易產(chǎn)生變形的問題，首先要實(shí)現(xiàn)TC25合金薄壁類零件的冶金品質(zhì)穩(wěn)定，即鍛件的組織、性能、應(yīng)力狀態(tài)等均需盡量均勻。本文思路為采用優(yōu)化、細(xì)化工藝生產(chǎn)環(huán)件，研究?jī)?yōu)化、細(xì)化工藝對(duì)環(huán)件尺寸精度的影響，對(duì)比分析環(huán)件優(yōu)化、精化工藝與原軋制工藝對(duì)環(huán)件組織性能的影響。

2 工藝優(yōu)化

2.1 優(yōu)化原則

從原材料、加熱、鍛造、熱處理等全過程進(jìn)行分析，對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化、細(xì)化，遵循主導(dǎo)工藝不變，采用脹形新技術(shù)。

2.2 工藝改進(jìn)措施

要實(shí)現(xiàn)TC25鈦合金薄壁類零件的冶金品質(zhì)穩(wěn)定，需提高鍛件冶金品質(zhì)，保證組織均勻性，提高工藝的操作性和可控性，減少人為及其它影響鍛件變形的不利因素，提高產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定性與批次一致性。

根據(jù)我公司生產(chǎn)實(shí)際，相對(duì)于輾軋工藝，輾軋+脹形組合工藝有以下優(yōu)點(diǎn)：① 有效消除橢圓、喇叭口等成形缺陷；② 提高環(huán)件成形后尺寸精度，降低材耗；③ 環(huán)件周向應(yīng)力趨于一致；④ 提高產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定性。我公司對(duì)原工藝存在的一些問題進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化(具體情況見表1)。

表1 工藝改進(jìn)措施

3 鍛件生產(chǎn)

采用原工藝和優(yōu)化工藝各生產(chǎn)1件TC25鈦合金某機(jī)匣鍛件。

原工藝主要生產(chǎn)工序?yàn)橄铝稀訜帷叴帧訜帷鷽_孔、脹孔→加熱→終軋→熱處理→機(jī)加→探傷→理化測(cè)試。

優(yōu)化工藝主要生產(chǎn)工序?yàn)橄铝稀訜帷叴?、沖孔→加熱→預(yù)軋→加熱→終軋→加熱→脹形→熱處理→機(jī)加→探傷→理化測(cè)試。

4 鍛件理化分析

對(duì)鍛件進(jìn)行理化測(cè)試后，分析原工藝和優(yōu)化工藝對(duì)鍛件產(chǎn)品組織、性能、殘余應(yīng)力等方面的影響。

熱處理后，檢驗(yàn)鍛件兩端面周向均布4點(diǎn)位置的硬度值，結(jié)果如表2所示。相對(duì)于原工藝，優(yōu)化工藝兩端面硬度值差值小，硬度分布均勻。

表2 鍛件工藝優(yōu)化前后硬度對(duì)比

鍛件按圖1要求取樣，進(jìn)行理化測(cè)試。

原工藝鍛件低倍未見缺陷及清晰晶，符合技術(shù)要求4級(jí)，如圖2所示；優(yōu)化工藝鍛件低倍未見缺陷及清晰晶，符合技術(shù)要求3級(jí)，如圖3所示。原工藝鍛件高倍組織為兩相區(qū)加工組織，組織形態(tài)符合技術(shù)條件要求2級(jí)，如圖4所示；優(yōu)化工藝鍛件高倍組織為兩相區(qū)加工組織，組織形態(tài)符合技術(shù)條件要求2級(jí)，如圖5所示。

圖1 鍛件理化取樣位置圖

圖2 原工藝低倍照片

圖3 優(yōu)化工藝低倍照片

圖4 原工藝高倍照片

圖5 優(yōu)化工藝高倍照片

原工藝與優(yōu)化工藝常溫力學(xué)性能、高溫力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性對(duì)比分別如表3、表4、表5。此外優(yōu)化前后的鍛件500℃、550℃高溫持久性能皆合格。

表3 鍛件工藝優(yōu)化前后常溫力學(xué)性能

表4 鍛件工藝優(yōu)化前后高溫力學(xué)性能

表5 鍛件工藝優(yōu)化前后熱穩(wěn)定性

綜上可知，相對(duì)于原工藝，優(yōu)化工藝低倍組織更細(xì)，優(yōu)化工藝高倍組織初生α相等軸化程度更高，且組織分布均勻；常溫力學(xué)性能、高溫力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性提高、塑性下降。高溫瞬時(shí)強(qiáng)度，原工藝不合格，優(yōu)化工藝強(qiáng)度合格。優(yōu)化工藝鍛件各位置的各項(xiàng)性能差值較小，分布均勻。

