TC4鈦合金空氣導管精密成形工藝研究

葉廣寧，劉振崗，張　玎，鄒　剛，郭　剛

(1.海軍裝備部，北京 100036；2.海軍航空工程學院 青島校區(qū)，山東 青島 266041)

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TC4鈦合金空氣導管精密成形工藝研究

葉廣寧1，劉振崗2，張玎2，鄒剛2，郭剛2

(1.海軍裝備部，北京 100036；2.海軍航空工程學院 青島校區(qū)，山東 青島 266041)

摘要：作為某型發(fā)動機的一個重要部件，高壓渦輪空氣導管由于幾何公差以及材料性能等問題，一直是該型發(fā)動機研制的難點。在對TC4鈦合金空氣導管加工過程中的若干環(huán)節(jié)進行系統(tǒng)梳理分析的基礎(chǔ)上，從材料及工藝的角度出發(fā)，找到了各環(huán)節(jié)的難點。經(jīng)過理論計算和反復(fù)試驗，通過工藝參數(shù)選擇、表面處理以及專用模具、夾具設(shè)計等方法，得到了攻關(guān)技術(shù)途徑。加工結(jié)果表明，該TC4鈦合金空氣導管精密成形工藝可行有效。

關(guān)鍵詞：TC4鈦合金；空氣導管；精密成形

某型發(fā)動機高壓渦輪空氣導管(以下簡稱管子)是發(fā)動機的重要件(見圖1)。零件由材料厚度為1.3 mm的TC4鈦合金板料加工而成，看似結(jié)構(gòu)簡單，但圖樣對零件直線度、圓度和端面垂直度要求很高。更重要的是，由于TC4材料存在屈服極限和彈性極限比值大、屈強比高、變形抗力和變形回彈量大及塑性低等特點，成形難度大，采用整體冷加工方法根本無法滿足設(shè)計要求，因此，該管子的加工一直是某型發(fā)動機研制的瓶頸之一。

圖1　管子結(jié)構(gòu)圖

1工藝難點和技術(shù)途徑

1.1成形

1.1.1難點分析

TC4鈦合金微觀組織是一種中等強度的α+β型馬氏體組織，在合金中同時加入α穩(wěn)定元素和β穩(wěn)定元素，使α相和β相都得到了加強，這就使得TC4鈦合金板材具有屈服極限和彈性極限比值大、屈強比高、變形抗力和變形回彈量大及塑性低等特點，成形難度非常大。為了實現(xiàn)筒形件的一次滾彎成形，需要選用較小的滾彎曲率，而較小的滾彎曲率對設(shè)備的強度和剛度提出了更高的要求。由于零件滾彎時變形抗力過大，常常會導致設(shè)備的主軸嚴重變形。目前，國內(nèi)大部分滾彎設(shè)備均無法完成這一零件冷態(tài)滾彎的要求。

1.1.2技術(shù)途徑

由于整體成形困難，采用半圓筒形件分瓣成形工藝，即將筒體分成2個半圓分別成形，再用電子束焊將2個半圓焊接成筒形件，最后通過精密熱校形工藝保證零件精度要求。

1.1.3具體做法

按圖樣要求設(shè)計半圓成形模具，將裁剪好的板材用壓力機冷壓入成形模具中，保持零件緊密貼模并將模具工裝鎖緊固定，將零件隨工裝一同放入真空熱處理爐中進行熱穩(wěn)定。

