Ti60合金雙性能整體葉盤鍛造技術(shù)研究

孫二舉+李寧+孫朋朋+萬自永

摘 要：首先研究了Ti60合金雙性能整體葉盤縮比件鍛造技術(shù)，采用有限元數(shù)值模擬方法優(yōu)化了模鍛成形過程坯料形狀，得到了具有明顯應(yīng)變梯度的最優(yōu)化坯料；通過縮比件驗(yàn)證試驗(yàn)對(duì)有限元模型進(jìn)行修正，重新確定了滿足等軸組織和網(wǎng)籃組織雙重組織狀態(tài)的優(yōu)化模鍛坯料應(yīng)變梯度和鍛造工藝參數(shù)。采用縮比件試驗(yàn)方法和結(jié)論，探索了全尺寸雙性能整體葉盤鍛造工藝。全尺寸雙性能整體葉盤試驗(yàn)結(jié)果表明：整體葉盤低倍組織輪緣部分為模糊晶，輪心部分為清晰晶，高倍組織基本達(dá)到了雙重組織的要求。

關(guān)鍵詞：Ti60合金 數(shù)值模擬 雙性能 整體葉盤 最優(yōu)化坯料

中圖分類號(hào)：TG316 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）10（b）-0040-02

鈦合金因其低密度、高強(qiáng)度、耐熱性好等特點(diǎn)[1]，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料。Ti60合金是我國(guó)自主研發(fā)的高溫鈦合金，工作溫度可達(dá)600℃，是在TA12合金的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加Al、Sn、Si的含量并添加了Nb元素，進(jìn)一步提高高溫強(qiáng)度和蠕變性能。目前，采用Ti60合金研制的風(fēng)扇盤、高壓壓氣機(jī)盤、低壓渦輪葉片和導(dǎo)彈翼面已通過試車考核。

為滿足以F119、F120、EJ200為標(biāo)志的第4代戰(zhàn)斗機(jī)用發(fā)動(dòng)機(jī)以及未來高推重比新概念發(fā)動(dòng)機(jī)的性能要求，關(guān)鍵是提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比。整體葉盤因其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)成為提高飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的重要措施[2]。整體葉盤的工作條件相當(dāng)惡劣，葉盤的葉片部分需要承受更高的溫度和離心力，而葉盤的輪盤部分則要更承受復(fù)雜的應(yīng)力。雙性能整體葉盤能夠使葉盤的不同部位呈現(xiàn)不同的組織狀態(tài)和使用性能，避免了常規(guī)均質(zhì)盤為了兼顧葉盤和輪盤的性能而進(jìn)行的折衷，使材料本身的性能潛力得到了充分發(fā)揮。600℃高溫鈦合金雙性能整體葉盤既具有結(jié)構(gòu)方面減重的突出技術(shù)優(yōu)勢(shì)又能充分發(fā)揮高溫鈦合金的材料優(yōu)勢(shì)，是一個(gè)極具發(fā)展前景的研究方向。

對(duì)于鈦合金雙性能整體葉盤，為了滿足使用性能的要求，葉盤的葉片部分組織狀態(tài)為等軸組織，輪盤部分組織狀態(tài)為網(wǎng)籃組織[3]。姚澤坤等人采用鍛造方法已對(duì)TC11鈦合金雙組織-雙性能盤進(jìn)行了深入研究[4]，證明了實(shí)現(xiàn)雙重組織性能的可行性。由于Ti60合金化程度高，加工窗口狹窄，鍛件的組織性能對(duì)熱加工過程十分敏感，因此，本文采用有限元數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，研究Ti60合金雙性能整體葉盤的鍛造技術(shù)。

1 縮比件鍛造技術(shù)

該文所用Ti60合金相變點(diǎn)為1050℃。由文獻(xiàn)[5]可知變形溫度在相變點(diǎn)以上時(shí)，Ti60合金的組織為網(wǎng)籃組織；變形溫度在相變點(diǎn)以下時(shí)，Ti60合金的組織為等軸組織。變形程度大于60%時(shí)，網(wǎng)籃組織發(fā)生球化轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)化為等軸組織。因此可制定以下試驗(yàn)方案：整個(gè)成形過程分為二次進(jìn)行，制坯變形溫度1080℃，使坯料在相變點(diǎn)以上30℃適度變形，得到網(wǎng)籃組織；模鍛變形溫度1010℃，通過合理的坯料設(shè)計(jì)使坯料邊緣部分大變形區(qū)等效應(yīng)變大于1、中心部分小變形區(qū)等效應(yīng)變小于0.3，使邊緣處變形量足夠大以獲得良好的破碎晶粒和α相球化效果，又使中心處保留了制坯的網(wǎng)籃組織狀態(tài)；之后在兩相區(qū)退火處理，使縮比件各部分組織穩(wěn)定。

