鍛造最新前沿技術(shù)研究綜述(下)

文／王以華·上海交通大學(xué)

袁秦峰，梁必成·浙江申吉鈦業(yè)有限股份公司

《鍛造最新前沿技術(shù)研究綜述》(上)見《鍛造與沖壓》2021 年第1 期

近似超塑性技術(shù)

對(duì)具有微晶質(zhì)的材料組織超塑性的研究(晶粒的平均尺寸通常不超過10 ～20μm)，是在提高溫度和相對(duì)低的變形速度(通常在10-4～10-3s-1) 下進(jìn)行的。事實(shí)上已經(jīng)確定，任何多晶體材料，包括鋁基、鈦基、鎳基等工業(yè)合金都能轉(zhuǎn)變?yōu)槌苄越M織狀態(tài)。在許多場(chǎng)合，在金屬壓力加工時(shí)運(yùn)用超塑性可以保證降低變形力、減少工藝工步數(shù)量并提高半成品的力學(xué)性能和尺寸精度。在常規(guī)鍛造條件下，這些金屬材料的鍛造溫度范圍比較窄，尤其軋制薄板、高筋和薄壁零件時(shí)，坯料的熱量很快被工模具吸收，溫度迅速下降。不僅需要大幅度地提高設(shè)備的噸位，而且也容易造成工模具的開裂。尤其是鈦合金更為明顯，它對(duì)變形溫度非常敏感，當(dāng)變形溫度由920℃降到820℃時(shí)，變形抗力幾乎增加一倍。鈦合金超塑性的變形力大約只有普通軋制的1/30 ～1/10。

鈦合金廣泛用在許多工業(yè)領(lǐng)域，包括航空航天、汽車和生物醫(yī)學(xué)。大家知道，許多鈦合金工藝塑性低，供貨狀態(tài)下組織不均勻。因此，從這些材料中獲得價(jià)廉物美、高質(zhì)量、復(fù)雜零件具有迫切現(xiàn)實(shí)意義。解決該問題有效途徑之一是使用超塑性技術(shù)。遺憾的是生產(chǎn)各種合金超細(xì)晶粒是困難的，價(jià)格也是高昂的。

粗晶超塑性

O.I.Вylyа，Р.L.Вlekvell(Strаthсlyde,Glаsgow 英國(guó)斯特拉思·克萊德大學(xué))，Р.А.Васин(俄羅斯國(guó)立馬里大學(xué)機(jī)械學(xué)院)，M.K.Sаrаndzhi(印度技術(shù)教育和研究學(xué)院)合作研究了粗晶超塑性。

超塑性壓力加工成形主要優(yōu)點(diǎn)之一是材料能夠達(dá)到非常大的變形。但是，很多工藝過程不需要100% ～200%的變形量，一般金屬鍛比達(dá)到5，即變形達(dá)到75%即可。為了保證零件高的使用性能不總是要求最優(yōu)的。況且粗晶片狀顯微組織對(duì)抗疲勞裂紋擴(kuò)張具有更好的穩(wěn)定性。

為了獲得高質(zhì)量毛坯，首先使用粗晶材料毛坯，這樣的材料，它的顯微組織不能夠保證典型的超塑性晶界滑移變形機(jī)理。在該條件下，由于對(duì)變形速度敏感性低于材料超塑性條件，材料能夠變形軟化演示，而顯微組織能夠在變形過程中實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)變。實(shí)驗(yàn)研究指出，這個(gè)過程能夠稱為近似超塑性變形，有的部位晶粒被打碎，能夠達(dá)到100%～300%相對(duì)高的變形。在汽車輪轂熱模鍛中使用了粗晶鈦合金，具有片狀(魏氏組織)顯微組織的兩相(α+β)鈦合金具有初始的破碎晶粒β-相約250μkm，α-相薄片平均長(zhǎng)度約21μkm，厚度約2μkm。此例模擬了該過程并分析獲得結(jié)果，證明了近似超塑性技術(shù)的可行性。

粗晶超塑性模鍛鈦合金汽車輪轂成形工步模擬，如圖14 所示，為了簡(jiǎn)單，所有工序模擬采用等溫(T=900℃),接觸表面具有相同摩擦系數(shù)0.5，使用玻璃潤(rùn)滑劑的假設(shè)。

