模鍛鋁合金葉片表面粗晶數值模擬及分析

文／李治華，汪大成，周浩浩·沈陽黎明航空發動機(集團)有限責任公司

模鍛鋁合金葉片表面粗晶數值模擬及分析

文／李治華，汪大成，周浩浩·沈陽黎明航空發動機(集團)有限責任公司

李治華，碩士，高級工程師，主要從事葉片鍛造數值模擬方面的工作。曾獲航空科學技術三等獎1項，授權發明專利5項，發表論文10余篇。

針對2A70（LD7）模鍛鋁合金可調葉片出現的表面粗晶現象，本文利用Deform-3D軟件對現行的鍛造成形工藝進行數值模擬，觀察鍛件的各變形區以及各個場量的變化關系。根據變形量和速度場的變化，分析了葉片成形過程的變形量和變形速度對葉片表面粗晶的影響。結果表明：鋁合金變形時落入臨界變形范圍的小變形是形成粗晶的根本原因，其次鍛造火次的增加也會導致葉片粗晶的產生。

2A70合金屬于Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐熱鍛鋁，具有良好的熱塑性和冷熱加工性能，廣泛應用于航空航天領域及其他較高溫度下工作的零部件。粗晶是鋁合金模鍛件常見缺陷之一，在鍛件中的粗晶組織以及由粗晶組織向細晶組織急劇變化的過渡區，鍛件的疲勞強度降低。大量學者進行了粗晶形成機理的研究，但目前還未見模鍛葉片表面粗晶現象產生原因的分析報道文獻。

本文以2A70鋁合金可調葉片為研究對象，針對鍛造葉片表面產生的粗晶現象（圖1）利用有限元數值模擬技術對葉片主要成形工序進行模擬計算，分析變形過程的應力、應變和金屬流動規律與葉片粗晶的關系，從而探究葉片成形過程產生粗晶的原因。

模擬工藝

圖1 可調葉片表面粗晶形貌

選用Deform-3D模擬軟件進行模擬計算，該軟件在一個集成環境內綜合成形、熱傳導和成形設備特性進行模擬仿真分析，適用于熱鍛、冷鍛和溫鍛成形，能夠提供極有價值的工藝分析數據?？烧{葉片鍛件總長為370mm，主要成形工序為頂鍛→彎曲→預鍛→終鍛，工序簡圖和變形量見表1。

對可調葉片鍛造成形過程的主要工序進行模擬計算，工藝參數設定包括模具預熱溫度、鍛造溫度、鍛造速度和摩擦系數等。其中模擬材料為美國的2618，鍛造溫度設定為450℃，模具預熱溫度設定為200℃，頂鍛設備壓下速度為210mm/s，預鍛、終鍛設備壓下速度為200mm/s，摩擦系數設定為0.2。

表1 葉片鍛造工序簡圖和變形量

模擬結果

頂鍛、壓彎模擬結果

頂鍛模擬下料尺寸為φ35mm×410mm，頂鍛模結構及頂鍛成形后的鍛件如圖2所示。

圖2 頂鍛模及頂鍛成形的鍛件

頂鍛件成形后的等效應變、等效應力和速度場的分布情況如圖3所示。

圖3 頂鍛工序后等效應變、等效應力及速度場分布情況

壓彎工序后等效應變、等效應力和速度場的分布情況如圖4所示。

圖4 壓彎件等效應變、等效應力及速度場分布情況

從圖3a和圖4a可以看出，頂鍛工序和壓彎工序的變形量很小，這與實際工藝中頂鍛轉軸變形量15.8%、葉身變形量0，壓彎件小軸變形量5.7%、大軸變形量17.1%和葉身變形量0的結果相吻合。

根據生產經驗，鍛鋁和硬鋁很容易產生粗晶，主要分布在鍛件變形程度小而尺寸較厚的部位、變形程度大、變形激烈的區域以及飛邊附近。產生大晶粒的原因除了由于變形程度過?。淙肱R界變形區）或變形程度過大和變形激烈不均勻所引起的之外，加熱次數過多、加熱溫度過高及終鍛溫度太低也會產生大晶粒。同時鋁葉片表面粗晶的產生也有可能是原材料帶來的，但鍛造成形模擬不考慮原材料的原因。由于在頂鍛和壓彎工序鍛件整體變形量小，2A70合金的臨界變形程度在15%～20%，而且是兩火完成，所以增加了粗晶產生的可能性，因此，實際生產時建議盡可能減少葉片的成形火次。

