等温锻造技术及应用

2013-08-08李增乐毛智勇陕西宏远航空锻造有限责任公司

锻造与冲压 2013年15期

关键词：模锻坯料等温

文/李增乐，毛智勇·陕西宏远航空锻造有限责任公司

汪波·空军驻430厂军事代表室

等温锻造技术及应用

文/李增乐，毛智勇·陕西宏远航空锻造有限责任公司

汪波·空军驻430厂军事代表室

等温模锻技术是在传统模锻工艺基础上发展起来的一项新工艺，与普通模锻技术不同，它是将模具和坯料均加热到锻造温度，并使坯料在变形过程中保持温度不变。该技术可以显著改善坯料的塑性和流动能力，主要应用于航天、航空工业中的钛合金、高温合金、铝合金和镁合金锻件，以及新材料难变形合金锻件的精密成形。

等温锻造的优点

等温锻造与常规锻造不同，它可以消除或大幅减少因毛坯与模具之间的温差造成的影响，使坯料在被加热到锻造温度的恒温模具中，以较低的应变速率成形。从而解决了在常规锻造时，由于变形金属表面激冷增加的流动阻力和变形抗力，以及金属变形不均匀而造成内部组织、性能的差异。等温锻造也是目前国际上实现近净成形技术的主要方法之一，一般可以分为以下3类：

⑴等温精密模锻。金属在等温条件下锻造得到小斜度或无斜度、小余量或无余量的锻件。这种方法可以生产一些形状复杂、尺寸精度要求一般、受力条件要求较高、外形接近零件形状的结构锻件。

⑵等温超塑性模锻。金属不但在等温条件下，而且在极低的变形速率（10-4/s）条件下也呈现高的塑性状态，从而使难变形金属获得所需冶金组织、形状和尺寸。

⑶粉末合金等温锻造。这类工艺方法是以粉末冶金预制坯为等温锻造原始坯料，在等温超塑性条件下，使坯料产生较大形变，压实坯料，从而得到满足工艺要求的锻件。

等温锻造具有以下优点：

⑴极大地降低金属的流变抗力，其总压力相当于普通模锻的10%～20%。因此，可以节省设备投资和动力消耗。

⑵显著地提高金属材料的塑性，坯料流动性好，易充填模具型腔；模具的弹性变形小，变形温度波动小，从而使锻件的几何尺寸稳定，残余应力小，在冷却和热处理过程中变形减小，质量改善，所以等温模锻后尺寸精度高，机械加工余量小，甚至不用机加工。

⑶等温模锻技术能使形状复杂、薄壁高筋的锻件一火成形；而普通模锻技术针对特种难变形合金则需要多火次成形。同时，等温模锻和普通模锻相比不存在多火次加热后锻件表面形成缺陷的问题。

⑷在等温模锻过程中，由于变形温度较均匀，金属能保持较均匀、细小的等轴晶粒组织，因此产品整体上有较均匀的机械性能，并且产品的屈服强度、低频疲劳及抗应力腐蚀性能有所提高。

⑸材料利用率高，等温模锻与普通模锻相比，金属消耗降低50%以上。

等温锻造的发展

钛合金、高温合金等难变形材料复杂锻件的等温锻造在国外已经得到广泛生产实践验证。前苏联在20世纪80年代就已经拥有250t、630t、1600t、4000t等系列等温锻造专用液压机。相关资料显示，伊尔76大型运输机上有两百多个钛合金等温锻件。俄罗斯在前苏联的基础上研制出可在1150℃下工作的特种高温合金模具材料，用于高温合金压气机盘、涡轮盘等温锻件的生产。美国的等温锻造技术一直处于世界前沿，在钛合金大型等温锻件方面具有大量应用成果，Ti-6Al-6V-2Sn钛合金飞机大梁、起落架前轮、Ti-6Al-4V钛合金框架加强板等是其具有代表性的产品。美国在粉末高温合金、TiAl基金属间化合物、双性能盘等方面已开展真空等温锻造工艺研究。

我国从20世纪70年代末开始等温锻造的研究。北京航空材料研究院、西北工业大学、北京钢铁研究总院在等温锻造方面具有较强的科研实力。我公司目前建有31.5MN和100MN等温锻造专用压力机。图1所示的100MN油压机目前是国内最大、最先进的等温锻造专用液压机，锻造工艺参数通过计算机系统精确控制，活动横梁速度范围在0.002～0.5mm/s之间，应变速率在5.0×10-5～1.0×10-1s-1之间，可以实现以恒应变速率变形，能很好满足钛合金、高温合金等难变形材料等温锻造和超塑性锻造的需求。我公司主要生产航空用钛合金、高温合金、铝合金、高强度结构钢、不锈钢，以及新型功能材料、金属基复合材料等模锻件、等温锻件、自由锻件。