圖14 高檔汽車輪轂用粗晶超塑性成形工步

圖15 模擬第一工步——原始錠鐓粗

終鍛模擬結(jié)果，如圖15 所示。圖中在第一變形工序后明顯存在死區(qū)，如字母А 所示，鐓粗后晶粒變化不大。同時(shí)在毛坯中存在В 區(qū)，這部分材料在隨后變形中將形成輪緣，晶粒尺寸將由80μkm 變化到40 ～50μkm。此處塑性變形量在50%左右。

TC4 輪圈粗晶毛坯變形結(jié)果

從輪圈變形觀點(diǎn)看3 個(gè)工步模鍛還是可行的(圖16)。不難看出，這個(gè)部位在第三工步終了累計(jì)塑性變形300%～400%，有的地方超過450%，某些點(diǎn)甚至超過500%。盡管變形結(jié)果在第二工步終了顯微組織均勻變化到30 ～35μkm，在第三工步終鍛終了到20 ～25μkm，具有這樣顯微組織的試樣拉伸伸長(zhǎng)出人意料地達(dá)到δ=400%～500%。課題模擬能夠得出，在鍛件所有劇烈變形區(qū)域，鍛件平均應(yīng)力是負(fù)值(在靜液壓縮條件下)，也就是說，消除了產(chǎn)生裂紋源或氣孔，具有極高使用性能。

低溫超塑性

現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇和壓縮機(jī)葉片有部分使用碳纖維制造。由于在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和可靠性條件下減輕了重量，與鈦合金葉片比較有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。但碳纖維葉片最大弱點(diǎn)是沖擊韌性太低。在使用過程中，前緣受到砂石和飛鳥撞擊會(huì)造成機(jī)毀人亡的重大事故。為解決這一棘手問題，葉片的前緣借助固定零件或膠水施以高強(qiáng)度鈦合金保護(hù)套。但是鈦合金防護(hù)套的制造是非常復(fù)雜的課題，因?yàn)榉雷o(hù)套有不同截面，包括薄的壁和增強(qiáng)的厚重前緣橫截面。此外，護(hù)套有復(fù)雜的空間形狀，包括在水平面方向上有曲面形狀和直立平面彎曲。

圖16 預(yù)鍛和終鍛兩個(gè)工步模擬

美國(guó)有色燃?xì)馔钙焦?Chromаlloy Gаs Turbine Corporаtion USА)設(shè)計(jì)并使用鈦合金Ti-6Аl-4V 立體毛坯制造護(hù)套。毛坯銑削制出內(nèi)部V 形型腔。接著在模具中擠壓成形側(cè)壁，再進(jìn)行最后的機(jī)械加工。擠壓溫度850 ～900℃，沒有保護(hù)氣體導(dǎo)致表面氣體飽和。零件的壁厚只有0.2 ～0.5mm，制造它需要非常困難的機(jī)械加工。

本文的目的是設(shè)計(jì)有效的工藝過程，用金屬壓力加工的方法制造護(hù)套。使用復(fù)合擠壓工藝，將原始毛坯1 置于模具型腔中，模具型腔由兩半模2 和3 以及凸模4 組成。在第一階段進(jìn)行正擠壓成形，成形護(hù)套5 前段加強(qiáng)部分。在此情況下儲(chǔ)存材料以用于成形側(cè)壁，第二階段進(jìn)行反擠壓以成形護(hù)套側(cè)壁，如圖17所示。

復(fù)合擠壓之后應(yīng)該進(jìn)行彎曲(圖18)。

圖17 復(fù)合擠壓不同階段工步

為了驗(yàn)證所推薦復(fù)合擠壓工藝可行性采用數(shù)字模擬方法。使用軟件Deform 3D 建立模擬過程，采用基本假設(shè)建立了模型：

——原始毛坯被劃分為98000 有限元素；

——模具作為剛性體；

——凸模運(yùn)動(dòng)速度為0.5mm/min；

——毛坯與模具間摩擦設(shè)為庫(kù)倫摩擦，μ=0.2；

——在等溫條件下金屬流動(dòng)，毛坯溫度=650 ℃；

——在成形過程中沒有考慮毛坯的各向異性甚至再結(jié)晶。

圖18 彎曲工步略圖

毛坯的初始尺寸：5mm×10mm×270mm。確認(rèn)毛坯材料采用具有流變學(xué)特征從該數(shù)據(jù)庫(kù)中采集的鈦合金Ti-6Аl-4V。

