等溫鍛造技術及應用

文/李增樂，毛智勇·陜西宏遠航空鍛造有限責任公司

汪波·空軍駐430廠軍事代表室

等溫鍛造技術及應用

文/李增樂，毛智勇·陜西宏遠航空鍛造有限責任公司

汪波·空軍駐430廠軍事代表室

等溫模鍛技術是在傳統模鍛工藝基礎上發展起來的一項新工藝，與普通模鍛技術不同，它是將模具和坯料均加熱到鍛造溫度，并使坯料在變形過程中保持溫度不變。該技術可以顯著改善坯料的塑性和流動能力，主要應用于航天、航空工業中的鈦合金、高溫合金、鋁合金和鎂合金鍛件，以及新材料難變形合金鍛件的精密成形。

等溫鍛造的優點

等溫鍛造與常規鍛造不同，它可以消除或大幅減少因毛坯與模具之間的溫差造成的影響，使坯料在被加熱到鍛造溫度的恒溫模具中，以較低的應變速率成形。從而解決了在常規鍛造時，由于變形金屬表面激冷增加的流動阻力和變形抗力，以及金屬變形不均勻而造成內部組織、性能的差異。等溫鍛造也是目前國際上實現近凈成形技術的主要方法之一，一般可以分為以下3類：

⑴等溫精密模鍛。金屬在等溫條件下鍛造得到小斜度或無斜度、小余量或無余量的鍛件。這種方法可以生產一些形狀復雜、尺寸精度要求一般、受力條件要求較高、外形接近零件形狀的結構鍛件。

⑵等溫超塑性模鍛。金屬不但在等溫條件下，而且在極低的變形速率（10-4/s）條件下也呈現高的塑性狀態，從而使難變形金屬獲得所需冶金組織、形狀和尺寸。

⑶粉末合金等溫鍛造。這類工藝方法是以粉末冶金預制坯為等溫鍛造原始坯料，在等溫超塑性條件下，使坯料產生較大形變，壓實坯料，從而得到滿足工藝要求的鍛件。

等溫鍛造具有以下優點：

⑴極大地降低金屬的流變抗力，其總壓力相當于普通模鍛的10%～20%。因此，可以節省設備投資和動力消耗。

⑵顯著地提高金屬材料的塑性，坯料流動性好，易充填模具型腔；模具的彈性變形小，變形溫度波動小，從而使鍛件的幾何尺寸穩定，殘余應力小，在冷卻和熱處理過程中變形減小，質量改善，所以等溫模鍛后尺寸精度高，機械加工余量小，甚至不用機加工。

⑶等溫模鍛技術能使形狀復雜、薄壁高筋的鍛件一火成形；而普通模鍛技術針對特種難變形合金則需要多火次成形。同時，等溫模鍛和普通模鍛相比不存在多火次加熱后鍛件表面形成缺陷的問題。

⑷在等溫模鍛過程中，由于變形溫度較均勻，金屬能保持較均勻、細小的等軸晶粒組織，因此產品整體上有較均勻的機械性能，并且產品的屈服強度、低頻疲勞及抗應力腐蝕性能有所提高。

⑸材料利用率高，等溫模鍛與普通模鍛相比，金屬消耗降低50%以上。

等溫鍛造的發展

鈦合金、高溫合金等難變形材料復雜鍛件的等溫鍛造在國外已經得到廣泛生產實踐驗證。前蘇聯在20世紀80年代就已經擁有250t、630t、1600t、4000t等系列等溫鍛造專用液壓機。相關資料顯示，伊爾76大型運輸機上有兩百多個鈦合金等溫鍛件。俄羅斯在前蘇聯的基礎上研制出可在1150℃下工作的特種高溫合金模具材料，用于高溫合金壓氣機盤、渦輪盤等溫鍛件的生產。美國的等溫鍛造技術一直處于世界前沿，在鈦合金大型等溫鍛件方面具有大量應用成果，Ti-6Al-6V-2Sn鈦合金飛機大梁、起落架前輪、Ti-6Al-4V鈦合金框架加強板等是其具有代表性的產品。美國在粉末高溫合金、TiAl基金屬間化合物、雙性能盤等方面已開展真空等溫鍛造工藝研究。

我國從20世紀70年代末開始等溫鍛造的研究。北京航空材料研究院、西北工業大學、北京鋼鐵研究總院在等溫鍛造方面具有較強的科研實力。我公司目前建有31.5MN和100MN等溫鍛造專用壓力機。圖1所示的100MN油壓機目前是國內最大、最先進的等溫鍛造專用液壓機，鍛造工藝參數通過計算機系統精確控制，活動橫梁速度范圍在0.002～0.5mm/s之間，應變速率在5.0×10-5～1.0×10-1s-1之間，可以實現以恒應變速率變形，能很好滿足鈦合金、高溫合金等難變形材料等溫鍛造和超塑性鍛造的需求。我公司主要生產航空用鈦合金、高溫合金、鋁合金、高強度結構鋼、不銹鋼，以及新型功能材料、金屬基復合材料等模鍛件、等溫鍛件、自由鍛件。

