等溫鍛造技術(shù)及應(yīng)用

文/李增樂，毛智勇·陜西宏遠(yuǎn)航空鍛造有限責(zé)任公司

汪波·空軍駐430廠軍事代表室

等溫鍛造技術(shù)及應(yīng)用

文/李增樂，毛智勇·陜西宏遠(yuǎn)航空鍛造有限責(zé)任公司

汪波·空軍駐430廠軍事代表室

等溫模鍛技術(shù)是在傳統(tǒng)模鍛工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)新工藝，與普通模鍛技術(shù)不同，它是將模具和坯料均加熱到鍛造溫度，并使坯料在變形過程中保持溫度不變。該技術(shù)可以顯著改善坯料的塑性和流動能力，主要應(yīng)用于航天、航空工業(yè)中的鈦合金、高溫合金、鋁合金和鎂合金鍛件，以及新材料難變形合金鍛件的精密成形。

等溫鍛造的優(yōu)點(diǎn)

等溫鍛造與常規(guī)鍛造不同，它可以消除或大幅減少因毛坯與模具之間的溫差造成的影響，使坯料在被加熱到鍛造溫度的恒溫模具中，以較低的應(yīng)變速率成形。從而解決了在常規(guī)鍛造時，由于變形金屬表面激冷增加的流動阻力和變形抗力，以及金屬變形不均勻而造成內(nèi)部組織、性能的差異。等溫鍛造也是目前國際上實(shí)現(xiàn)近凈成形技術(shù)的主要方法之一，一般可以分為以下3類：

⑴等溫精密模鍛。金屬在等溫條件下鍛造得到小斜度或無斜度、小余量或無余量的鍛件。這種方法可以生產(chǎn)一些形狀復(fù)雜、尺寸精度要求一般、受力條件要求較高、外形接近零件形狀的結(jié)構(gòu)鍛件。

⑵等溫超塑性模鍛。金屬不但在等溫條件下，而且在極低的變形速率（10-4/s）條件下也呈現(xiàn)高的塑性狀態(tài)，從而使難變形金屬獲得所需冶金組織、形狀和尺寸。

⑶粉末合金等溫鍛造。這類工藝方法是以粉末冶金預(yù)制坯為等溫鍛造原始坯料，在等溫超塑性條件下，使坯料產(chǎn)生較大形變，壓實(shí)坯料，從而得到滿足工藝要求的鍛件。

等溫鍛造具有以下優(yōu)點(diǎn)：

⑴極大地降低金屬的流變抗力，其總壓力相當(dāng)于普通模鍛的10%～20%。因此，可以節(jié)省設(shè)備投資和動力消耗。

⑵顯著地提高金屬材料的塑性，坯料流動性好，易充填模具型腔；模具的彈性變形小，變形溫度波動小，從而使鍛件的幾何尺寸穩(wěn)定，殘余應(yīng)力小，在冷卻和熱處理過程中變形減小，質(zhì)量改善，所以等溫模鍛后尺寸精度高，機(jī)械加工余量小，甚至不用機(jī)加工。

⑶等溫模鍛技術(shù)能使形狀復(fù)雜、薄壁高筋的鍛件一火成形；而普通模鍛技術(shù)針對特種難變形合金則需要多火次成形。同時，等溫模鍛和普通模鍛相比不存在多火次加熱后鍛件表面形成缺陷的問題。

⑷在等溫模鍛過程中，由于變形溫度較均勻，金屬能保持較均勻、細(xì)小的等軸晶粒組織，因此產(chǎn)品整體上有較均勻的機(jī)械性能，并且產(chǎn)品的屈服強(qiáng)度、低頻疲勞及抗應(yīng)力腐蝕性能有所提高。

⑸材料利用率高，等溫模鍛與普通模鍛相比，金屬消耗降低50%以上。

等溫鍛造的發(fā)展

鈦合金、高溫合金等難變形材料復(fù)雜鍛件的等溫鍛造在國外已經(jīng)得到廣泛生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證。前蘇聯(lián)在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)擁有250t、630t、1600t、4000t等系列等溫鍛造專用液壓機(jī)。相關(guān)資料顯示，伊爾76大型運(yùn)輸機(jī)上有兩百多個鈦合金等溫鍛件。俄羅斯在前蘇聯(lián)的基礎(chǔ)上研制出可在1150℃下工作的特種高溫合金模具材料，用于高溫合金壓氣機(jī)盤、渦輪盤等溫鍛件的生產(chǎn)。美國的等溫鍛造技術(shù)一直處于世界前沿，在鈦合金大型等溫鍛件方面具有大量應(yīng)用成果，Ti-6Al-6V-2Sn鈦合金飛機(jī)大梁、起落架前輪、Ti-6Al-4V鈦合金框架加強(qiáng)板等是其具有代表性的產(chǎn)品。美國在粉末高溫合金、TiAl基金屬間化合物、雙性能盤等方面已開展真空等溫鍛造工藝研究。