毛坯在模具中變形時(shí)狀態(tài)以及對(duì)應(yīng)階段成形影像，如圖19 所示。

圖19 復(fù)合擠壓下毛坯成形

模擬結(jié)果證明所推薦工藝是可行的，壁的成形均勻，在壁部對(duì)數(shù)變形程度達(dá)到e ≈3。在溫度不超過700℃條件下，所推薦工藝過程是有效的，這就降低了制造模具零件的成本。

我們知道鈦合金包括TC4(Ti-6Аl-4V)在超細(xì)晶粒狀態(tài)影響低溫超塑性效果。毛坯超細(xì)晶粒組織的制備包括要用直徑φ70mm 棒料、變換軸向載荷、在逐步降低溫度條件下多次鐓粗，隨后在600℃軋制成厚5mm 帶材。對(duì)數(shù)變形程度e ≈3。變形結(jié)果平均晶粒度在0.5μm(圖20)。

圖20 毛坯顯微組織

擬定鈦合金溫度在650 ～950℃，壓力加工工藝過程采用如下材料標(biāo)號(hào)涂層：對(duì)原始毛坯1 涂上FR-6 玻璃潤(rùn)滑劑。這些涂層防止氧化和飽和氣體，甚至能夠獲得原擬定的在氬氣中加工的力學(xué)性能。因此，毛坯與模具接觸的擠壓過程推薦適用涂層作為潤(rùn)滑材料。

護(hù)套的形狀在水平面上有曲線和垂直平面上有彎曲，擠壓前需在相應(yīng)平面進(jìn)行矯直。在給定水平面條件下，將毛坯敷設(shè)在兩半模中擠壓。關(guān)閉半模使毛坯成形到所需形狀，使用U 形凸模進(jìn)行正反擠壓。然后，更換模具用V 形凸模實(shí)現(xiàn)彎曲工步。

所有成形工序在數(shù)控等溫鍛造液壓機(jī)上完成，其主要技術(shù)參數(shù)為：公稱力25MN，具有680kN 壓力，在650℃完成，變形速度為0.5mm/min。模具材料為工具鋼5Cr3W3MoVSi，模具如圖21 所示。

復(fù)合擠壓之后，鍛件符合圖紙要求。在外形上無(wú)折疊和夾層缺陷。在模擬時(shí)，沒有觀察到壁部扭曲。機(jī)械加工后的零件，如圖22 所示。

毛坯原始組織因劇烈變形(e ≈3)，使其具有超細(xì)晶粒組織而降低工藝過程溫度，從護(hù)套壁部和前部所剖出的試樣顯微組織如圖23 所示，借助于半透明電子顯微鏡確定鍛件平均晶粒尺寸為0.3 ～0.5μm。晶粒尺寸減小到0.3μm，在反擠壓條件下，壁部金屬產(chǎn)生了劇烈塑性變形。儲(chǔ)存了能量并減小了晶粒尺寸，使材料強(qiáng)度增加20%～30%，各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到實(shí)際要求。模擬和試驗(yàn)結(jié)果證明，可以實(shí)施護(hù)套零件試驗(yàn)批量生產(chǎn)。

圖21 復(fù)合擠壓和彎曲模具

圖22 護(hù)套側(cè)面和底面

圖23 護(hù)套試樣顯微組織

結(jié)束語(yǔ)

本文通過對(duì)板鍛技術(shù)、半等溫鍛技術(shù)和近似超塑性技術(shù)的簡(jiǎn)單介紹，和鍛壓行業(yè)的同仁一起分析，學(xué)習(xí)。新的技術(shù)和工藝是層出不窮的，作為有志鍛造的從業(yè)者，要?jiǎng)?chuàng)新不停步，開拓不畏險(xiǎn)。