1.2焊接對接接頭加寬邊的銑加工

1.2.1難點分析

1)鈦合金本身加工特性因素[1]。a.鈦合金切削變形系數(shù)<1，使得切屑在前刀面上滑動摩擦的路程大大增加，加速了刀具的磨損；b.刀具與切屑的接觸長度短，而鈦合金的熱導率低，造成切削熱匯積于切削刃附近的小面積內(nèi)不易散發(fā)[2]，使在相同的切削條件下的切削溫度要比碳鋼高一倍以上，另外還會大大增加單位接觸面積上的切削力，容易造成崩刃；c.鈦的親和性大，在切削溫度高以及刀具與切屑單位接觸面積上的壓力大的情況下，會產(chǎn)生回彈，造成切削時鈦屑及被切表層與刀具材料咬合，引起劇烈的粘結(jié)磨損，即產(chǎn)生嚴重的粘刀現(xiàn)象；d.鈦的化學活性大，易與各種氣體雜質(zhì)產(chǎn)生強烈的化學反應(yīng)，如氧氣、氮氣、氫氣和碳等侵入鈦合金切削表層，導致表層的硬度和脆性上升，在高溫下形成表層組織α化層以及氫脆等表面變質(zhì)污染層，造成表層組織不均勻，產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，從而降低零件的抗疲勞強度。而在切削過程中也會嚴重損傷刀具，產(chǎn)生缺口、崩刃和剝落等現(xiàn)象。

2)定位壓緊因素。為了保證零件在焊接時具有良好的對接間隙，要求銑加工面在全約束的狀態(tài)下平面度≤0.05 mm。由于零件的初始狀態(tài)為預(yù)成形的半圓筒體結(jié)構(gòu)，預(yù)成形后的零件回彈大，尺寸精度低、剛度差、易變形；因此，為了保證焊接后筒體直徑要求及銑加工平面度要求，應(yīng)在銑加工時將零件完全限位約束。由于零件的毛坯長度為660 mm，長徑比較大，同時，零件板材厚度僅為1.3 mm，導致零件的剛度較差，如果定位壓緊力小，就容易造成在切削抗力作用下零件松動和讓刀；如果定位壓緊力大，就容易造成零件變形。

1.2.2技術(shù)途徑

1)選擇合適的刀具及銑削工藝參數(shù)。鈦合金銑削時宜采用順銑方法。順銑時，由于刀齒切出時的切屑很薄，不容易粘結(jié)在切削刃上，而逆銑正好相反，容易粘屑，當?shù)洱X再次切入時，切屑被碰斷，產(chǎn)生刀具材料剝落、崩刃。由于鈦合金彈性模量小，順銑會造成讓刀現(xiàn)象，因此，要求刀具具有較強的剛度。

銑削時，刀具與切屑接觸長度小，不易卷屑。如果切屑堵塞就會造成刀具劇烈磨損，這就要求刀具具有較好的刀齒強度及較大的容屑空間；因此，選用專用的整體硬質(zhì)合金端面刀具。

通過多次切削試驗，選定了合理的加工參數(shù)：切削速度為30 m/min；進給量為0.005 mm；背吃刀量為ap=0.5 mm。

2)設(shè)計合理的工裝結(jié)構(gòu)。銑加工夾緊工裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要突出兩點：a.使零件完全處于限位約束狀態(tài)；b.裝卡完成后，零件和工裝整體要有足夠的剛度。為此，整個工裝采用了厚實的底座加型塊結(jié)構(gòu)設(shè)計，使零件定位夾緊后，沿長度方向上能均勻緊密地貼合在整個型塊的型面上，完全滿足了焊接對接接頭加寬邊銑加工的精度要求；同時，整個工裝裝配十分便捷，加工完一個邊，進行180°翻轉(zhuǎn)，就可以加工另一個邊，生產(chǎn)效率極高。

1.3焊接

1.3.1難點分析

1)材料焊接性差。如上文所述，金屬鈦分為2種：>880 ℃為體心立方結(jié)構(gòu)，稱為β鈦；<880 ℃為密排六方結(jié)構(gòu)，稱為α鈦。TC4鈦合金屬于α+β型雙相鈦合金，焊接接頭的強度一般可達到基體金屬強度的90%，但塑性指標對比母材卻下降1/2左右。正是由于這種特殊的熱物理性能，使其冷裂傾向大，再加上鈦合金質(zhì)量輕，化學活性高，故而焊接時易產(chǎn)生缺陷。