我國從20世紀(jì)70年代末開始等溫鍛造的研究。北京航空材料研究院、西北工業(yè)大學(xué)、北京鋼鐵研究總院在等溫鍛造方面具有較強(qiáng)的科研實(shí)力。我公司目前建有31.5MN和100MN等溫鍛造專用壓力機(jī)。圖1所示的100MN油壓機(jī)目前是國內(nèi)最大、最先進(jìn)的等溫鍛造專用液壓機(jī)，鍛造工藝參數(shù)通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)精確控制，活動橫梁速度范圍在0.002～0.5mm/s之間，應(yīng)變速率在5.0×10-5～1.0×10-1s-1之間，可以實(shí)現(xiàn)以恒應(yīng)變速率變形，能很好滿足鈦合金、高溫合金等難變形材料等溫鍛造和超塑性鍛造的需求。我公司主要生產(chǎn)航空用鈦合金、高溫合金、鋁合金、高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼，以及新型功能材料、金屬基復(fù)合材料等模鍛件、等溫鍛件、自由鍛件。

圖1 100MN等溫鍛壓力機(jī)

等溫鍛造的應(yīng)用

鈦合金的等溫鍛造

鈦合金飛機(jī)結(jié)構(gòu)件往往為高筋薄腹板，如果采用普通鍛造工藝，材料利用率一般低于10%，大量昂貴金屬被浪費(fèi)，我公司與西北工業(yè)大學(xué)聯(lián)合采用等溫精鍛技術(shù)成功研制出某飛機(jī)框鍛件：最小腹板厚度為2.5mm，最小筋寬為2.5mm，最小圓角半徑為1.5mm，出模斜度為0°，尺寸公差達(dá)到±0.3mm；鍛件非加工面達(dá)到70%以上，表面粗糙度在0.4～3.2μm之間，少量配合面留有1mm的加工余量；精鍛件重量由普通模鍛件的15.5kg下降到1.9kg，材料利用率由9.1%提高到74.2%。該鍛件如圖2所示，該項(xiàng)成果填補(bǔ)了國內(nèi)復(fù)雜飛機(jī)結(jié)構(gòu)鍛件少無余量精密鍛造技術(shù)的空白，研究成果整體達(dá)到國際先進(jìn)水平。

圖2 近凈成形等溫鍛件

鍛件大型化、整體化是航空鍛件發(fā)展的重要方向。鈦合金大型整體飛機(jī)隔框鍛件可以大大減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量、提高飛機(jī)性能。我公司應(yīng)用等溫超塑性精密成形技術(shù)，在國內(nèi)率先成功研制出TA15鈦合金大型整體飛機(jī)隔框模鍛件。該飛機(jī)隔框等溫鍛件，材料為TA15；該鍛件包容面積為1.25m2，最大外廓為1300mm，腹板最薄處為10mm，局部筋高為175mm，沿周向體積分布很不均勻，制坯和模鍛難度大，而且高筋薄腹板鍛件在出模和熱處理時極易產(chǎn)生翹曲變形。

鈦合金也是發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)盤和渦輪盤鍛件的重要材料，鈦合金盤件由于工作時受力情況不同往往要求具有雙組織、雙性能。我公司于2009年成功研制出TC17合金雙性能整體葉盤，其直徑為1000mm，解剖檢驗(yàn)結(jié)果均達(dá)到雙組織、雙性能的設(shè)計(jì)要求，盤體部位為網(wǎng)籃組織，葉片部位為等軸組織，各項(xiàng)力學(xué)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

Ti60合金是600℃使用的高溫鈦合金，具有熱強(qiáng)性和低塑性，可鍛性差，采用普通模鍛方法無法滿足其成形要求，我公司采用近等溫成形技術(shù)成功研制出某型發(fā)動機(jī)用整體葉盤，各項(xiàng)性能指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)要求。

