TC17合金盤軸鍛件普通β鍛成形工藝優(yōu)化

中航工業(yè)貴州安大航空鍛造有限責任公司 李玉鳳 占立水 蘇春民 張 振

TC17合金屬于（α-β）型兩相鈦合金，采用β鍛生產(chǎn)的鍛件具有良好的斷裂韌性和抗蠕變性能[1]；而鈦合金β鍛生產(chǎn)過程控制難度大，成形溫度范圍窄，變形量大，必須一火完成鍛造過程。要獲得良好的組織性能須保證TC17合金β鍛鍛造溫度在Tβ上30～60℃內(nèi)，變形量控制在30%～50%范圍。對于大中型盤軸類TC17合金鍛件多采用等溫鍛方式成形，新產(chǎn)品通常要求短周期、低成本和高質(zhì)量交付，等溫鍛無法滿足客戶研發(fā)需求。為此決定采用普通熱模鍛進行TC17合金盤軸件的β鍛成形，并通過CAD/CAE一體化先進設(shè)計平臺對TC17合金盤軸件進行鍛件、模具及工藝優(yōu)化設(shè)計，以便實現(xiàn)縮短研發(fā)周期、降低試造成本、提高工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量的目標。研究首先根據(jù)零件圖和技術(shù)要求開展產(chǎn)品幾何性分析；繼而基于公司的生產(chǎn)能力和技術(shù)水平對產(chǎn)品進行工藝性分析，應(yīng)用CAD系統(tǒng)進行鍛件及模具設(shè)計，初步制定成形工藝方案；然后通過CAE系統(tǒng)對產(chǎn)品熱成形過程進行有限元分析，進行工藝優(yōu)化、缺陷預(yù)測；之后通過試造驗證優(yōu)化工藝的可行性和可靠性，修正完善工藝方案，為后續(xù)批次的生產(chǎn)提供有效的參考依據(jù)和理論指導。

1 TC17合金某盤軸鍛件普通β模鍛工藝性分析

研究對象為TC17合金某盤軸鍛件，該鍛件屬于關(guān)重件，要求普通β模鍛成形。鍛件圖如圖1所示，圖中點劃線所示圖形為鍛件粗加工外廓，根據(jù)粗加工圖可知零件沿軸向具有多臺階特性，截面變化率較大。最大外徑與最小外徑比值達到1.68，徑高比達到1.93，屬于典型的盤軸件，內(nèi)孔粗加工尺寸為φ91mm，設(shè)計模鍛件時考慮到工藝余量，內(nèi)孔高徑比為2.9，難以通過鍛造方式來成形內(nèi)孔，兼顧小頭端變形量，模鍛件在小頭端斷面設(shè)計了輔助工藝內(nèi)凹孔。模鍛件設(shè)計時為了避免宏觀缺陷保證材料的流動性和出模方便，簡化了臺階，設(shè)計了如圖1所示的模鍛件圖。

綜合分析鍛件的成形工藝性可知，通過普通模鍛成形難度較大，工藝過程控制難度大，須嚴格控制3個關(guān)鍵點。

（1）成形溫度控制。TC17合金β鍛須一火內(nèi)完成最終成形，始鍛溫度必須控制在相變點以上30～60℃，終鍛溫度不得低于830℃；轉(zhuǎn)移過程中為了減小坯料表面熱量損失，盡可能減少轉(zhuǎn)移時間；

圖1 TC17合金某盤軸件鍛件圖Fig.1 Drawing of TC17 alloy with discal shape

為了減小鍛件表面溫降，鍛造前需要對坯料表面涂潤滑防護劑模具需要預(yù)熱至300℃左右，弱化鍛件表面的加工硬化效應(yīng)。

（2）變形量的控制。模鍛之前需要對坯料進行改鍛，盡量保證坯料組織細小均勻；終鍛變形量應(yīng)該控制在30%～50%之間，保證鍛件獲得足夠大的變形量，破碎晶粒并獲得細小均勻的再結(jié)晶晶粒，尤其是保證鍛件小頭端的變形量。