圖1 100MN等溫鍛壓力機

等溫鍛造的應用

鈦合金的等溫鍛造

鈦合金飛機結構件往往為高筋薄腹板，如果采用普通鍛造工藝，材料利用率一般低于10%，大量昂貴金屬被浪費，我公司與西北工業大學聯合采用等溫精鍛技術成功研制出某飛機框鍛件：最小腹板厚度為2.5mm，最小筋寬為2.5mm，最小圓角半徑為1.5mm，出模斜度為0°，尺寸公差達到±0.3mm；鍛件非加工面達到70%以上，表面粗糙度在0.4～3.2μm之間，少量配合面留有1mm的加工余量；精鍛件重量由普通模鍛件的15.5kg下降到1.9kg，材料利用率由9.1%提高到74.2%。該鍛件如圖2所示，該項成果填補了國內復雜飛機結構鍛件少無余量精密鍛造技術的空白，研究成果整體達到國際先進水平。

圖2 近凈成形等溫鍛件

鍛件大型化、整體化是航空鍛件發展的重要方向。鈦合金大型整體飛機隔框鍛件可以大大減輕飛機結構重量、提高飛機性能。我公司應用等溫超塑性精密成形技術，在國內率先成功研制出TA15鈦合金大型整體飛機隔框模鍛件。該飛機隔框等溫鍛件，材料為TA15；該鍛件包容面積為1.25m2，最大外廓為1300mm，腹板最薄處為10mm，局部筋高為175mm，沿周向體積分布很不均勻，制坯和模鍛難度大，而且高筋薄腹板鍛件在出模和熱處理時極易產生翹曲變形。

鈦合金也是發動機壓氣機盤和渦輪盤鍛件的重要材料，鈦合金盤件由于工作時受力情況不同往往要求具有雙組織、雙性能。我公司于2009年成功研制出TC17合金雙性能整體葉盤，其直徑為1000mm，解剖檢驗結果均達到雙組織、雙性能的設計要求，盤體部位為網籃組織，葉片部位為等軸組織，各項力學性能均滿足標準要求。

Ti60合金是600℃使用的高溫鈦合金，具有熱強性和低塑性，可鍛性差，采用普通模鍛方法無法滿足其成形要求，我公司采用近等溫成形技術成功研制出某型發動機用整體葉盤，各項性能指標均能滿足設計要求。

TiAl系金屬間化合物比傳統鈦合金的質量更輕、使用溫度更高，但塑性更差，國外目前已經掌握了TiAl系金屬間化合物的應用技術，國內還處于工程化研究階段。我公司與西工大、北鋼院等聯合攻關，目前也已完成TiAl系金屬間化合物等溫鍛造工藝的研究。

圖3 等溫鍛鋁輪轂

圖4 鋁合金等溫鍛件

圖5 鎂合金等溫鍛件

高溫合金、粉末高溫合金的等溫鍛造

變形高溫合金是發動機中的關鍵高溫材料，先進發動機中的渦輪盤鍛件、機匣鍛件、葉片鍛件等多為高溫合金。高溫合金由于合金化水平極高，塑性往往很差，而且由于高溫合金設計時要求具有熱強性，其變形抗力很高。而且隨著發動機推重比的提高，粉末高溫合金材料也得到越來越廣泛的研究并逐步得到應用。國外粉末高溫合金最后成形普遍采用等溫鍛造工藝。

GH4169合金是目前發動機中用量最大、最廣泛的高溫合金，通過提高P、B含量得到的GH4169G合金具有更為優異的使用性能，但由于這些微量元素含量的提高，合金塑性會變差。我公司采用等溫鍛造工藝生產的GH4169G合金鍛件，各項性能均達到設計要求，得到用戶的一致好評，并成功應用于某型發動機。

鋁合金的等溫鍛造

等溫鍛造充分利用金屬在特定條件下呈現出異常高的塑性，可比一般塑性成形提高1～2個數量級；變形抗力很小，不存在或有很少的應變硬化，變形抗力只有常規塑性成形的1/5左右；尺寸穩定，可以一次成形復雜形狀的零件，表面光潔度及尺寸精度高，我公司生產的某型號飛機用剎車鋁輪轂如圖3所示。該鍛件坯料的材料為2A14，鍛件全加工，設計的單邊加工余量為2mm。

同時隨著新型號飛機、發動機的發展，對鍛件提出高疲勞、長壽命等技術要求，好多產品由原來的兩段、三段、甚至六段、七段合并為整體鍛件。我公司以前生產某飛機框、梁鍛件分段模鍛，然后加工組合成一體的生產模式已經不能滿足用戶對新型號構件組織、性能的要求。為此，我公司通過技術攻關，生產了國內最大的鋁合金等溫模鍛件，該鍛件如圖4所示，材料為2A14，鍛件投影面積為1.55m2。

鎂合金的等溫鍛造

圖5所示的直升機機匣屬于關鍵模鍛件，材料為MB15，形狀、結構復雜，有4個非均勻凸耳和6個高筋，高筋的高厚比達到9。該鍛件為我公司生產的目前國內最大的鎂合金模鍛件，該鍛件在100MN壓力機上采用等溫鍛造成形。

結束語

大型化、整體化、精密化是鍛件的發展趨勢，等溫鍛造是實現該趨勢的重要途徑。等溫鍛造技術是一種先進的金屬壓力加工技術，在難變形合金鍛造方面具有明顯優勢。目前，在等溫鍛造模具材料的開發、模具保護涂層、模具修復技術，以及真空或保護氣氛下實現等溫鍛造，提高等溫鍛造生產效率等方面，仍需要作進一步的研究和探索。

通過本文的分析可以看出，采用等溫鍛造技術生產的鍛件既提高了金屬材料的利用率，又減小了后續加工余量和加工工時的消耗，具有較高的技術經濟效益，提高了我國在關鍵鍛件制造領域的技術水平，并為國家航空、航天事業的發展做出了貢獻。