鈦合金雙安裝板靜子葉片精鍛成形工藝優(yōu)化

汪大成，吳香菊，丁 維

(中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機(集團(tuán))有限責(zé)任公司，沈陽 110043)

葉片精鍛工藝是歐美航空發(fā)動機技術(shù)發(fā)達(dá)國家在1970年代研發(fā)第三代航空發(fā)動機過程中，為了增加葉片的強度和承載能力，提高葉片的性能和壽命，節(jié)約昂貴的材料，解決難加工材料、薄型面葉片加工的困難，在普通模鍛基礎(chǔ)上逐步發(fā)展出的近凈成形技術(shù)，是葉片鍛造技術(shù)的一大進(jìn)步［1-9］，其中鈦合金葉片的精鍛技術(shù)對于航空航天工業(yè)的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用［10-11］。然而精鍛工藝所鍛葉片的葉身型面余量很小，單面余量僅有0.3 mm左右，甚至直接按零件葉身型面尺寸鍛造，葉身型面厚度很薄，尤其葉片進(jìn)排氣邊緣厚度已不足1 mm，葉身的變形非常劇烈，容易形成由拉長晶粒組成的變形織構(gòu)和“應(yīng)變線”，組織均勻性較差，給葉片的性能帶來不利影響。

低壓第二級靜子葉片屬于雙安裝板結(jié)構(gòu)，是壓氣機葉片中較為復(fù)雜的一種類型，其安裝板部位橫截面積與葉身部位橫截面積相差懸殊，且葉身兩頭都帶安裝板，葉片的鍛造成形相當(dāng)困難，需采取頂鍛制坯。由于葉片鍛件安裝板的橫截面積遠(yuǎn)大于葉身的橫截面積，按正常的計算，將導(dǎo)致頂鍛時變形部分的長徑比過大，很容易在頂鍛時失穩(wěn)而無法完成，因此只有將坯料直徑增大，減小變形部分的長徑比，但這樣又存在預(yù)鍛時葉身金屬過多、變形量大而超出了材料變形能力的矛盾，易導(dǎo)致預(yù)鍛時產(chǎn)生分層缺陷，甚至產(chǎn)生嚴(yán)重的開裂問題，為此在雙安裝板靜子葉片精鍛成形工藝研究過程中將預(yù)鍛過程分解為兩火次變形，整個成形工藝被分為頂鍛內(nèi)安裝板、頂鍛外安裝板、第一次預(yù)鍛、第二次預(yù)鍛、終鍛共5火次鍛造，成形工藝流程過長。

等溫鍛造是近年來在迅速擴(kuò)大應(yīng)用范圍的一項特種鍛造技術(shù)，其利用金屬材料在超塑性或近似超塑性狀態(tài)下流變應(yīng)力降低，使鍛造變形抗力大幅度降低的特點，降低壓力加工設(shè)備噸位，使之在較小的設(shè)備上鍛造出較大的鍛件，并能把形狀復(fù)雜、精度高的鍛件一次鍛造成形，對一些難變形的金屬材料能取得滿意的成型效果，而且能提高鍛件的內(nèi)、外部質(zhì)量［12-15］.對于第二級靜子葉片精鍛成形工藝采用等溫預(yù)鍛代替普通預(yù)鍛，對TC4合金的等溫變形規(guī)律進(jìn)行摸索，以達(dá)到提高該葉片葉身表面質(zhì)量、改善組織、性能的目的，有望減少預(yù)鍛火次，縮短成形工藝流程。通過將等溫鍛與精鍛相結(jié)合，集兩種工藝之長，進(jìn)行優(yōu)勢互補，可提高葉片精鍛成形工藝的靈活性和合理性，將更好地滿足航空發(fā)動機對葉片越來越高的組織、性能要求。

1 研究目標(biāo)

以低壓第二級靜子葉片為載體，采用等溫預(yù)鍛代替普通預(yù)鍛，對TC4合金的等溫變形規(guī)律進(jìn)行摸索，提高葉片葉身表面質(zhì)量，改善組織、性能，驗證減少預(yù)鍛火次、縮短精鍛成形工藝流程的可行性，從而優(yōu)化鈦合金雙安裝板葉片精鍛成形工藝.第二級靜子葉片精鍛件模型見圖1.

