基于DEFORM-3D 的TA15 鈦合金高筋鍛件鍛造工藝分析

文／舒勇·江西景航航空鍛鑄有限公司

鈦合金比鋁合金和鋼的比強(qiáng)度更高，綜合性能更優(yōu)，廣泛運(yùn)用于航空領(lǐng)域。鈦合金比鋁合金以及普通結(jié)構(gòu)鋼的變形抗力大、流動(dòng)性差，因而中小型復(fù)雜鍛件的充填成為鈦合金鍛造工藝方面的一項(xiàng)控制難點(diǎn)。本論文根據(jù)鍛件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，基于DEFORM-3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行仿真模擬，依據(jù)模擬結(jié)果分析簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方案，提出一種簡(jiǎn)單的關(guān)于高筋TA15 鈦合金鍛件的鍛造工藝方案，并進(jìn)行試生產(chǎn)，試制結(jié)果與數(shù)值模擬相吻合。

TA15 鈦合金的名義成分為Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，其主要的強(qiáng)化機(jī)制是通過α 穩(wěn)定元素Al 的固溶強(qiáng)化，加入中性元素Zr 和β 穩(wěn)定元素Mo、V 以改善工藝性能。該合金的Al 當(dāng)量為6.58%，Mo 當(dāng)量為2.46%，屬于高Al 當(dāng)量的近α型鈦合金。因此，它既具有α 型鈦合金良好的熱強(qiáng)性和可焊接性，又具有α ＋β 型鈦合金的工藝塑性。在航空領(lǐng)域主要運(yùn)用于制造500℃以下，長(zhǎng)時(shí)間工作的結(jié)構(gòu)零件，以及焊接承力零部件，是國(guó)內(nèi)最成熟和應(yīng)用最廣泛的鈦合金材料之一。

我公司長(zhǎng)期生產(chǎn)TA15 類鍛件，模鍛件主要為重量低于20kg 的小型鍛件，本次承接的TA15 高筋鍛件重42.6kg，是采用16000t 電動(dòng)螺旋壓力機(jī)生產(chǎn)鈦合金高筋鍛件的一種嘗試。本文基于同結(jié)構(gòu)鋁合金和鋼件的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出鈦合金高筋鍛件的成形方案，采用DEFORM-3D 模擬并對(duì)成形方案進(jìn)行驗(yàn)證，成功生產(chǎn)出合格鍛件，為后續(xù)鈦合金高筋鍛件的工藝方案設(shè)計(jì)提供了思路。

方案設(shè)計(jì)

鍛件材料牌號(hào)為TA15，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為XX-CL-059D，外形尺寸見圖1。該鍛件截面變化大，主要填充難點(diǎn)見圖2 中紅色區(qū)域，筋條高度與寬度比為2。

圖1 鍛件外形尺寸圖

圖2 鍛件三維輪廓圖

該鍛件重量為42.6kg，投影面約450mm×300mm，根據(jù)公司現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備，計(jì)劃采用1000t快鍛制坯，16000t 電動(dòng)螺旋壓力機(jī)進(jìn)行模鍛。

考慮到鍛件成形阻力大，高點(diǎn)填充困難，TA15在大變形過程中由于鍛件內(nèi)部局部升溫導(dǎo)致組織不均勻，以及在低溫鍛造時(shí)鍛件表面易產(chǎn)生龜裂、拉裂的情況，設(shè)計(jì)的鍛造工藝方案主要為制坯1 火＋模鍛2火。其中模鍛單火次變形量控制在30%～50%，材料利用率方案設(shè)計(jì)為70%、75%、80%。三種成形方案下料規(guī)格見表1。

表1 三種成形方案下料規(guī)格表

方案模擬

本次模擬的工序?yàn)槟ｅ懗尚芜^程，也是主要成形難點(diǎn)，由于荒形是經(jīng)自由鍛制坯而成，為常規(guī)成形，這里不再做描述。模擬過程采用DEFORM-3D 中的成形模塊，設(shè)定參數(shù)見表2，荒形擺料示意圖見圖3，方案運(yùn)行結(jié)果見圖4 ～圖9。

圖3 荒形擺料示意圖

圖4 方案一鍛件及毛邊充填情況

圖5 方案二鍛件及毛邊充填情況

圖6 方案三鍛件及毛邊充填情況

圖7 鍛件成形過程中高點(diǎn)最后充滿

圖8 模擬鍛件生產(chǎn)過程中金屬流動(dòng)方向

圖9 鍛件成形所需最大打擊力

表2 模擬參數(shù)設(shè)定表

綜合考慮以上參數(shù)，三種方案都能成形：方案一欠壓7mm時(shí)，毛邊??；方案二欠壓7mm時(shí)，毛邊適中；方案三欠壓7mm時(shí)，毛邊大，基本上完全充滿毛邊槽。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，16000t 壓力機(jī)生產(chǎn)鍛件的實(shí)際欠壓在2～6mm范圍波動(dòng)，因而優(yōu)選方案一和方案二，再綜合考慮材料利用率，決定選用方案二進(jìn)行小批試制。計(jì)算所需最大打擊力為9.4×107N，16000t 壓力機(jī)的最大打擊力折算為1.2×108N，完全可以滿足生產(chǎn)要求。

