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任公司郭欣達·中國人民解放軍駐安順地區軍代室

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任公司郭欣達·中國人民解放軍駐安順地區軍代室

發動機中的風扇葉輪屬于發動機前段工作部分，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，有利于提高發動機的推重比，符合發動機的選材要求。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值模擬計算，以期設計出較為合理的坯料。模擬參數：變形溫度為970℃；上模下壓速度為2mm/s；模具預熱溫度為250℃；摩擦系數為0.7。圖2為5種坯料方案及變形抗力的模擬結果。從圖2中可以看出，方案1采用矩形環坯，該坯料生產工藝為簡單變形；方案2采用矩形環坯，機加帶錐度的內孔，該坯料內孔大小較符合鍛件小頭的大小；方案3采用內孔帶錐度并具有鍛件小頭外形的復雜形狀的坯料，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利用沖頭將內孔沖出，并留有很薄的內筋，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，產生渦流的可能性增加。總體來說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坯料對應最大的載荷，對設備力量要求太高，用現有設備成形風險較高。方案3坯料模壓時載荷最小，但環坯的制備較為復雜，需要依靠胎模來制取環坯。方案4對應的荒形簡單，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對應的環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模壓結束時的應變分布，圖中可以看出應變范圍在0.041～2.7之間，截面上變形區域基本在0.11以上，低于0.11的變形區域僅存在于鍛件底部一個小區域內，且該小變形區在后續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

根據方案5的中間坯進行工藝試驗，環坯經過機加后進行模壓，鍛件經兩火模壓成形，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，鍛件為雙態組織，組織形貌符合技術要求中的3～5級，等軸初生α含量在30%～45%之間，符合技術條件要求。

結束語

采用數值模擬手段對坯料方案進行優化，并選取了合適的坯料進行工藝試驗，結果表明：

圖4 方案5模壓結束時的應變分布

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采用不同的環坯生產所得到的變形抗力有所區別，總體規律是與最終鍛件形狀越接近的坯料，變形抗力越小。

⑵毛邊的產生時機對鍛件成形有一定的影響，毛邊產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，環形鍛件及模鍛件的成形及數值模擬等方面的工作。