（3）成形過程的控制。公司用于生產(chǎn)該鍛件的設(shè)備為10t模鍛錘，由于人工操作，不確定影響因素較大，成形速率控制難度大，對組織均勻性影響不可測，成形過程不穩(wěn)定，錘擊容易引起溫升異常，錯移嚴重等問題。

為此TC17合金盤軸件普通β鍛成形過程控制難度大，成形質(zhì)量可靠性不穩(wěn)定，研究進一步基于CAD/CAE一體化設(shè)計平臺對鍛件的成形過程進行了有限元分析，預(yù)測鍛件成形缺陷，優(yōu)化工藝參數(shù)，為保證鍛件良好的成形質(zhì)量奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

2 TC17合金盤軸鍛件成形工藝優(yōu)化設(shè)計

該類鍛件成形過程中極易出現(xiàn)各種宏微觀缺陷，宏觀缺陷主要有填充不滿、應(yīng)力集中產(chǎn)生的宏觀裂紋、折疊、錯移、欠壓等，微觀缺陷主要有流線紊亂、粗晶、混晶、偏析等。工藝設(shè)計時需要全面考慮宏觀工藝參數(shù)，通過協(xié)調(diào)工藝參數(shù)來保證鍛件獲得良好的成形質(zhì)量。研究借助CAE軟件Deform對鍛件成形過程進行可視化展示，預(yù)測鍛件成形過程中材料流動規(guī)律，溫度分布規(guī)律，成形缺陷警示等。大大縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，節(jié)約研發(fā)成本，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)效益。根據(jù)有限元分析結(jié)果深入分析了成形過程鍛件內(nèi)部材料流動速度、等效應(yīng)變及溫度分布情況。

圖2顯示了鍛件成形時內(nèi)部材料的流動速度分布圖，從鍛件大頭端材料的流動速度和方向可知，大頭端材料以反擠的方式填充模具，而小頭端則以模具壓下方向為流動方向，且流動速度遠遠小于大頭端的材料流動，在變形量足夠的情況下，大頭端更容易出現(xiàn)組織不合格的問題，因為該區(qū)域材料流動劇烈，且處于材料反向流動的過渡區(qū)域，極易形成渦輪、流線紊亂、晶粒粗大、纖維組織等，對后續(xù)機械性能造成不良影響。對鍛件成形時的溫度分布進行分析，如圖3所示，大頭端內(nèi)部溫度有上升趨勢，均由于該處材料流動劇烈，易產(chǎn)生變形熱，導致材料溫度升高，溫度升高能為該區(qū)域晶粒形核、長大提供足夠的激活能，容易出現(xiàn)粗晶或混晶區(qū)域，造成組織不均勻，性能異常等質(zhì)量問題。而與模具接觸的區(qū)域，溫降較為嚴重，遠遠低于700℃，為了保證鍛件不出現(xiàn)雙向組織，類似區(qū)域應(yīng)該保證有足夠的機加余量，可以在后續(xù)加工中消除。

圖2 鍛件成形過程材料流動速度和分布情況Fig.2 Flow velocity distribution of forging process

圖3 鍛件成形后鍛件內(nèi)部溫度分布情況Fig.3 Temperature distribution of forgings after forming

圖4展示了鍛件成形后的流線分布情況，大頭端是材料流動失穩(wěn)的危險區(qū)域，通過流線分布圖可知在該區(qū)域材料在成形后期可能會形成拉應(yīng)力，導致形成各向異性的組織，影響鍛件的成形質(zhì)量。因此，該危險區(qū)域在成形過程中應(yīng)該重點關(guān)注，通過調(diào)整宏觀工藝參數(shù)如變形溫度、變形速度，操作過程的精確度等嚴格控制成形過程，避免缺陷產(chǎn)生。

