基于楔橫軋小余量制坯的葉片低成本精密成形技術研究

文/孫興·中國航發北京航空材料研究院

金屬葉片是航空、航天發動機正常運轉的關鍵部件，目前，鍛造類葉片的成形方法一般是借助擠壓+鐓粗、自由鍛或平鍛的方法制坯，然后經過熱模鍛，從而最終成形。由于鍛造類葉片的葉身薄、帶扭角，且具有帶榫頭甚至阻尼凸臺等特征，因此其預制坯的結構設計多為異形變截面，采用傳統工藝制備預成形坯時，雖然可制備出合格的預制坯，但都存在制坯效率低、工序繁雜、尺寸精度控制差、穩定性差和組織均勻性差等問題，最終影響著葉片鍛件制備的成本和整體性能。

楔橫軋，原用于階梯軸類零件的生產，可在一道工序中以連續、局部的方式對不同部位進行壓縮與延伸。因其具有精確成形、工藝可控性好的特點，本項目創新性的提出采用楔橫軋工藝替代原來鍛造葉片所采用的自由鍛、擠壓+鐓粗或平鍛等制坯工藝。通過將楔橫軋工藝應用在葉片制坯上，在一道工序中將葉片棒料軋制為異形變截面形狀，實現葉片榫頭、葉尖、阻尼凸臺和葉身等多部位的預成形，精確成形出小余量鈦合金葉片異形變截面預制坯，以期提高鍛造葉片預成形制坯的制坯效率、尺寸精度、材料利用率和組織穩定性，降低鍛造葉片的制備成本。

因此，針對航空發動機葉片對高效率低成本制造技術的需求，探索基于楔橫軋技術的異形變截面葉片預制坯高效率低成本精密制造，通過技術創新，解決葉片制坯尺寸精度差、效率低和成本高等問題，實現葉片制造過程的降本增效，對發展我國航空發動機既有長遠意義，又是當前亟待攻克的重要課題。

成形工藝流程

航空發動機鍛造葉片是具有榫頭、葉身薄且帶扭角、甚至兩側有高而薄阻尼凸臺特征的復雜形狀結構件。國外對于鍛造葉片也是采用制坯和模鍛方法成形。圓柱形的棒料先通過制坯環節發生形狀上的改變，由原先的統一截面演變成變截面，實現葉片葉尖、葉身、榫頭和阻尼凸臺等異形結構的預成形。然后，通過模鍛環節，已經具有異形變截面特征的葉片預制坯各部位進一步成形，從而完成最終成形，獲得加工余量1 ～1.5mm 的葉片模鍛件。

根據資料統計，國外鈦合金葉片鍛件傳統的制坯方法有三種：一是擠壓+鐓粗技術；二是局部聚集鐓粗技術(圖1)；三是楔橫軋技術(圖2)。前兩種技術是通用技術，第三種楔橫軋技術處于研究階段，是國外探索發展的方向，暫未見工程應用。

圖1 國外主要的兩種葉片制坯技術示意圖

擠壓+鐓粗技術，如圖1(а)所示，設備通常為普通壓力機，雖然單個工序成本較低，但是由于工序數量的增多，鈦合金葉片坯料每加熱一次，大部分只能完成一個工序，無法同時實現葉片葉尖、葉身、榫頭和阻尼凸臺的同時預成形。并且，鈦合金坯料每加熱一次，都需要進行一次吹砂-腐蝕-涂潤滑劑等一系列輔助工序，增加了工藝的不確定性和整個工藝流程的成本。此外，在擠壓工序中，處理內部形變產生熱量的技術難度大，容易導致局部溫升，會嚴重影響構件的微觀結構。而且，坯料與模具長時間接觸，在摩擦作用下，坯料容易粘附，模具容易損壞。

局部聚集鐓粗技術，如圖1(b)所示，設備(平鍛機)及模具都是專用的，造成設備及工藝成本高，而且，微觀組織由于工藝特點而不夠均勻。但與擠壓+鐓粗技術相比，局部聚集鐓粗技術提高了效率，降低了成本。

目前，俄羅斯、美國、日本等國家主要采用臥式鍛造機對葉片坯料頭部或冠部進行局部聚集鐓粗，而英國、德國等歐洲國家主要采用多組模具配合的擠壓+鐓粗聯合制坯獲得預制坯。

近些年，短流程、低成本制造高性能航空發動機部件，逐漸成為國外制造技術的發展方向。據2008年公開發表的研究成果顯示，德國科研人員率先將楔橫軋工藝加入到了葉片預制坯制備過程中。圖2 是基于楔橫軋工藝優化后的航空發動機用鈦合金葉片鍛件制備工藝，楔橫軋工序代替了原先的擠壓工序和鐓粗工序。

圖2 優化后的航空發動機用鈦合金葉片制備工藝

楔橫軋技術作為傳統的階梯軸制備技術，將其應用到同樣具有階梯狀的異形變截面葉片預制坯的制備，從工藝可行性和設備、工藝成本上優勢非常明顯。第一，通過楔橫軋，原材料棒材改變了原先的幾何形狀，中間細，兩頭粗，即葉片鍛件的榫頭、葉尖和葉身實現了預成形，因此，楔橫軋工藝可以達到葉片預制坯異形的要求及效果；第二，借助楔橫軋工藝，葉片棒料沿軸向的截面積不再是一致不變的，原始材料棒材經過軋制后，呈現階梯狀分布，即類“階梯軸”形，可見，楔橫軋工藝也可以實現葉片預制坯變截面的要求；第三，楔橫軋工藝在一道工序內可以同時完成兩件甚至更多鈦合金葉片的預制坯制備工作，提高了生產效率，降低了制備工藝成本；第四，楔橫軋工藝所用設備結構簡單，重點在于軋輥輥型的設計，以相同軋制力(工作載荷)計算，相比于平鍛機，楔橫軋設備成本可以降低70 ～80%；第五，通過工序的簡化，擠壓＋鐓粗工藝帶來的坯料反復加熱、校正和潤滑的問題也不存在了，提高了工藝的穩定性，降低了預制坯的尺寸余量，提高了材料的利用率。

圖3 鈦合金葉片坯料及鍛件

成形工藝驗證

通過上述分析，利用TC6 鈦合金材料對成形工藝進行了工藝驗證，制備出了鈦合金葉片坯料及鍛件，如圖3 所示，鍛件表面完整性、組織及性能滿足技術要求。

表1 國內葉片制坯技術經濟性對比分析

成形工藝分析

采用楔橫軋工藝實現鈦合金葉片小余量制坯，以替代傳統制坯工藝，通過鈦合金葉片異形變截面預制坯與模鍛的匹配精密成形，達到鈦合金葉片的低成本制造目的。以航空發動機葉片鍛件為例，本項目在技術上具有經濟性，對比分析見表1。

結論

⑴楔橫軋技術作為傳統的階梯軸制備技術，將其應用到同樣具有階梯狀的異形變截面葉片預制坯的制備，從工藝可行性和設備、工藝成本上優勢非常明顯。

⑵利用TC6 鈦合金材料，制備出了鈦合金葉片坯料及鍛件，鍛件表面完整性、組織及性能滿足技術要求。

⑶采用楔橫軋工藝實現鈦合金葉片小余量制坯，以替代傳統制坯工藝，通過鈦合金葉片異形變截面預制坯與模鍛的匹配精密成形，達到鈦合金葉片的低成本制造目的。

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