該文采用1∶5的縮比件驗(yàn)證上述工藝設(shè)計(jì)。為了簡(jiǎn)化模具加工，采用平板鐓粗的方式進(jìn)行試驗(yàn)。

1.1 有限元模型建立

運(yùn)用CAD實(shí)體建模軟件UG完成坯料和上下模具的造型，引入到DEFORM2D，通過設(shè)置參數(shù)生成有限元計(jì)算模型。

成形過程中，上下模具只與工件發(fā)生熱交換，不產(chǎn)生變形，因而模具可視為剛性體。工件為剛塑性體。模擬計(jì)算所需要參數(shù)值見表1。工件材料為Ti60合金，熱導(dǎo)率和比熱容分別為18.85W/（m℃）和900J/（kg℃）[6]，采用文獻(xiàn)[7]建立的本構(gòu)方程。模具材料為K403鑄造高溫合金。制坯坯料尺寸為Φ63×88 mm，制坯變形量為40%；模鍛坯料需在預(yù)制坯基礎(chǔ)上經(jīng)適當(dāng)?shù)臋C(jī)械加工制成。上模運(yùn)動(dòng)速度為2 mm/s。

由于制坯階段為平板鐓粗，成形過程簡(jiǎn)單，該文不做詳細(xì)分析。根據(jù)上述條件，建立了縮比件模鍛成形過程有限元模型。圖1所示為等效應(yīng)變分布圖。從圖中可以看出，坯料成形完整，無折疊、缺肉等缺陷產(chǎn)生。坯料等效應(yīng)變梯度分布明顯，中心部分小變形區(qū)等效應(yīng)變小于0.3，邊緣部分大變形區(qū)等效應(yīng)變基本大于1，變形過渡區(qū)等效應(yīng)變呈弧形分布。

成形過程為近等溫成形，且上模具運(yùn)動(dòng)速度較低，坯料變形生熱和與模具接觸傳熱對(duì)坯料整體溫度變化影響不大。

1.2 縮比件驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)有限元模擬結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)工藝參數(shù)采用模擬參數(shù)，模鍛成形坯料采用有限元模擬結(jié)果確定的最優(yōu)化坯料。

圖2所示為熱處理后縮比件半子午面低倍組織，圖中（a）、（b）、（c）處為大變形區(qū)，（d）處為變形過渡區(qū)，（e）、（f）處為小變形區(qū)。從圖中可以看出，邊緣大變形區(qū)為模糊晶，中心小變形區(qū)為清晰晶，低倍組織達(dá)到雙重組織的要求。

圖3所示（b）、（d）、（e）點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置高倍組織。從圖中可以看出，其中點(diǎn)（b）初生α相形態(tài)為圓棒和長(zhǎng)條狀兩種，相含量較多，為典型的等軸組織；點(diǎn)（e）微觀組織為典型的網(wǎng)籃組織，原始β晶粒內(nèi)分布著發(fā)達(dá)的片層α相，β晶界已被破碎，α相尺寸較大。點(diǎn)（b）變形量較大，制坯成形后的片狀α相在模鍛成形時(shí)基本上被壓碎，未被壓碎的粗大晶粒則存儲(chǔ)較大的畸變能，熱處理過程中這些變形畸變能使晶粒發(fā)生再結(jié)晶，得到較細(xì)小的等軸α相，因此這2點(diǎn)的晶?；旧蠟榈容S組織。點(diǎn)（e）在模鍛成形時(shí)沒有發(fā)生變形，未發(fā)生晶粒細(xì)化的作用，該點(diǎn)的組織保持了制坯的組織狀態(tài)，并在后續(xù)熱處理時(shí)晶粒長(zhǎng)大，片狀α相尺寸較大。

