等溫精鍛改善TC6鈦合金葉片型面透光度的研究

文/姚澤坤，鄒書(shū)亮·西北工業(yè)大學(xué)

胡吉云，耿景東，譚仲剛·貴州航空動(dòng)力公司葉片分廠

等溫精鍛改善TC6鈦合金葉片型面透光度的研究

文/姚澤坤，鄒書(shū)亮·西北工業(yè)大學(xué)

胡吉云，耿景東，譚仲剛·貴州航空動(dòng)力公司葉片分廠

姚澤坤，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事航空難變形材料熱成形理論、工藝及組織性能控制，雙合金構(gòu)件的成形技術(shù)、異種合金結(jié)合界面強(qiáng)韌化機(jī)理等方面的研究。

葉片是發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的零件之一，由于不同型號(hào)葉片榫頭與型面體積相差比較懸殊，型面縱向和橫向的厚薄不一，不同級(jí)葉片的進(jìn)氣邊與排氣邊也存在大小不等的扭角，常規(guī)模鍛過(guò)程中模具與坯料之間的巨大溫差和變形程度的不同會(huì)引起材料的加工硬化效應(yīng)大小不一，使葉片鍛件各部位殘余應(yīng)力的大小不一。

在鍛件冷卻和熱處理冷卻過(guò)程中還存在不可避免的溫差應(yīng)力，因此常常導(dǎo)致難變形材料鍛造的葉片鍛件因形位尺寸超差、內(nèi)部組織不均勻而報(bào)廢。如鈦合金鍛造時(shí)，因?yàn)槠鋵?duì)溫度和應(yīng)變速率敏感，而葉片的型面既薄，又存在扭角，常常造成型面扭曲，各部位的組織和力學(xué)性能不均勻，致使它成為常規(guī)鍛造加工最難保證質(zhì)量的鍛件之一。雖然許多研究者在這方面作了一些研究，但仍難克服加工硬化產(chǎn)生的殘余應(yīng)力疊加冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的溫差應(yīng)力共同導(dǎo)致的葉片的扭曲與翹曲。

等溫鍛造由于消除了模具與加工坯料之間的溫差，又在恒定的材料再結(jié)晶溫度范圍內(nèi)以極低的變形速度加載，使得變形材料不僅抗力低、塑性高，而且摩擦系數(shù)小、流動(dòng)性好，容易充滿模具型槽，最終鍛件不僅組織均勻，而且各部位的力學(xué)性能一致性好，已廣泛應(yīng)用于航空用鈦合金、高溫合金、粉末金屬等復(fù)雜結(jié)構(gòu)件、大尺寸盤形件及葉片的成形。

當(dāng)?shù)葴劐懺?、等溫校正用于鍛造葉片鍛件時(shí)，由于材料的硬化和軟化達(dá)到平衡狀態(tài)，消除了加工硬化產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，可明顯減小型面的扭曲變形，但若加工參數(shù)設(shè)置不合適，效果仍然不佳。本文研究了某發(fā)動(dòng)機(jī)TC6葉片等溫鍛造、等溫校正溫度和保壓時(shí)間，以及真空熱處理對(duì)葉身型面形位尺寸精度即透光度的影響規(guī)律，以尋求型面形位尺寸精度高、組織與性能優(yōu)良的鈦合金葉片生產(chǎn)工藝，并為修模提出定量依據(jù)以克服熱處理后葉身型面的回彈。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本次實(shí)驗(yàn)材料為寶雞鈦業(yè)股份公司生產(chǎn)的φ28mmTC6鈦合金，鍛造葉片形狀，各截面位置及尺寸如圖1所示，葉片鍛件如圖2所示，實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)中模具的加熱溫度與坯料的加熱溫度一致，毛坯、預(yù)鍛件、鍛件及校正件在再次加熱前過(guò)吹砂、涂玻璃潤(rùn)滑劑。鍛造成形后，在無(wú)穿堂風(fēng)處懸掛空冷。利用樣板先后檢測(cè)了各編號(hào)實(shí)驗(yàn)件在等溫鍛造和切邊（工步1）后，及等溫校正（工步2）和熱處理（工步3）后的型面透光度，檢測(cè)透光度是在葉片型面各截面的葉盆、葉背上從進(jìn)氣邊依次向排氣邊等距離取1、2、3、4、5點(diǎn)測(cè)定。

圖1 葉片鍛件外形尺寸簡(jiǎn)圖

圖2 葉片鍛件

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

等溫鍛造與等溫校正的溫度為880℃時(shí)，略微有點(diǎn)偏低，葉片型面僅在進(jìn)氣邊緣處透光值偏大，且葉背的透光值大于葉盆。相對(duì)于鍛后的葉片而言，校正后的葉片有些截面透光點(diǎn)位置出現(xiàn)偏移。而且，葉盆側(cè)透光點(diǎn)位置從Ⅱ截面→Ⅹ截面沿軸向發(fā)生扭轉(zhuǎn)，但透光值均減小，真空熱處理后，只有葉背進(jìn)氣邊中間Ⅳ、Ⅴ截面透光值回彈超過(guò)鍛造后的值，透光點(diǎn)位置的變化規(guī)律為葉片在葉背側(cè)收縮，在葉盆側(cè)張開(kāi)，這一情況正好說(shuō)明葉片型面扭曲確實(shí)與冷卻過(guò)程中存在的溫差應(yīng)力有關(guān)。

