大中央件盤(pán)件成形

占立水,葉俊青,夏春林,李艷英

(貴州安大航空鍛造有限責(zé)任公司， 貴州 安順　561005)

大中央件是球柔性槳轂的核心部件，除了要承受主槳葉和液壓阻尼器傳遞力和力矩外，還需要為主槳彈性軸承和液壓阻尼器提供安裝接口，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜[1]。 我國(guó)某機(jī)槳轂中央件采用高強(qiáng)、高韌、低密度近β型鈦合金制造[2-9]。

由于研制的大中央件TB6鈦合金原始鑄錠中存在大量的粗大不均勻組織，在后續(xù)改鍛過(guò)程中往往得不到有效改善。棒材低倍組織檢測(cè)易呈現(xiàn)出晶粒粗大且不均勻，高倍組織存在大塊或條狀α相等缺陷。如果沒(méi)有合理的改鍛工藝，這些組織缺陷將遺留到鍛件中，而且熱處理無(wú)法消除，給飛行安全帶來(lái)隱患，因此摸索出合適的熱加工工藝參數(shù)至關(guān)重要。

1　試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

1.1　試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為T(mén)B6棒材，其化學(xué)成分如表1所示。鑄錠經(jīng)開(kāi)坯、鍛造和熱處理，得到的顯微組織為時(shí)效β基體+球狀、條狀初生α組織，如圖1所示。

1.2　試驗(yàn)方法

表1　TB6鈦合金化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

2　試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1　超塑性變形試驗(yàn)

2.1.1細(xì)化晶粒

因原材料為鑄錠，故對(duì)其進(jìn)行改鍛，以便獲取細(xì)晶組織。通過(guò)1 150 ℃、920 ℃ 2火開(kāi)坯破碎鑄錠粗晶，再通過(guò)“低高低”改鍛工藝細(xì)化晶粒，核心內(nèi)容是通過(guò)控制加熱溫度控制α相含量及形態(tài)，以得到均勻化細(xì)晶?！暗透叩汀备腻懼械摹案摺笔侵冈谙嘧凕c(diǎn)以上溫度進(jìn)行改鍛。坯料的前2火兩相區(qū)改鍛，可起到均勻組織、破碎晶界的作用，但兩相區(qū)變形無(wú)法實(shí)現(xiàn)坯料的再結(jié)晶，其主要作用是使開(kāi)坯后的組織均勻，但不能達(dá)到細(xì)化效果。為提供材料再結(jié)晶動(dòng)力，坯料在改鍛后水冷，從而增加坯料內(nèi)應(yīng)力，為相變點(diǎn)以上改鍛實(shí)現(xiàn)再結(jié)晶提供能量。

變形程度的大小影響儲(chǔ)存能的大小，當(dāng)變形程度不大時(shí)，將得到粗大的晶粒[10]。當(dāng)變形程度大于30%時(shí)，鈦合金組織開(kāi)始明顯細(xì)化，在α+β兩相區(qū)變形，使針狀、片狀組織轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙罱M織，總的變形程度不低于60%。因此在制定工藝時(shí)，將每道次的變形程度控制在30%～40%，坯料改鍛細(xì)化晶粒后的顯微組織如圖1所示。

2.1.2拉伸試驗(yàn)

以0.5 mm/s的恒定速度(應(yīng)變速率1×10-2s-1)，對(duì)晶粒細(xì)化了的TB6合金試樣(總長(zhǎng)度75 mm，有效長(zhǎng)度為50 mm的拉伸測(cè)試棒)進(jìn)行高溫拉伸實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果見(jiàn)圖2。在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，該合金呈現(xiàn)出良好的塑性。隨著溫度的升高，延伸率不斷增大，在750 ℃附近達(dá)到最大值， 繼續(xù)升高溫度，延伸率不斷下降。

2.1.3應(yīng)變速率與流動(dòng)應(yīng)力的關(guān)系

在750 ℃加熱溫度下，試樣以1×100s-1、1×10-1s-1、1×10-2s-1、1×10-3s-1四種應(yīng)變速率進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)，實(shí)測(cè)得到了一組流動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(如圖3所示)。