TiAl系金屬間化合物比傳統(tǒng)鈦合金的質(zhì)量更輕、使用溫度更高，但塑性更差，國外目前已經(jīng)掌握了TiAl系金屬間化合物的應(yīng)用技術(shù)，國內(nèi)還處于工程化研究階段。我公司與西工大、北鋼院等聯(lián)合攻關(guān)，目前也已完成TiAl系金屬間化合物等溫鍛造工藝的研究。

圖3 等溫鍛鋁輪轂

圖4 鋁合金等溫鍛件

圖5 鎂合金等溫鍛件

高溫合金、粉末高溫合金的等溫鍛造

變形高溫合金是發(fā)動機(jī)中的關(guān)鍵高溫材料，先進(jìn)發(fā)動機(jī)中的渦輪盤鍛件、機(jī)匣鍛件、葉片鍛件等多為高溫合金。高溫合金由于合金化水平極高，塑性往往很差，而且由于高溫合金設(shè)計(jì)時要求具有熱強(qiáng)性，其變形抗力很高。而且隨著發(fā)動機(jī)推重比的提高，粉末高溫合金材料也得到越來越廣泛的研究并逐步得到應(yīng)用。國外粉末高溫合金最后成形普遍采用等溫鍛造工藝。

GH4169合金是目前發(fā)動機(jī)中用量最大、最廣泛的高溫合金，通過提高P、B含量得到的GH4169G合金具有更為優(yōu)異的使用性能，但由于這些微量元素含量的提高，合金塑性會變差。我公司采用等溫鍛造工藝生產(chǎn)的GH4169G合金鍛件，各項(xiàng)性能均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，得到用戶的一致好評，并成功應(yīng)用于某型發(fā)動機(jī)。

鋁合金的等溫鍛造

等溫鍛造充分利用金屬在特定條件下呈現(xiàn)出異常高的塑性，可比一般塑性成形提高1～2個數(shù)量級；變形抗力很小，不存在或有很少的應(yīng)變硬化，變形抗力只有常規(guī)塑性成形的1/5左右；尺寸穩(wěn)定，可以一次成形復(fù)雜形狀的零件，表面光潔度及尺寸精度高，我公司生產(chǎn)的某型號飛機(jī)用剎車鋁輪轂如圖3所示。該鍛件坯料的材料為2A14，鍛件全加工，設(shè)計(jì)的單邊加工余量為2mm。

同時隨著新型號飛機(jī)、發(fā)動機(jī)的發(fā)展，對鍛件提出高疲勞、長壽命等技術(shù)要求，好多產(chǎn)品由原來的兩段、三段、甚至六段、七段合并為整體鍛件。我公司以前生產(chǎn)某飛機(jī)框、梁鍛件分段模鍛，然后加工組合成一體的生產(chǎn)模式已經(jīng)不能滿足用戶對新型號構(gòu)件組織、性能的要求。為此，我公司通過技術(shù)攻關(guān)，生產(chǎn)了國內(nèi)最大的鋁合金等溫模鍛件，該鍛件如圖4所示，材料為2A14，鍛件投影面積為1.55m2。

鎂合金的等溫鍛造

圖5所示的直升機(jī)機(jī)匣屬于關(guān)鍵模鍛件，材料為MB15，形狀、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有4個非均勻凸耳和6個高筋，高筋的高厚比達(dá)到9。該鍛件為我公司生產(chǎn)的目前國內(nèi)最大的鎂合金模鍛件，該鍛件在100MN壓力機(jī)上采用等溫鍛造成形。

結(jié)束語

大型化、整體化、精密化是鍛件的發(fā)展趨勢，等溫鍛造是實(shí)現(xiàn)該趨勢的重要途徑。等溫鍛造技術(shù)是一種先進(jìn)的金屬壓力加工技術(shù)，在難變形合金鍛造方面具有明顯優(yōu)勢。目前，在等溫鍛造模具材料的開發(fā)、模具保護(hù)涂層、模具修復(fù)技術(shù)，以及真空或保護(hù)氣氛下實(shí)現(xiàn)等溫鍛造，提高等溫鍛造生產(chǎn)效率等方面，仍需要作進(jìn)一步的研究和探索。

通過本文的分析可以看出，采用等溫鍛造技術(shù)生產(chǎn)的鍛件既提高了金屬材料的利用率，又減小了后續(xù)加工余量和加工工時的消耗，具有較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，提高了我國在關(guān)鍵鍛件制造領(lǐng)域的技術(shù)水平，并為國家航空、航天事業(yè)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。