點(diǎn)（d）處于變形過渡區(qū)，模鍛成行時(shí)，變形量較（b）點(diǎn)小，畸變能和形核率較低，導(dǎo)致α相尺寸相對(duì)較大，α相形狀更不規(guī)則。不難看出，適當(dāng)增加模鍛成形時(shí)的變形量，可以提高組織的均勻性。從有限元模擬結(jié)果可以看出，此處等效應(yīng)變值大概是0.7。因此可以認(rèn)為，在模鍛成形時(shí)，等效應(yīng)變大于等于0.7時(shí)，變形可提高足夠的畸變能，熱處理后，材料的組織狀態(tài)為等軸組織。

1.3 有限元模型修正

根據(jù)試驗(yàn)成型過程和組織分析結(jié)果，對(duì)有限元模型進(jìn)行修正[5]。修正后的有限元模型為：摩擦因子為0.25，其他參數(shù)不變；應(yīng)變梯度為大變形區(qū)大于等于0.7，小變形區(qū)等效應(yīng)變小與0.3，變形過渡區(qū)等效應(yīng)變適中。

2 全尺寸盤試驗(yàn)

采用縮比件模鍛坯料的優(yōu)化方法，確定全尺寸盤模鍛成形坯料，圖4所示為全尺寸盤模鍛件。從圖中可以看出，鍛件成形良好，模具填充完整。

圖5所示為鍛件熱處理后的低倍組織。圖中顯示的為鍛件半子午面，即圖左側(cè)為輪轂，右側(cè)為輪緣。從圖5可以看出，鍛件輪轂和腹板位置為清晰晶，輪緣為模糊晶。

圖6所示為鍛件高倍組織，其中（a）為大變形區(qū)，（b）為變形過渡區(qū)，（c）為小變形區(qū)。圖（a）組織由等軸、片狀α相與β轉(zhuǎn)變組織組成。圖（c）組織由大量片狀α相和β轉(zhuǎn)變組織組成，β晶界已經(jīng)破碎，片狀α相尺寸較大，這是因?yàn)槟ｅ懗尚魏筝喐刮恢没緹o變形，仍然保留了制坯的組織狀態(tài)。圖（b）組織狀態(tài)為圖（a）和圖（c）的過渡狀態(tài)。圖（a）輪緣外緣；（b）輪緣部分中心位置；（c）過渡區(qū)；（d）輪腹位置。

3 結(jié)論

（1）對(duì)縮比件模鍛成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，優(yōu)化了得到合適應(yīng)變梯度的坯料形狀。通過縮比件試驗(yàn)結(jié)果修正了得到雙重組織狀態(tài)的應(yīng)變梯度，應(yīng)變梯度值為大變形區(qū)等效應(yīng)變大于0.7，小變形區(qū)等效應(yīng)變小于0.3，過渡區(qū)等效應(yīng)變適中。

（2）全尺寸盤低倍組織大變形區(qū)為模糊晶，小變形區(qū)為清晰晶；高倍組織基本符合雙重組織的要求。

參考文獻(xiàn)

[1] CAI Jian-Ming， et al. Research and development of 600℃ high temperature titanium alloys for aeroengine（航空發(fā)動(dòng)機(jī)用600℃高溫鈦合金的研究與發(fā)展）[J].Materials Review，2005，19（1）：50-53.）

[2] Huang Chun-Feng.Modern aeroengine interal blisk and its manufacturing technology（現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤及其制造技術(shù)） [J].Aeronautical Manufacturing Technology，2006（4）：94-100.

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[5] Sun Er-ju. Forging Technology of Ti60 alloy Dual Property Blisk（Ti60合金雙性能整體葉盤鍛造技術(shù)研究）[D].Xian： Northwestern Polytechnical University，2011.

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[7] SunEr-ju，et al.Constitutive Equations for Hot Deformation of Ti60HighTemperature Titanium Alloy（熱加工條件下Ti60高溫鈦合金的本構(gòu)關(guān)系）[J].Journal of Aeronautical Materials，2012， 32（3）：40-45.