圖1 第二級靜子葉片精鍛件模型

2 試驗

2.1 葉片等溫預(yù)鍛成型過程模擬

2.1.1 數(shù)字模型

1)頂鍛件.頂鍛件的模型見圖2.

圖2 頂鍛件模型

2)等溫預(yù)鍛模.等溫預(yù)鍛模的模型見圖3.

圖3 等溫預(yù)鍛模模型

2.1.2 選用工藝參數(shù)及邊界條件

采用DEFORM-3D軟件(剛粘塑性有限元法)進(jìn)行等溫預(yù)鍛成型過程模擬.表1是各個參數(shù)的設(shè)定情況.

2.2 葉片預(yù)鍛及終鍛成形試驗

2.2.1 試驗材料

1)主要材料.TC4合金棒材，規(guī)格:Φ28 mm，熔煉爐號:534-20070281，產(chǎn)地:寶鈦集團(tuán)，相變點:995℃ ～1 005℃.棒材經(jīng)車加工成Φ26 mm的坯料，長度按工藝需要給定.

2)輔助材料.等溫預(yù)鍛用玻璃潤滑劑:Oxy lub-410、GDS-17.終鍛用玻璃潤滑劑:Oxy lub-410.終鍛用脫模劑:F645 AFA鍛造石墨乳.

以后的幾十年，茂友叔一直一個人獨居在梨園的老屋。直到某一天，他突然說是要去找兒子，就那樣離開了梨園，離開了那幢孤零零的破房。木香托了很多人去找，又張貼了尋人啟事，都沒有一丁點訊息。不知他流落到了哪個山溝野岔。

表1 參數(shù)設(shè)定

2.2.2 試驗設(shè)備

等溫預(yù)鍛用設(shè)備:THP32-630B型四柱液壓機.

普通預(yù)鍛及終鍛用設(shè)備:PSM4.560f型電動螺旋壓力機.

2.2.3 試驗方案

試驗方案見表2.

表2 試驗方案

試驗過程中試驗件兩火頂鍛加熱溫度為(950±10)℃;等溫預(yù)鍛溫度為(930±10)℃，變形速度0.1 mm/s;終鍛加熱溫度為(950±10)℃;熱處理制度為(780±10)℃，保溫1～2 h，空冷.

3 結(jié)果及討論

3.1 等溫預(yù)鍛成型過程模擬

根據(jù)頂鍛件外形的特點，變形先發(fā)生在兩安裝板與葉身的轉(zhuǎn)接R處(如圖4所示)，隨后葉身及安裝板外側(cè)開始變形(如圖5所示)，安裝板最后參與變形(如圖6所示).

圖4 預(yù)鍛開始變形的情況

從模擬出的預(yù)鍛件外形(如圖7所示)來看，安裝板能夠很好地充滿，說明設(shè)計的頂鍛件兩頭體積足夠鍛件充滿，但葉身有很大的毛邊，這是頂鍛模設(shè)計時變形部分長徑比的限制所帶來的影響，因為實際需要的葉身部分直徑應(yīng)為Φ21 mm左右，但兩個頭部的體積換算成棒料的長度很長，難以進(jìn)行頂鍛，只有增加棒料直徑，才能減小變形部分的長度，從而降低變形部分的長徑比，以實現(xiàn)正常地頂鍛.

圖5 預(yù)鍛葉身開始變形的情況

圖6 預(yù)鍛安裝板開始變形的情況

圖7 預(yù)鍛完成變形的情況

等溫預(yù)鍛后等效應(yīng)變的分布情況如圖8所示.

圖8 預(yù)鍛后等效應(yīng)變的分布情況

最大等效應(yīng)變達(dá)到很大的6.12，但其處于安裝板的側(cè)邊，鍛件本體的應(yīng)變差異不大，說明變形較為均勻.等溫預(yù)鍛后等效應(yīng)力的分布情況如圖9所示，最大等效應(yīng)力達(dá)到54 MPa，是在折疊閉合處，且應(yīng)力水平不高，鍛件本體的應(yīng)力處于40 MPa左右，較為均勻.等溫預(yù)鍛后流動速度的分布情況如圖10所示，流動方向除折疊處之外沒有異常，流動速度最大處在毛邊最外側(cè)，且只有1.35 mm/s，符合等溫成型的流動規(guī)律.這些變形情況體現(xiàn)了等溫成型工藝的突出優(yōu)勢.