2)焊接質(zhì)量難以控制。鈦合金的化學性質(zhì)在高溫下極為活潑，它從250 ℃時開始吸收氫氣，400 ℃時開始吸收氧氣，600 ℃時開始吸收氮氣，而空氣的主要成分就是氧氣和氮氣，故焊接鈦的氧化過程極易進行。氮氣、氫氣和氧氣的增加不僅會導致焊縫氣孔的增加，而且會使焊縫塑性下降、變脆，導致焊接裂紋的產(chǎn)生。

另外，鈦合金質(zhì)量輕，密度為4.5 g/cm3，僅為鋼材的57%，焊接時對熔池中相同體積氣泡的浮力僅為鋼熔池的一半，氣泡上浮速度慢，來不及逸出而形成氣孔。而氫氣在鈦中的溶解度隨溫度的降低而升高，在凝固溫度時有躍變降低后又升高。由于熔池中部溫度比熔池邊緣溫度高，熔池中部的氫氣易向邊緣擴散，這樣，熔池邊緣就易因氫氣過飽和而產(chǎn)生氣孔，即在熔合線上形成大量焊縫氣孔。

3)焊接裝配困難及焊接變形難以控制。由于鈦合金半圓筒體僅經(jīng)過了預(yù)成形過程，盡管經(jīng)過熱穩(wěn)定處理，但零件的回彈變形依然較大。在對接裝配過程中，對接間隙和錯邊量控制相當困難。同時，零件為筒形件，直徑小而長度長，由于自身變形和焊接收縮，焊后的零件會緊箍在工裝芯軸上，拆卸較困難。

此外，鈦的彈性模量較小，僅為鋼的1/2，造成其焊接殘余變形大，所以，鈦合金筒形薄壁件焊接變形難以控制，尺寸精度無法保證。

1.3.2技術(shù)途徑

1)焊接質(zhì)量的控制。為確保焊接質(zhì)量，在焊接前應(yīng)進行如下處理。

a.焊前酸洗。應(yīng)控制酸洗到焊接的時間，一般要求≤2 h。

b.打磨。用不銹鋼絲刷打磨焊接區(qū)，呈光亮狀態(tài)。不允許用清理輪或砂紙等打磨，因為磨料質(zhì)點會對焊縫氣孔的生成有影響。

c.擦洗。焊前用綢布和無水酒精把焊接區(qū)和工裝擦洗干凈。實踐證明，無水酒精防止氣孔的效果優(yōu)于丙酮。

2)焊接夾具設(shè)計。零件長度接近700 mm，使得單條焊縫長度很長，而冷壓預(yù)成形又會使零件的回彈大，所以，要使零件焊接組合后變形量控制在熱校形允許的范圍內(nèi)，對焊接對接間隙和錯邊量的要求就會非常高。經(jīng)過大量試驗性焊接摸索可知，應(yīng)將對接間隙控制在0～0.02 mm，錯邊量控制在≤0.03 mm。為此，專門設(shè)計了結(jié)構(gòu)新穎的焊接夾具，它具有可以根據(jù)變形量進行壓緊微調(diào)的琴鍵式微調(diào)壓緊機構(gòu)，保證了在整個焊縫長度跨度上，各處的對接間隙控制在0，錯邊量控制在≤0.02 mm，為后續(xù)實現(xiàn)精密熱校形奠定了基礎(chǔ)。并且夾具在裝夾后，可以直接吊裝到焊機的工裝架上，通過2枚水平定位銷，快捷地保證焊縫與電子束的垂直，操作十分方便。

該焊接夾具的另一個亮點就是芯軸的設(shè)計。由于定位夾緊和控制焊接變形的需要，在焊接夾具中需要有一根襯在管子內(nèi)壁的實心芯軸，但由于零件直徑小、長度長，以及焊接收縮等因素，導致零件組合焊接完成后箍在芯軸上，零件拆卸困難，強行敲擊拆卸會致使零件端面嚴重變形而報廢。為使零件易于裝夾和拆卸，對芯軸采用了分瓣式楔形設(shè)計，即：將圓柱形的芯軸設(shè)計成2個楔形分體結(jié)構(gòu)，組合時，兩瓣芯軸沿軸向合攏，組成一個圓柱整體；拆卸時，只要將一瓣芯軸沿軸向抽出，另一瓣芯軸也會很容易地從管子中抽出，整個拆卸過程不會對焊接好的管子產(chǎn)生任何損傷。為了防止2瓣芯軸沒有組合到位而對管子內(nèi)壁造成夾傷，在芯軸的端面設(shè)計了鍵槽式精密定位機構(gòu)。只有當芯軸完全組合到位后，芯軸的鎖緊螺栓才能進入并鎖緊，保證芯軸組合成精確的圓柱體。

