大型TA32鈦合金壁板弧形鍛件工藝研究及試制

李東寬 董宇 莫安軍 王曉巍 王瑞麒 余勝峰 栗文強 曾菁

(1．航空工業(yè)沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司，遼寧110850；2．空裝駐沈陽地區(qū)第一軍事代表室，遼寧110148；3．中國第二重型機械集團德陽萬航模鍛有限責(zé)任公司，四川618000)

鈦合金因其比強度高、抗腐蝕性能好、綠色環(huán)保等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域。高溫鈦合金可以有效提高發(fā)動機的推重比，提高航空航天器的飛行性能，因而高溫鈦合金是鈦合金研究領(lǐng)域的重點之一[1-2]。TA32鈦合金是我國自行設(shè)計的一種近α型的高溫鈦合金。與TA12型合金相比，TA32型合金中去除了對材料焊接性能影響較大的Nd元素，添加了熱強元素Nb和Ta，很大程度上提高了材料的焊接性能，TA32型合金在高溫下仍具有良好的力學(xué)性能和抗蠕變性能，主要用于制造航空發(fā)動機葉片、壓氣機盤、鼓筒等[3]。

TA32中的合金元素種類較多，且含量較高，β穩(wěn)定元素含量低，工藝塑性差，尤其是在相變點(Tβ)以下以及物料溫度較低時，鍛造過程易出現(xiàn)裂紋，可鍛造的溫度區(qū)間較窄。采用溫度由高到低的常規(guī)鍛造工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品，高低倍組織不均，性能及無損檢測水平不能穩(wěn)定地滿足相關(guān)技術(shù)要求，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品質(zhì)量和成品率[4-7]。針對TA32鈦合金的工藝特點，利用現(xiàn)有設(shè)備和技術(shù)手段首次開展了大型壁板類弧形結(jié)構(gòu)鍛件試制，產(chǎn)品外形尺寸合格、組織性能優(yōu)良。

1 鍛件分析

如圖1所示為某型號飛機壁板類弧形鍛件，其輪廓尺寸為2384 mm×1042 mm×319 mm，整體厚度為65 mm～90 mm，截面厚度變化平緩，最大有效截面約90 mm，最大投影面積約2.5 m2，鍛件重量約900 kg，鍛件力學(xué)性能要求如表1所示。

圖1 壁板鍛件示意圖Figure 1 Schematical diagram of wall plate forging

表1 鍛件力學(xué)性能要求Table 1 Mechanical performance requirementsof forging

該鍛件上下表面隨形設(shè)計為空間曲面，鍛件厚度薄，重量大，在加熱、轉(zhuǎn)運、冷卻過程中易產(chǎn)生變形。根據(jù)鍛件材質(zhì)與外形情況，鍛造成形時有可預(yù)知的難點與風(fēng)險如下：

(1)TA32材質(zhì)在鍛造時易開裂，對鍛造速率、變形溫度、變形量之間的匹配有較高要求。

(2)鍛件表面積超過2 m2，厚度僅65 mm左右時，鍛件冷卻速率快，成形噸位高且不易充滿。

(3)金屬流動方向遵從最小阻力定律，因此鍛件外輪廓4個頂角為最難充滿位置，頂角處工藝凸臺存在充不滿的風(fēng)險。

因此需對鍛件材質(zhì)進行工藝試驗，研究其變形特性；對鍛件成形過程進行有限元模擬，合理分配每火次變形量，均勻化鍛件各部分變形量分配；對鍛件局部進行優(yōu)化設(shè)計，便于鍛件充分成形。

2 技術(shù)路線

主要生產(chǎn)流程為：鍛造(制坯→終鍛)→熱處理→理化檢測→粗加工→超聲檢測。

2.1 鍛件原材料

根據(jù)鍛件截面尺寸，原材料選用?400 mm規(guī)格棒料。

2.2 鍛件數(shù)值模擬

(1)數(shù)值模擬參數(shù)