5 殘余應(yīng)力測(cè)試分析

將鍛件按小孔法進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試，分別測(cè)試鍛件上下端面和內(nèi)環(huán)面各8個(gè)點(diǎn)，上下端面和內(nèi)環(huán)面的各個(gè)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，點(diǎn)與點(diǎn)之間的角度為45°，8點(diǎn)位置平均分布。測(cè)試點(diǎn)分布如圖6。

經(jīng)檢測(cè)，鍛件工藝優(yōu)化前后殘余應(yīng)力如表6、表7、表8所示。工藝優(yōu)化后，優(yōu)化鍛件內(nèi)環(huán)面、外端面1、外端面2殘余應(yīng)力均值皆小于原工藝鍛件，優(yōu)化工藝鍛件內(nèi)環(huán)面、外端面1殘余應(yīng)力極差皆小于原工藝鍛件，優(yōu)化工藝鍛件外端面2殘余應(yīng)力極差稍大于原工藝鍛件。綜上所述，工藝優(yōu)化后，鍛件各處殘余應(yīng)力值均小于原工藝，分布更加均勻。

圖6 測(cè)試點(diǎn)分布圖

內(nèi)環(huán)面測(cè)點(diǎn)12345678平均值最大差值徑向殘余應(yīng)力/MPa原工藝-78．2-106．2-63．1-137．9-113．5-139．6-99．8-155．7-111．8-92．6優(yōu)化工藝-117．0-109．0-87．2-93．0-129．0-144．7-101．5-124．8-113．3-57．5周向殘余應(yīng)力/MPa原工藝-70．1-71．3-21．2-120．2-152．6-117．1-98．1-141．5-99．1-131．4優(yōu)化工藝-94．0-74．3-73．0-82．3-120．0-91．3-100．8-100．8-92．0-47．0

表7 鍛件外端面1工藝優(yōu)化前后殘余應(yīng)力對(duì)比

表8 鍛件外端面2工藝優(yōu)化前后殘余應(yīng)力對(duì)比

6 結(jié)論

1) 采用優(yōu)化工藝生產(chǎn)的TC25鈦合金某機(jī)匣鍛件，力學(xué)性能、高低倍組織檢測(cè)，指標(biāo)均符合技術(shù)條件。

2) 采用優(yōu)化工藝生產(chǎn)的鍛件的殘余應(yīng)力大小和均勻性皆取得了明顯提高，優(yōu)化工藝效果明顯，基本實(shí)現(xiàn)了殘余應(yīng)力和組織狀態(tài)有效管理。

[1] 權(quán)亞平，劉建科，董潔.航空用BT25鈦合金環(huán)材的工藝探索[J].金屬世界，2014(3)：51．

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(責(zé)任編輯 唐定國)

Research on TC25 Titanium Alloy Forging Process Optimization

XIE Yong-fu1， GE Bo1， LYU Ri-hong2, SU Chun-ming1， ZHANG Xiao-mei1

(1.Avic Guizhou Anda Aviation Forging Co.,Ltd., Anshun 561005, China; 2.Guizhou Liyang Aviation Power Co.,Ltd., Guiyang 550014, China)

This thesis covers optimization of process parameters such as forging and heat treatment for TC25 titanium alloy case with thin wall, which deforms easily during processing and service. Also, original process and optimized one are compared for effect on structure, properties, and residual stress of forging product. After optimized, uniformity of structure, stress of forgings and the effect of optimization is significant; residual stress and structure can also be controlled effectively.

TC25 titanium alloy； residual stress； process parameter； uniformity

2017-02-20；

2017-04-10

謝永富(1968—)，男，高級(jí)工程師，主要從事材料加工研究。

葛波(1988—)，男，工程師，主要從事鍛造熱處理研究。

10.11809/scbgxb2017.06.027

format:XIE Yong-fu， GE Bo， LYU Ri-hong, et al.Research on TC25 Titanium Alloy Forging Process Optimization[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(6):121-124.

TG306

A

2096-2304(2017)06-0121-04

本文引用格式：謝永富，葛波，呂日紅，等.TC25鈦合金機(jī)匣優(yōu)化鍛造工藝研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(6):121-124.