實踐證明，該焊接夾具設(shè)計合理、可靠和方便，且具有較長的壽命，可以滿足零件裝配、拆卸以及焊接對焊接間隙、錯邊量的要求。

1.4校形

1.4.1難點分析

零件為1.3 mm厚的TC4鈦合金板材，經(jīng)過預(yù)成形、銑加工和電子束焊焊接而成。由于材料回彈以及焊接變形等因素，零件的尺寸精度和幾何精度通常無法滿足設(shè)計要求。為了達到設(shè)計精度要求，應(yīng)在焊后對零件進行精密校形。

鈦合金的屈服極限與彈性極限比較大，屈強比高，變形抗力和變形回彈大，塑性較低，因此，冷校形難以滿足要求。要實現(xiàn)精密校形，應(yīng)利用鈦合金的高溫力學性能和變形行為，以及零件和模具在加熱過程中熱彈塑性變形、蠕變及高溫短時應(yīng)力松弛行為，但這樣校形的難度非常大。

1.4.2技術(shù)途徑

為確保校形的精度，對零件采用熱校形方法[3]，其原理是：通過模具在冷態(tài)進行裝配，利用模具材料與鈦合金材料熱膨脹系數(shù)的不同，在高溫下模具熱膨脹導致鈦合金零件產(chǎn)生拉伸變形并緊貼模具，再利用鈦合金材料應(yīng)力松弛降低材料所產(chǎn)生的應(yīng)力，降低材料回彈幅度值，從而保證零件外形尺寸達到設(shè)計要求。

熱校形前應(yīng)進行如下工作。

2)設(shè)計校形模具。

a.校形模具材料的選擇。根據(jù)熱校形的原理[4]，模具材料在高溫下的線膨脹系數(shù)應(yīng)大于TC4鈦合金的線膨脹系數(shù)，以確保熱蠕變校形是應(yīng)力松弛所需的初始應(yīng)力值。此外，還應(yīng)考慮模具的尺寸穩(wěn)定性及壽命等因素。經(jīng)過多次試驗篩選，最終確定校形模具的材料為1Cr18Ni9Ti耐熱不銹鋼。

b.設(shè)計校形模具尺寸。通過計算650 ℃時模具材料1Cr18Ni9Ti與鈦合金材料TC4的線膨脹系數(shù)的差值，得到零件的自由脹量為0.77 mm。考慮到零件變形后會不利于安裝，故取0.6 mm的零件脹量。為了減少加熱過程中產(chǎn)生的不必要變形，模具的壁厚設(shè)計為20 mm。模具結(jié)構(gòu)及尺寸圖如圖2所示。

圖2　熱脹模具結(jié)構(gòu)圖

2討論與分析

通過對零件及焊縫解剖進行金相組織分析，TC4鈦合金靜態(tài)再結(jié)晶溫度區(qū)為750～850 ℃，因此，650 ℃時變形不會發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，軟化機制主要是動態(tài)回復(fù)。校形前、后的金相圖顯示，校形前、后的組織沒有變化，都是等軸組織。

通過對熱校形后的零件進行三坐標全尺寸測量，零件幾何尺寸和幾何精度完全達到設(shè)計圖樣要求。

3結(jié)語

本文針對某型發(fā)動機的TC4鈦合金高壓渦輪空氣導管加工難的問題進行了工藝攻關(guān)。在分析加工過程中難點的基礎(chǔ)上，經(jīng)過試驗以及理論計算，形成了一套全新的TC4鈦合金空氣導管精密成形技術(shù)途徑。應(yīng)用結(jié)果表明，該工藝流程可行有效。