近年來國內(nèi)外學(xué)者在大型鍛件成形過程及工藝參數(shù)方面作了較多研究，李蓬川等[8]采用專業(yè)有限元模擬分析軟件DEFORM對工藝進行不斷迭代優(yōu)化，確定了最佳坯料設(shè)計和模鍛成形工藝方案，規(guī)避了成形過程中填充不滿、渦流、穿流等鍛件的內(nèi)部和外部缺陷，摸索出一套在800 MN大型模鍛壓機上生產(chǎn)300M超高強度鋼前起外筒模鍛件的穩(wěn)定制造技術(shù)。鐘銳等[9]利用DEFORM進行數(shù)值模擬研究了變形速度、摩擦因子、變形溫度及坯料放置位置對于充填影響的顯著性以及影響規(guī)律，并獲得了較優(yōu)的工藝參數(shù)；何俊等[10]針對TC17鈦合金壓氣機前軸頸鍛件的原工藝進行了有限元模擬，將模擬結(jié)果與鍛件實際組織進行對比分析，優(yōu)化了壓氣機前軸頸鍛件加工工藝，減小了鍛件不同部位的室溫拉伸性能、硬度和低周疲勞性能的差異。

為提高生產(chǎn)效率和節(jié)約生產(chǎn)成本，根據(jù)前期TA32鈦合金鍛件生產(chǎn)經(jīng)驗，采用DEFORM-3D對鍛件進行了數(shù)值成形模擬分析。先基于三維繪圖軟件建立坯料和分塊模具的幾何造型，然后以STL格式文件導(dǎo)入DEFORM-3D軟件的前處理模塊。在有限元模型的構(gòu)建過程中，采用剛粘塑性有限元法。由于模具變形遠遠小于毛坯，因此將坯料設(shè)置為塑性體(Plastic)，上下模具設(shè)置為剛性體(Rigid)。坯料采用四面體離散單元進行網(wǎng)格劃分，四面體網(wǎng)格可準(zhǔn)確地離散逼近復(fù)雜的幾何形狀，以便材料能夠較好地填充至難變形區(qū)域，模擬具體參數(shù)如表2所示。

表2 有限元模擬過程參數(shù)Table 2 Finite element simulation process parameters

(2)坯料優(yōu)化設(shè)計

坯料設(shè)計與成形工藝是腹板類鍛件鍛造成形工藝設(shè)計的技術(shù)難點，在控制原材料投料重量在合理范圍內(nèi)的條件下，坯料設(shè)計應(yīng)滿足：1)金屬在模具型腔內(nèi)合理流動，鍛件完全成形，飛邊分布均勻，鍛件不產(chǎn)生流線折疊等缺陷；2)形狀盡可能簡單，制坯過程穩(wěn)定，火次少；3)模鍛成形過程穩(wěn)定可靠，鍛件一致性和穩(wěn)定性高。為滿足上述3個要求，根據(jù)腹板鍛件的重量、尺寸和截面面積以及飛邊重量的科學(xué)精細計算，通過數(shù)值模擬不斷迭代優(yōu)化，最終確定了結(jié)構(gòu)最簡單的坯料外形尺寸。通過5火制坯，得到尺寸為2350 mm×900 mm×100 mm的坯料，如圖2所示。該坯料可有效實現(xiàn)壁板鍛件不同區(qū)域初始體積的合理分配，獲得良好的填充效果，避免折疊缺陷。

圖2 棒料制坯過程Figure 2 Bar blanking process

(3)模鍛過程數(shù)值模擬

鍛件模鍛成形過程的模擬根據(jù)實際鍛造情況可以分解為以下三個階段：

1)坯料轉(zhuǎn)移過程模擬屬熱傳導(dǎo)模擬，鍛件坯料的轉(zhuǎn)移過程，即坯料出爐后到放置在下模上之間有90 s的轉(zhuǎn)移時間，該過程中坯料和模具僅與外界環(huán)境發(fā)生熱傳導(dǎo)。

2)閉模過程模擬屬熱傳導(dǎo)模擬，上下模閉模過程，即上模運動至與坯料接觸之間有2 s的時間間隔。這段時間內(nèi)坯料不但與外界空氣環(huán)境發(fā)生熱傳導(dǎo)，而且也與下模發(fā)生熱傳導(dǎo)。

3)成形過程模擬屬變形-傳熱耦合過程模擬，鍛件坯料的鍛造成形過程不僅發(fā)生坯料與空氣、坯料與模具、模具與空氣之間的熱傳導(dǎo)，而且還發(fā)生坯料自身的變形。根據(jù)鍛件設(shè)計方案對終鍛過程進行模擬，主要觀察鍛件成形情況、變形量及變形量分布均勻性，確定合格模鍛方案。

初始設(shè)計時，鍛件成形情況良好，但整體變形量分布不均勻，鍛件凹處部位變形量明顯大于其他部位。需對該部位進行優(yōu)化，保證變形均勻性。優(yōu)化方案為將鍛件凸起部分適當(dāng)降低，并抬高凹處，增大過渡圓角尺寸，見圖3。