由圖4c可以看出，壓彎件在進行到最終成形時，中部出現了金屬回旋的現象。此時壓彎件的兩頭已經和模具接觸，但中間部位坯料并未與上模接觸，因此在兩端下壓的過程中，中間部分的坯料處于自由狀態，此處的金屬有向上流動的可能性，有可能會出現上述提到的回旋現象?；匦幱捎诮饘贌o約束，流動速度加快，導致變形激烈，這可能使最終成形的葉片鍛件在縱向出現粗晶。

預鍛、終鍛模擬結果

按照工藝要求預鍛件在終鍛件尺寸的基礎上欠壓2.5～3.5mm，在模擬時取中間值欠壓3mm，圖5為預鍛過程等效應變、最大主應力分布情況。

圖5 預鍛過程等效應變、最大主應力

由圖5a預鍛件的等效應變分布來看，葉身靠近排氣邊處的應變值相對葉身其他部位的要大一些，最大值在1.33左右，葉身縱向中間部位的應變值小于其兩側部位，其范圍在0.885～1.09之間。圖5b是預鍛件的最大主應力分布，由圖5可知整個葉片所承受的均為壓應力，其值分布在-305～14.2MPa之間。

圖6為預鍛件成形速度分布，由圖6可以看出：在成形初期坯料整個變形的速度很均勻，且速度很慢，但隨著模具的不斷下壓坯料金屬的流動速度逐漸增加，在靠近排氣邊的葉身處金屬流動速度有了明顯的變化，且變化梯度增大，導致變形的激烈程度不均勻，這也是產生粗晶的原因之一。

圖6 預鍛過程成形速度分布

在預鍛件的基礎上進行終鍛模擬，圖7為終鍛件兩個軸桿處的等效應變分布。

圖7 軸桿部位等效應變分布

終鍛過程中，成形后終鍛件的應變分布可以劃分為四個區域：軸桿、葉身縱向左區、葉身縱向右區和毛邊處。由圖7可知，兩個軸桿除毛邊外其余部位都屬于小變形區，應變值在0.5以下，尤其是大軸位置基本無變形。若變形程度很小，再結晶晶核較少，孕育期又很長，鍛件再次加熱后將會形成粗大的晶粒。葉身縱向左區的應變值在1.2左右，葉身縱向右區應變值在1.7～2.06之間，說明葉身的變形不均勻。實際變形過程中小軸變形量為2.7%～17.9%，大軸變形量為1.7%～11.5%，葉身變形量為3.5%～23.6%。從變形量的角度分析，由于兩個軸桿部位的變形量落入臨界變形區，而且整個葉片成形是四火完成，必然會導致粗晶的產生。

圖8為終鍛件成形過程中金屬的流動速度分布，從圖8中可以看出葉身部位金屬的流動速度相對毛邊處的速度要小，而且分布不均勻。

圖9為鍛造生產的可調葉片實物?？梢悦黠@看出在葉片的縱向靠近小軸的部位出現了粗晶，這與模擬結果相符合。

圖8 終鍛件成形過程中金屬的流動速度分布

圖9 葉身偏小軸方向粗晶

結論

根據上述的模擬分析結果可得出如下結論：

⑴鋁合金變形時存在落入臨界變形程度范圍的小變形是形成粗晶的根本原因?？烧{葉片工藝中鍛造火次過多，且部分工序變形程度偏小，為晶粒粗化提供了條件，是造成粗晶形成的主要原因。

⑵壓彎成形工序中，由于金屬流動的不均勻，在葉身縱向中部位置出現回旋的現象，導致金屬變形激烈，這也是粗晶產生的原因。

⑶終鍛工序兩個軸桿位置的小變形使出現粗晶的可能性增大。

⑷建議減少可調葉片的成形火次，提高預鍛和終鍛變形量。