由上述分析得到的結(jié)論如下：1)針對長跨度半圓形筒體加工，采用型塊結(jié)構(gòu)定位以及間隔式壓緊機構(gòu)設(shè)計，可以解決因夾具剛度設(shè)計不足導致零件松動的問題；2)楔形對開式芯軸設(shè)計方法及滑塊式定位機構(gòu)的運用，可以解決細長筒形零件焊接的定位及裝配困難的問題；3)采用腹板式結(jié)構(gòu)設(shè)計壓緊機構(gòu)，可以解決零件跨度長，在壓緊后由于剛度不足產(chǎn)生的自身變形問題；4)采用間隔式定位塊設(shè)計以及琴鍵式微調(diào)壓緊機構(gòu)，可以解決零件在裝夾后，對接間隙和錯邊量的調(diào)整問題；5)實施焊接過程控制方法，可以解決鈦合金零件焊接質(zhì)量不穩(wěn)定的問題；6)根據(jù)零件的尺寸要求，設(shè)計熱校形工裝，可以解決零件尺寸精度問題；7)通過對不同溫度和初始狀態(tài)殘余應(yīng)力測試，繪制了TC4鈦合金材料在不同溫度和初始狀態(tài)的應(yīng)力松弛圖，可以為TC4鈦合金材料精密熱成形熱處理參數(shù)的確定提供理論依據(jù)；8)以彎曲理論和松弛理論為基礎(chǔ)，推導了板料的彎曲回彈及松弛后回彈與校形保溫時間的函數(shù)關(guān)系，可以為零件的毛料尺寸設(shè)計、脹量設(shè)計以及模具尺寸設(shè)計提供理論依據(jù)；9)根據(jù)應(yīng)力松弛理論及回彈理論，明確了模具的尺寸和材料，可以為模具的設(shè)計及選材提供理論依據(jù)。

該工藝流程還可用于鈦合金類零件的加工，可以對零件精密成形、工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計、工裝尺寸計算以及工裝材料選用，特別是TC4材料的筒形零件緊密熱成形加工提供可靠的理論支撐及數(shù)據(jù)支持，經(jīng)濟效益顯著。

參考文獻

[1] 康鳳，陳嫚麗，寧海青，等．TC4鈦合金材料的切削變形模擬及試驗研究[J]．稀有金屬和硬質(zhì)合金，2012(6)：31-34.

[2] 劉朋和，姜增輝，王曉亮．TC4鈦合金切削溫度的仿真和試驗研究[J]．制造技術(shù)與機床，2013(10)：81-83.

[3] 姚少非，謝蘭生，郭剛．TC4鈦合金筒形件熱校形工藝研究[J]．中國制造業(yè)信息化，2012(11)：72-75.

[4] 曹秀中，韓秀全，張濤，等．TC4鈦合金筒形件分瓣熱脹形工藝研究[J]．航空制造技術(shù)，2014(4)：89-91.

責任編輯鄭練

The Research on Precise Molding Process for TC4 Titanium Alloy Air Tube

YE Guangning1, LIU Zhengang2, ZHANG Ding2, ZOU Gang2, GUO Gang2

(1.Naval Material Department, Beijing 100036, China; 2.Qingdao Branch of Naval Aeronautic and Astronautic University, Qingdao 266041, China)

Abstract：As an important component for an aeroengine, the high pressure turbine air tube is hard to be produced because of the position tolerance and material properties. Based on combing and analyzing several links during TC4 titanium alloy air tube machining, the difficulty in each link is found from aspects of material and technics. With theoretical computation and experiments, technological approaches to tackle key problems are obtained through process parameters choosing, surfacing, and special mould and fixture designing. Machining results show that the precise molding process for TC4 titanium alloy air tube is available and effective.

Key words:TC4 titanium alloy, air tube, precise molding

收稿日期：2015-08-31

作者簡介：葉廣寧(1962-)，男，高級工程師，主要從事航空發(fā)動機研制及監(jiān)造等方面的研究。

中圖分類號：V 263.1+2

文獻標志碼:A