圖3 鍛件優(yōu)化前后對比圖Figure 3 Comparison of forging before andafter optimization

將優(yōu)化后的鍛件重新模擬，荒坯尺寸與模擬參數(shù)不變，成形模擬結(jié)果見圖4。整體變形量在20%～30%。優(yōu)化后，荒坯成形良好，變形量分布均勻，方案合理可行。

(a)優(yōu)化前

2.3 工藝及熱處理試驗

為檢驗最終鍛件是否能夠達到使用要求，采用不同變形量的模具生產(chǎn)2件試驗鍛件用于分析測試，試驗件示意圖及變形量分布如圖5所示，試驗件尺寸如圖6所示。鍛造設(shè)備為16 MN快鍛機，鍛件成形后按照取樣圖進行雙重退火(Tβ溫度為1020℃)熱處理，雙重退火工藝如下：一次退火溫度990℃，退火2 h后空冷；二次退火溫度660℃，退火6 h后空冷。性能檢測用試樣取樣位置如圖6所示，對應(yīng)檢測項目如表3所示。試樣在熱處理后按照GB/T 228.1—2010加工成?5 mm×25 mm的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，然后進行室溫拉伸試驗。

圖6 試驗件取樣示意圖Figure 6 Schematic diagram of sampling test parts

表3 試驗件檢測項目Table 3 Test parts test items

表4為試驗件的室溫拉伸性能檢測結(jié)果。從表中可知，當(dāng)試驗鍛件的變形量分別為42%～54%、32%～42%、21～32%、15%～21%、8%～15%時，在進行雙重退火后，抗拉強度和屈服強度分別超過900 MPa和800 MPa，斷后伸長率和斷面收縮率分別大于8%和20%，均高于技術(shù)要求。表5所示為不同變形量鍛件在雙重退火后的550℃高溫拉伸性能檢測結(jié)果，從表中可知鍛件的抗拉強度均高于560 MPa，斷后伸長率和斷面收縮率分別高于10%和25%，也都高于技術(shù)要求。通過以上試驗結(jié)果可知，不同變形量的試驗件(變形量8%～54%)在進行雙重退火熱處理后，室溫力學(xué)性能和高溫力學(xué)性能均能夠達到技術(shù)要求，由此表明相應(yīng)的模鍛工藝和熱處理工藝合理可行。

表4 試驗件室溫力學(xué)性能檢測結(jié)果Table 4 Test results of mechanical propertiesof test parts at room temperature

表5 試驗件550℃高溫力學(xué)性能檢測結(jié)果Table 5 Test results of mechanical propertiesof test parts at 550℃

表6 試生產(chǎn)鍛件室溫拉伸性能檢測結(jié)果Table 6 Test results of tensile properties of trial production forgings at room temperature

表7 試生產(chǎn)鍛件550℃高溫拉伸性能Table 7 Tensile properties of trial production forgings at 550℃

3 鍛件試生產(chǎn)

鍛件分別經(jīng)過5火次制坯和1火次模鍛生產(chǎn)，鍛件制坯在45 MN快鍛機上進行，每火次變形量在40%左右，模鍛過程在800 MN模鍛壓機上進行，模鍛變形量在18%～50%范圍內(nèi)。加熱溫度采用相變點以下35～40℃，在兩相區(qū)成形，鍛后進行空冷。鍛件3D掃描結(jié)果顯示，實際鍛件外形的尺寸偏差在設(shè)計規(guī)定范圍內(nèi)，全尺寸符合圖紙的要求。鍛件模鍛成形情況與數(shù)值模擬情況基本一致。試生產(chǎn)鍛件力學(xué)性能檢測結(jié)果如表6和表7所示，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

(1)通過數(shù)值模擬技術(shù)對模鍛成形過程進行不斷地迭代優(yōu)化，制定出5火次制坯和1火次模鍛的工藝方案，鍛件充型良好，變形量均勻。

(2)試制鍛件整體力學(xué)性能均勻，完全符合力學(xué)性能要求。鍛件室溫整體抗拉強度>900 MPa，屈服強度>800 MPa，550℃高溫抗拉強度>560 MPa。

(3)TA32鈦合金在不同變形量條件下(變形量8%～54%)鍛造后進行雙重退火處理，其室溫拉伸性能和高溫拉伸性能均無明顯變化，這對后續(xù)大型TA32合金鍛件的試制生產(chǎn)研究有一定的指導(dǎo)意義。