由圖3可以看出，在同一變形溫度下，流動(dòng)應(yīng)力隨應(yīng)變速率的增大而增大，表明TB6合金是正應(yīng)變速率敏感材料。應(yīng)變速率的增加意味著位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度的加快，必然需要更大的切應(yīng)力。另外，應(yīng)變速率增加，無(wú)足夠的時(shí)間發(fā)展軟化過(guò)程，這也促使流動(dòng)應(yīng)力提高。當(dāng)應(yīng)變速率為1×100s-1時(shí)，最大流動(dòng)應(yīng)力值可達(dá)224 MPa,，而當(dāng)應(yīng)變速率減小至1×10-3s-1時(shí)，最大流動(dòng)應(yīng)力僅為59 MPa，相差接近4倍。這主要原因是在壓縮過(guò)程中，位錯(cuò)的增殖隨應(yīng)變速率的增大而迅速增加，從而使流動(dòng)應(yīng)力顯著增加[11]。從圖3可知，TB6合金鍛件成形理想的變形速率區(qū)間應(yīng)小于1×10-3s-1，理想變形速度V=鍛件長(zhǎng)度×理想變形速率，中央件坯料高度方向大致為437 mm，因此理想變形速度小于0.437 mm/s，結(jié)合我廠液壓機(jī)參數(shù)以及生產(chǎn)情況，TB6中央件超塑性成形變形速度平均控制在(0.1～0.437)mm/s。

3　工藝試驗(yàn)研究

利用TB6鈦合金在超塑性狀態(tài)下金屬流變應(yīng)力降低，使鍛造壓力大大降低，從而降低加工設(shè)備噸位，實(shí)現(xiàn)大中央件成形的目標(biāo)。鍛造溫度和應(yīng)變速率均對(duì)金屬流動(dòng)應(yīng)力影響較大，結(jié)合上述試驗(yàn)結(jié)果和我廠生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，坯料和模具需噴涂專用潤(rùn)滑劑，并將加熱溫度設(shè)定為754 ℃，鍛件實(shí)物粗加工如圖4所示。鍛件熱處理制度(730～750 ℃)±10 ℃×2 h，WC+ (510 ℃～540 ℃)±5 ℃×8 h，AC。

3.1　理化測(cè)試

3.1.1常規(guī)力學(xué)性能

鍛件力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2所示。

表2　常規(guī)力學(xué)性能

3.1.2高、低倍檢測(cè)

鍛件的低倍組織照片如圖5，高倍組織照片如圖6。從低倍組織照片看，鍛件無(wú)粗大晶粒和嚴(yán)重的亮條亮點(diǎn)、縮孔、氣孔、分層、偏析、裂紋、金屬或非金屬夾雜及其他冶金缺陷，不存在明顯的穿流和嚴(yán)重渦流，流線方向沿外形分布。

從高倍組織照片來(lái)看，無(wú)β斑，不存在連續(xù)、平直的晶界α相網(wǎng)絡(luò)及粗大的連續(xù)的晶界α相組織。坯料由于經(jīng)過(guò)大變形，變形速度慢，再結(jié)晶比較充分，鍛件各部位組織均勻，獲得了細(xì)小等軸組織，初生α含量20%左右，維持了鍛件較好的綜合力學(xué)性能。

3.1.3探傷

探傷設(shè)備MarsterScan 700,靈敏度Φ0.8FBH，未見(jiàn)明細(xì)的單顯，雜波水平Φ1.2-19 dB～Φ1.2-25 dB(標(biāo)準(zhǔn)要求雜波水平低于Φ1.2-9 dB)。

4　結(jié)論

1) TB6合金超塑性變形溫度為750 ℃左右，而且應(yīng)變速率對(duì)該合金流動(dòng)應(yīng)力非常敏感，應(yīng)變速率越大，流動(dòng)應(yīng)力越大，因此要實(shí)現(xiàn)對(duì)晶粒細(xì)化的坯料超塑性成形，應(yīng)選擇較低的應(yīng)變速率及合適的溫度。

2) 某機(jī)大中央件超塑性模鍛成形工藝采用相變點(diǎn)以下30 ℃，應(yīng)變速率選用低于1×10-3s-1，可將晶粒細(xì)化的坯料成形出外觀品質(zhì)較好、綜合力學(xué)性能優(yōu)良、組織均勻細(xì)小的合格鍛件。

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