為了更直觀地觀察鍛件內(nèi)部材料流動趨勢和體積分布情況，在鍛件內(nèi)部選取如圖5所示的12個點，進行點追蹤，分析坯料各區(qū)域材料成形后在鍛件內(nèi)部的體積分布。點P1、P2、P3、點P4、P12 變化不大，點P5、P6、P11、P8處金屬流動劇烈，同時可以看出越靠近坯料中心部位，金屬流動越激烈，變形量越大，材料在動態(tài)再結(jié)晶之前存在加工硬化現(xiàn)象，會增大成形所需的載荷，材料流變速率過大會提供足夠的動能進行動態(tài)再結(jié)晶，晶粒會迅速長大，而各變形區(qū)域的流動速率不一致，會導致組織不均勻。圖6是12個點成形過程中等效應(yīng)變的變化曲線，隨著變形的進行，應(yīng)變值均增大，也就是后期成形載荷越大。圖7展示了12個點成形過程中的主應(yīng)力變化區(qū)域，P6、P8、P9三個點在成形過程中主應(yīng)力出現(xiàn)了正值，也就是說其所在區(qū)域受力為拉應(yīng)力，容易導致變形區(qū)域出現(xiàn)組織各向異性。另外，通過主應(yīng)力變化情況可以看出各區(qū)域在變形過程中穩(wěn)定性較差，因此，需要嚴格控制成形過程，避免組織缺陷的產(chǎn)生。

圖4 鍛件成形過程材料流線分布情況Fig.4 Flown line distribution of forging

圖5 不同變形區(qū)域金屬流動點追蹤分析Fig.5 Metal flowing of various deforming region by point track

3 TC17合金某盤軸鍛件生產(chǎn)試造

圖6 不同變形區(qū)域等效應(yīng)變分布Fig.6 Equivalent effective strain in various deforming region

圖7 不同變形區(qū)域等效應(yīng)變分布Fig.7 Max principal stress in various deforming region

按照前期設(shè)計的圖紙及優(yōu)化工藝，始鍛溫度為（Tβ+40℃），終鍛溫度大于830℃，模具預(yù)熱溫度350℃，轉(zhuǎn)移時間小于40s，鍛件表面噴涂防護潤滑劑，變形量大于20%，錘擊頻率禁止過快。成形過程嚴格控制進行試造得到如圖8所示的鍛件實物圖。鍛件小頭端存在未填充滿現(xiàn)象，但是由于小頭端設(shè)計過程中考慮到填充問題，設(shè)計了足夠的工藝余量，對鍛件的性能和組織無影響。經(jīng)過固溶和時效熱處理后，對鍛件進行解剖開展理化檢測，理化試樣均取自于零件本體區(qū)域，力學性能檢測如表1所示，各項性能指標均符合標準要求，且各項指標富余量較大。鍛件組織決定性能，為此按照圖9所示的高倍取樣位置示意圖取了5組試樣進行高倍檢測，檢測結(jié)果如圖10所示。

圖8 鍛件高倍取樣位置示意圖Fig.8 Diagram of micro-structure sample

高倍組織均為β區(qū)鍛造和熱處理后形成的網(wǎng)籃組織，原始β晶界都不同程度破碎，不存在粗大、連續(xù)晶界α相。從高倍組織可以看出4#試樣高倍組織晶界破碎程度較其他區(qū)域不充分，結(jié)合塑性流動理論和有限元分析可知，4#試樣所在區(qū)域等效應(yīng)變?yōu)?.21，變形程度最??； 與此同時該區(qū)域鍛件壁厚較小與模具接觸面積較大，溫度變化較大，不利于該區(qū)域發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，

表1 鍛件力學性能檢測數(shù)據(jù)

圖9 鍛件高倍取樣位置示意圖Fig.9 Diagram of micro-structure sample

圖10 高倍組織Fig.10 Microstructures

4 結(jié)束語

研究通過理論分析與有限元分析方法計對TC17合金盤軸類鍛件的普通β鍛工藝進行了優(yōu)化設(shè)計，獲得合理的工藝參數(shù)用于生產(chǎn)試造獲得組織性能良好的鍛件，實現(xiàn)了小設(shè)備干大活，普通模鍛生產(chǎn)高性能關(guān)鍵件，為后續(xù)類似產(chǎn)品的研發(fā)提供了有力技術(shù)支撐。

[1] 師昌緒，顏鳴皋.中國航空材料手冊.第4卷.北京：中國標準出版社，2002, 1(2)： 179. 充分破碎原始晶界。理化結(jié)果與有限元預(yù)測趨勢一致，因此通過CAE進行工藝優(yōu)化設(shè)計具有可靠性，對實際生產(chǎn)具有指導意義。