1.3 有限元模型修正

根據(jù)試驗(yàn)成型過程和組織分析結(jié)果，對(duì)有限元模型進(jìn)行修正[5]。修正后的有限元模型為：摩擦因子為0.25，其他參數(shù)不變；應(yīng)變梯度為大變形區(qū)大于等于0.7，小變形區(qū)等效應(yīng)變小與0.3，變形過渡區(qū)等效應(yīng)變適中。

2 全尺寸盤試驗(yàn)

采用縮比件模鍛坯料的優(yōu)化方法，確定全尺寸盤模鍛成形坯料，圖4所示為全尺寸盤模鍛件。從圖中可以看出，鍛件成形良好，模具填充完整。

圖5所示為鍛件熱處理后的低倍組織。圖中顯示的為鍛件半子午面，即圖左側(cè)為輪轂，右側(cè)為輪緣。從圖5可以看出，鍛件輪轂和腹板位置為清晰晶，輪緣為模糊晶。

圖6所示為鍛件高倍組織，其中（a）為大變形區(qū)，（b）為變形過渡區(qū)，（c）為小變形區(qū)。圖（a）組織由等軸、片狀α相與β轉(zhuǎn)變組織組成。圖（c）組織由大量片狀α相和β轉(zhuǎn)變組織組成，β晶界已經(jīng)破碎，片狀α相尺寸較大，這是因?yàn)槟ｅ懗尚魏筝喐刮恢没緹o變形，仍然保留了制坯的組織狀態(tài)。圖（b）組織狀態(tài)為圖（a）和圖（c）的過渡狀態(tài)。圖（a）輪緣外緣；（b）輪緣部分中心位置；（c）過渡區(qū)；（d）輪腹位置。

3 結(jié)論

（1）對(duì)縮比件模鍛成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，優(yōu)化了得到合適應(yīng)變梯度的坯料形狀。通過縮比件試驗(yàn)結(jié)果修正了得到雙重組織狀態(tài)的應(yīng)變梯度，應(yīng)變梯度值為大變形區(qū)等效應(yīng)變大于0.7，小變形區(qū)等效應(yīng)變小于0.3，過渡區(qū)等效應(yīng)變適中。

（2）全尺寸盤低倍組織大變形區(qū)為模糊晶，小變形區(qū)為清晰晶；高倍組織基本符合雙重組織的要求。

參考文獻(xiàn)

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1.3 有限元模型修正

根據(jù)試驗(yàn)成型過程和組織分析結(jié)果，對(duì)有限元模型進(jìn)行修正[5]。修正后的有限元模型為：摩擦因子為0.25，其他參數(shù)不變；應(yīng)變梯度為大變形區(qū)大于等于0.7，小變形區(qū)等效應(yīng)變小與0.3，變形過渡區(qū)等效應(yīng)變適中。

2 全尺寸盤試驗(yàn)

采用縮比件模鍛坯料的優(yōu)化方法，確定全尺寸盤模鍛成形坯料，圖4所示為全尺寸盤模鍛件。從圖中可以看出，鍛件成形良好，模具填充完整。

圖5所示為鍛件熱處理后的低倍組織。圖中顯示的為鍛件半子午面，即圖左側(cè)為輪轂，右側(cè)為輪緣。從圖5可以看出，鍛件輪轂和腹板位置為清晰晶，輪緣為模糊晶。

圖6所示為鍛件高倍組織，其中（a）為大變形區(qū)，（b）為變形過渡區(qū)，（c）為小變形區(qū)。圖（a）組織由等軸、片狀α相與β轉(zhuǎn)變組織組成。圖（c）組織由大量片狀α相和β轉(zhuǎn)變組織組成，β晶界已經(jīng)破碎，片狀α相尺寸較大，這是因?yàn)槟ｅ懗尚魏筝喐刮恢没緹o變形，仍然保留了制坯的組織狀態(tài)。圖（b）組織狀態(tài)為圖（a）和圖（c）的過渡狀態(tài)。圖（a）輪緣外緣；（b）輪緣部分中心位置；（c）過渡區(qū)；（d）輪腹位置。

3 結(jié)論

（1）對(duì)縮比件模鍛成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，優(yōu)化了得到合適應(yīng)變梯度的坯料形狀。通過縮比件試驗(yàn)結(jié)果修正了得到雙重組織狀態(tài)的應(yīng)變梯度，應(yīng)變梯度值為大變形區(qū)等效應(yīng)變大于0.7，小變形區(qū)等效應(yīng)變小于0.3，過渡區(qū)等效應(yīng)變適中。

（2）全尺寸盤低倍組織大變形區(qū)為模糊晶，小變形區(qū)為清晰晶；高倍組織基本符合雙重組織的要求。

參考文獻(xiàn)

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