图1 100MN等温锻压力机

等温锻造的应用

钛合金的等温锻造

钛合金飞机结构件往往为高筋薄腹板，如果采用普通锻造工艺，材料利用率一般低于10%，大量昂贵金属被浪费，我公司与西北工业大学联合采用等温精锻技术成功研制出某飞机框锻件：最小腹板厚度为2.5mm，最小筋宽为2.5mm，最小圆角半径为1.5mm，出模斜度为0°，尺寸公差达到±0.3mm；锻件非加工面达到70%以上，表面粗糙度在0.4～3.2μm之间，少量配合面留有1mm的加工余量；精锻件重量由普通模锻件的15.5kg下降到1.9kg，材料利用率由9.1%提高到74.2%。该锻件如图2所示，该项成果填补了国内复杂飞机结构锻件少无余量精密锻造技术的空白，研究成果整体达到国际先进水平。

图2 近净成形等温锻件

锻件大型化、整体化是航空锻件发展的重要方向。钛合金大型整体飞机隔框锻件可以大大减轻飞机结构重量、提高飞机性能。我公司应用等温超塑性精密成形技术，在国内率先成功研制出TA15钛合金大型整体飞机隔框模锻件。该飞机隔框等温锻件，材料为TA15；该锻件包容面积为1.25m2，最大外廓为1300mm，腹板最薄处为10mm，局部筋高为175mm，沿周向体积分布很不均匀，制坯和模锻难度大，而且高筋薄腹板锻件在出模和热处理时极易产生翘曲变形。

钛合金也是发动机压气机盘和涡轮盘锻件的重要材料，钛合金盘件由于工作时受力情况不同往往要求具有双组织、双性能。我公司于2009年成功研制出TC17合金双性能整体叶盘，其直径为1000mm，解剖检验结果均达到双组织、双性能的设计要求，盘体部位为网篮组织，叶片部位为等轴组织，各项力学性能均满足标准要求。

Ti60合金是600℃使用的高温钛合金，具有热强性和低塑性，可锻性差，采用普通模锻方法无法满足其成形要求，我公司采用近等温成形技术成功研制出某型发动机用整体叶盘，各项性能指标均能满足设计要求。

TiAl系金属间化合物比传统钛合金的质量更轻、使用温度更高，但塑性更差，国外目前已经掌握了TiAl系金属间化合物的应用技术，国内还处于工程化研究阶段。我公司与西工大、北钢院等联合攻关，目前也已完成TiAl系金属间化合物等温锻造工艺的研究。

图3 等温锻铝轮毂

图4 铝合金等温锻件

图5 镁合金等温锻件

高温合金、粉末高温合金的等温锻造

变形高温合金是发动机中的关键高温材料，先进发动机中的涡轮盘锻件、机匣锻件、叶片锻件等多为高温合金。高温合金由于合金化水平极高，塑性往往很差，而且由于高温合金设计时要求具有热强性，其变形抗力很高。而且随着发动机推重比的提高，粉末高温合金材料也得到越来越广泛的研究并逐步得到应用。国外粉末高温合金最后成形普遍采用等温锻造工艺。

GH4169合金是目前发动机中用量最大、最广泛的高温合金，通过提高P、B含量得到的GH4169G合金具有更为优异的使用性能，但由于这些微量元素含量的提高，合金塑性会变差。我公司采用等温锻造工艺生产的GH4169G合金锻件，各项性能均达到设计要求，得到用户的一致好评，并成功应用于某型发动机。

铝合金的等温锻造

等温锻造充分利用金属在特定条件下呈现出异常高的塑性，可比一般塑性成形提高1～2个数量级；变形抗力很小，不存在或有很少的应变硬化，变形抗力只有常规塑性成形的1/5左右；尺寸稳定，可以一次成形复杂形状的零件，表面光洁度及尺寸精度高，我公司生产的某型号飞机用刹车铝轮毂如图3所示。该锻件坯料的材料为2A14，锻件全加工，设计的单边加工余量为2mm。

同时随着新型号飞机、发动机的发展，对锻件提出高疲劳、长寿命等技术要求，好多产品由原来的两段、三段、甚至六段、七段合并为整体锻件。我公司以前生产某飞机框、梁锻件分段模锻，然后加工组合成一体的生产模式已经不能满足用户对新型号构件组织、性能的要求。为此，我公司通过技术攻关，生产了国内最大的铝合金等温模锻件，该锻件如图4所示，材料为2A14，锻件投影面积为1.55m2。

镁合金的等温锻造

图5所示的直升机机匣属于关键模锻件，材料为MB15，形状、结构复杂，有4个非均匀凸耳和6个高筋，高筋的高厚比达到9。该锻件为我公司生产的目前国内最大的镁合金模锻件，该锻件在100MN压力机上采用等温锻造成形。