當(dāng)?shù)葴劐懺旌偷葴匦Ｕ郎囟染岣叩?00℃時(shí)，從表2中的數(shù)據(jù)可知，葉背進(jìn)氣邊的透光值偏大，但所有截面各點(diǎn)的透光值均比880℃時(shí)的小，熱處理后僅在靠近大頭端部Ⅱ、Ⅲ截面處葉背進(jìn)氣邊側(cè)的透光回彈值超過(guò)鍛造值。

表1 等溫精鍛TC6鈦合金葉片實(shí)驗(yàn)方案

由此證明，提高鍛造和校正溫度有利于位錯(cuò)的回復(fù)和晶粒再結(jié)晶的進(jìn)行，進(jìn)一步消除了變形產(chǎn)生的位錯(cuò)塞積，減小晶格畸變，使熱加工后的殘余應(yīng)力降到最小，從而減小葉片型面的扭曲與翹曲。熱處理后有些截面測(cè)點(diǎn)的透光位置仍偏離于鍛造件和校正件相應(yīng)測(cè)點(diǎn)位置，這說(shuō)明冷卻時(shí)的溫度應(yīng)力對(duì)葉片型面也會(huì)造成影響，從數(shù)據(jù)分析可知，在Ⅱ截面端葉盆是向外張開(kāi)的，而Ⅹ截面端葉盆是向內(nèi)收縮的，造成透光位置變化。

等溫鍛造溫度提高至920℃時(shí)，其透光值比900℃時(shí)的大，特別是第Ⅷ→Ⅹ截面。這是因?yàn)殄懺鞙囟雀?，型面一樣薄的葉片，其高溫強(qiáng)度低，致使其太軟，又因?yàn)椴Ａ?rùn)滑劑產(chǎn)生一定的粘力，夾鉗不能直接取出葉片鍛件，必須借助工具撬動(dòng)毛邊。

鍛件被取出時(shí)，型槽比較深的端頭部位相對(duì)于型槽比較淺的葉身部位，即在Ⅱ、Ⅲ截面與Ⅸ、Ⅹ截面處容易發(fā)生彎扭變形，切邊模上又沒(méi)有設(shè)計(jì)用于壓平形面的葉身型面托塊，而切邊溫度又較高為850℃，致使Z向和X向型面產(chǎn)生弓彎式的變形。等溫校正后，除葉背Ⅱ→Ⅴ截面進(jìn)氣邊緣點(diǎn)外，型面其余各測(cè)點(diǎn)的透光值都得到非常大的改善，值得注意的是那些校正后透光值增大的測(cè)點(diǎn)，熱處理后的透光值相對(duì)校正而言為負(fù)，即透光值減小。

繼續(xù)提高鍛造溫度至940℃時(shí)，同樣由于鍛件太軟，出模困難，從模具型槽撬出鍛件并切邊后，導(dǎo)致葉身進(jìn)氣邊第Ⅷ→Ⅹ截面透光值最大達(dá)到0.75mm。雖然，在880℃校正后透光值減小至0.05～0.1mm，分布也較均勻，但熱處理后透光值回彈至0.2mm，大于900℃校正時(shí)的回彈量，由此可以證明880℃校正溫度下，合金變形時(shí)產(chǎn)生的位錯(cuò)不能完全恢復(fù)。疊加冷卻時(shí)產(chǎn)生溫差應(yīng)力后，使熱處理的葉片型面相對(duì)于校正，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向翹曲變形。

結(jié)束語(yǔ)

眾所周知，葉片透光度大小反映的是葉身型面扭曲變形的大小，產(chǎn)生扭曲變形的主要原因有鍛件內(nèi)殘留有晶格畸變、位錯(cuò)引起的殘余應(yīng)力，冷卻時(shí)產(chǎn)生的溫差應(yīng)力，模具設(shè)計(jì)不當(dāng)或加工精度低等等。這些應(yīng)力在葉片各部位的分布情況存在很大差別，當(dāng)應(yīng)力釋放時(shí)就會(huì)引起扭曲變形，造成葉片鍛件形位尺寸超差。

等溫鍛造和等溫校正之所以能改善葉片型面的透光值，主要是因?yàn)榈葴劐懺焓窃诟哂谠俳Y(jié)晶溫度下，以非常低的速度加載，金屬是以蠕變方式變形，在外力作用下開(kāi)動(dòng)的位錯(cuò)有充足的時(shí)間通過(guò)空位或物質(zhì)的擴(kuò)散來(lái)消除，即使遇到第二相粒子或三角晶界的阻礙而塞積，但由于溫度高，再結(jié)晶成核所需的能量容易滿足，一旦形核，就消除了位錯(cuò)塞積引起的加工硬化，從而降低或消除了殘余應(yīng)力，葉片采用等溫鍛造成形也正是看中了這一點(diǎn)。

等溫鍛造和等溫校正雖然可以有效地降低葉片型面的翹曲或扭曲變形，但必須配合一定的輔助工步，因每火次加熱都會(huì)使鈦合金表面產(chǎn)生硬而脆的氧化層，其性質(zhì)與表層下金屬的物理性質(zhì)相差較大，如不去除，會(huì)引起冷卻時(shí)收縮不均，同樣會(huì)影響葉身型面的透光值。等溫鍛造生產(chǎn)效率低，一次性投入成本高，不適合批量大的葉片生產(chǎn)，但適合于葉身細(xì)長(zhǎng)、型面薄且扭角又大的鈦合金葉片，或是常規(guī)模鍛難以充滿的帶阻尼臺(tái)鈦合金葉片的生產(chǎn)。