根據(jù)方案設(shè)計(jì)結(jié)果，運(yùn)用CATIA 設(shè)計(jì)荒形，采用DEFORM-3D軟件對(duì)鍛造過程進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，為準(zhǔn)確設(shè)計(jì)鍛造過程中能量，選用螺旋壓力機(jī)1 火成形，設(shè)計(jì)的模鍛生產(chǎn)條件為欠壓2mm。根據(jù)模擬情況，采用方案2 進(jìn)行試模并小批試制。制坯荒形及關(guān)鍵尺寸控制見圖10。

圖10 制坯荒形及關(guān)鍵尺寸控制示意圖

模鍛設(shè)計(jì)能量，模鍛第1 火能量：10%+10%+20%，控制名義尺寸15 ～20mm；模鍛第2 火能量：10%+10%+20%，控制名義尺寸1 ～3mm；潤(rùn)滑劑選擇：公司常用潤(rùn)滑劑FR-5，冷卻方式為空冷，其余參數(shù)按公司內(nèi)部鍛造工藝設(shè)計(jì)文件來(lái)執(zhí)行。

生產(chǎn)驗(yàn)證

下料規(guī)格：φ200mm×405mm，車端面至φ200mm×403mm±1mm，倒角R10mm。

生產(chǎn)方案：采用1000t 快鍛機(jī)進(jìn)行制坯1 火，16000t 電動(dòng)螺旋壓力機(jī)進(jìn)行模鍛1 火＋16000t 電動(dòng)螺旋壓力機(jī)進(jìn)行模鍛2 火。

關(guān)鍵控制點(diǎn)：荒形尺寸嚴(yán)格按照工藝規(guī)定的關(guān)鍵控制尺寸，模鍛1 火欠壓控制，潤(rùn)滑劑涂抹均勻，不得有裸露面。

模鍛第1 火能量：10%+15%+20%，實(shí)際尺寸為名義尺寸+(15 ～17)mm，要求控制在名義尺寸以上15 ～20mm。模鍛第1 火后割邊，高點(diǎn)處保留毛邊10 ～15mm，樣件如圖11 所示。

圖11 模鍛第1 火涂抹潤(rùn)滑劑后鍛件外形(高點(diǎn)處未充滿)

模鍛第2 火能量：10%＋15%＋20%，實(shí)際尺寸名義＋2mm，要求控制鍛件公差＋6/0，樣件如圖12 所示。

圖12 模鍛第2 火鍛件外形充填情況(高點(diǎn)處完全充滿)

試驗(yàn)結(jié)果

鍛造成形后進(jìn)行熱處理，熱處理制度為退火，再進(jìn)行理化檢測(cè)，理化檢測(cè)結(jié)果合格，理化檢測(cè)內(nèi)容有：高低倍、機(jī)械性能。檢測(cè)報(bào)告見圖13 ～圖15。

圖13 鍛件機(jī)械性能檢測(cè)結(jié)果

圖14 鍛件生產(chǎn)的金相檢測(cè)報(bào)告

圖15 鍛件低倍組織

由圖15 可以看出，低倍中未見肉眼可見的縮孔、分層、裂紋、氣孔、金屬及非金屬夾雜等缺陷；未見肉眼可見的清晰晶粒；金屬流線沿外輪廓分布，未見穿流和渦流。

由圖16 可以看出，高倍中顯微組織是經(jīng)α ＋β 兩相區(qū)加工的均勻組織，原始β 晶界破碎，初生α 相含量＞10%，符合XX-CL-059D 顯微組織中圖1 的A2 形態(tài)(驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn))。

圖16 鍛件高倍組織

結(jié)束語(yǔ)

本工藝方案的設(shè)計(jì)充分運(yùn)用了DEFORM-3D 軟件的模擬功能，加上充分吸收和利用鋼和鋁合金類似產(chǎn)品的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，考慮到鈦合金和鋼、鋁合金的差異，在考慮不同點(diǎn)的基礎(chǔ)上，思考如何補(bǔ)充和完善鈦合金的不足之處，最終成功生產(chǎn)出合格的鍛件。

本工藝方案首先從制坯的角度，解決了鍛件成形問題；其次從模具設(shè)計(jì)的角度，考慮運(yùn)用阻料臺(tái)、阻料溝等模具結(jié)構(gòu)，在不制坯的情況下進(jìn)行生產(chǎn)，減少鍛件火次，提高材料利用率。其中核心要素有3點(diǎn)：⑴荒形關(guān)鍵尺寸的控制；⑵控制鍛造過程中的成形溫度；⑶模鍛過程中潤(rùn)滑劑的涂抹。由于本工藝方案的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較少，設(shè)計(jì)工藝窗口大，熟練操作后可以考慮繼續(xù)完善荒形，進(jìn)一步提高材料的利用率。