圖9 預(yù)鍛后等效應(yīng)力的分布情況

圖10 預(yù)鍛后流動速度的分布情況

3.2 葉片預(yù)鍛及終鍛成形

試驗所試制出的等溫預(yù)鍛件、終鍛件分別如圖11、12所示，其中等溫預(yù)鍛件實物與模擬結(jié)果十分相近.4個試驗方案所鍛預(yù)鍛件、終鍛件的葉身橫向高倍組織如圖13所示.

從圖11、12可以看出等溫預(yù)鍛件、終鍛件表面光滑、完整，沒有明顯的分層、裂紋等缺陷，表明采用一火成型的等溫預(yù)鍛件能夠滿足葉片精鍛成型的要求.

從圖13可以看出，方案2、3的一次預(yù)鍛件、二次預(yù)鍛件初生α相形狀較為規(guī)則，基本保持在等軸狀態(tài)，而方案4的一次預(yù)鍛件初生α相形狀規(guī)則性稍差，其二次預(yù)鍛件初生α相形狀規(guī)則性更差，這反映了等溫鍛造與普通鍛造對鈦合金組織的影響有較明顯的差異，等溫鍛造的變形很緩慢，在變形程度不大的情況下，對初生α相的破碎很輕微，等軸組織形狀保持得較完整，而普通鍛造的變形較為劇烈，即使在變形程度不大的情況下，初生α相的破碎仍相當(dāng)明顯.對于方案1的鍛件，經(jīng)過很大變形程度的等溫變形后，其預(yù)鍛件初生α相破碎就相當(dāng)明顯了，與方案4的一次預(yù)鍛件的初生α相破碎程度基本相當(dāng).經(jīng)過終鍛變形后，各組的初生α相再次發(fā)生明顯的破碎，形狀規(guī)則性均明顯下降，其中方案1、2相近，方案3最好，方案4最差，因此從組織均勻性的角度看，方案3最好，方案1、2較好，方案4最差.

從4組方案的終鍛件上切取試樣進(jìn)行性能測試，獲得的力學(xué)性能結(jié)果見表3.

圖12 終鍛件

圖13 各組預(yù)鍛件及其終鍛件葉身橫向高倍組織

表3 力學(xué)性能測試結(jié)果

從表2中可以看出，4個方案的終鍛件性能水平基本相當(dāng)，都達(dá)到了鍛件標(biāo)準(zhǔn)的要求，其中方案4的室溫塑性明顯偏低，應(yīng)該是與兩火次普通預(yù)鍛及終鍛的多次較劇烈變形造成的加工硬化效果迭加有關(guān).而方案2的高溫拉伸抗拉強度偏低較異常，與工藝過程及組織狀態(tài)不對應(yīng)，這種情況一般懷疑與測試過程不穩(wěn)定有關(guān).

綜合分析4個試驗方案的鍛件組織、性能，方案3最佳，方案1、2相當(dāng)，方案4最差，應(yīng)當(dāng)選擇方案3，但考慮到縮短精鍛成形工藝整體流程的實際需求，還是選擇方案1為宜，因此優(yōu)化后的雙安裝板精鍛成形工藝分為頂鍛內(nèi)安裝板、頂鍛外安裝板、等溫預(yù)鍛、終鍛共4火次鍛造.

4 結(jié)論

1)采用DEFORM-3D數(shù)值模擬軟件模擬了雙安裝板靜子葉片等溫預(yù)鍛成型過程，預(yù)先驗證了等溫預(yù)鍛成型的可行性，并預(yù)測到了折疊缺陷.

2)等溫預(yù)鍛及終鍛試驗獲得了表面質(zhì)量及尺寸符合工藝要求的等溫預(yù)鍛件，用其鍛造的精鍛件表面質(zhì)量良好，表明等溫預(yù)鍛成型可以實現(xiàn)一火成型，并能夠滿足葉片精鍛的需要.

3)采用等溫預(yù)鍛能夠獲得初生α相形狀較為規(guī)則的葉片，有效改善葉片的組織均勻性，同時葉片的力學(xué)性能也較為理想，為滿足縮短精鍛成形工藝整體流程的實際需求，優(yōu)化后的鈦合金雙安裝板精鍛成形工藝確定為頂鍛內(nèi)安裝板、頂鍛外安裝板、等溫預(yù)鍛、終鍛共4火次鍛造.

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