TC4钛合金大型模锻件锻造工艺

文/徐东，苏春民，李兴品，李玉凤·贵州安大航空锻造有限责任公司郭欣达·中国人民解放军驻安顺地区军代室

TC4钛合金大型模锻件锻造工艺

文/徐东，苏春民，李兴品，李玉凤·贵州安大航空锻造有限责任公司郭欣达·中国人民解放军驻安顺地区军代室

发动机中的风扇叶轮属于发动机前段工作部分，服役温度不高，但需承受较大的离心力作用，因此力学性能要求较高。钛合金具有较高的比强度，密度相对较小，有利于提高发动机的推重比，符合发动机的选材要求。图1所示的锻件材料为TC4钛合金，从材料的变形抗力和外形分析，初步判断锻件成形抗力较大，不易成形；从材料流动角度分析，锻件小头肩部垂直方向较薄，温度下降较快，材料流动填充相对困难。因此，锻件需进行荒形制备，且荒形各部分材料应合理分配，以利于降低模压过程中的变形抗力和提高材料的填充性。

图1 锻件图

成形方案优化

变形抗力

锻造过程中变形抗力越小，材料流动性越好，锻件成形越容易，同时越有利于锻造设备的选取。为了得到较低的变形抗力，针对坯料的模压过程进行了数值模拟计算，以期设计出较为合理的坯料。模拟参数：变形温度为970℃；上模下压速度为2mm/s；模具预热温度为250℃；摩擦系数为0.7。图2为5种坯料方案及变形抗力的模拟结果。从图2中可以看出，方案1采用矩形环坯，该坯料生产工艺为简单变形；方案2采用矩形环坯，机加带锥度的内孔，该坯料内孔大小较符合锻件小头的大小；方案3采用内孔带锥度并具有锻件小头外形的复杂形状的坯料，制坯需采用胎模；方案4直接采用棒料机加一头的斜度即可，制坯工序简单；方案5利用冲头将内孔冲出，并留有很薄的内筋，利于降低后期模压时锻件小头薄壁部分的成形难度。变形抗力从小到大顺序排列为：方案3＜方案5＜方案4＜方案2＜方案1。

图2 5种坯料方案及变形抗力（吨位）

金属流线

模锻件流线要求较高，一般要求沿锻件轮廓分布。从流线分布（图3）来看，5种方案的锻件流线均能沿着锻件轮廓分布，方案1、2、3、5采用环坯成形，流线形状相近，而方案4采用中心不冲孔的坯料成形，变形较剧烈，流线分布不太均匀，产生涡流的可能性增加。总体来说5种方案流线均能符合锻件外形，但方案4的锻件流线欠佳。

方案的确定

图3 5种方案的锻件流线

从载荷大小的角度，方案1、2坯料对应最大的载荷，对设备力量要求太高，用现有设备成形风险较高。方案3坯料模压时载荷最小，但环坯的制备较为复杂，需要依靠胎模来制取环坯。方案4对应的荒形简单，制备容易，而且载荷相对较低，是一种较好的方案，但流线欠佳。方案5对应的环坯仅需靠冲头即可成形，不需胎模等工装，且载荷相对较低，也是一种较好的成形方案。分析选用方案5的坯料进行模压较为合适。图4为方案5模压结束时的应变分布，图中可以看出应变范围在0.041～2.7之间，截面上变形区域基本在0.11以上，低于0.11的变形区域仅存在于锻件底部一个小区域内，且该小变形区在后续机加过程中可以去除，因此方案5变形相对均匀，可以保证锻件组织均匀一致。

工艺试验

根据方案5的中间坯进行工艺试验，环坯经过机加后进行模压，锻件经两火模压成形，形状如图5所示。即采用方案5的坯料进行模压是可行的，锻件形状尺寸均达到图1的设计要求。

从锻件切取的低倍试样如图6所示，低倍未见缺陷（3～6级），符合技术条件要求，流线基本沿锻件外形分布。锻件切片的高倍试样情况如图7所示，从图7可以看出，锻件为双态组织，组织形貌符合技术要求中的3～5级，等轴初生α含量在30%～45%之间，符合技术条件要求。

结束语

采用数值模拟手段对坯料方案进行优化，并选取了合适的坯料进行工艺试验，结果表明：

图4 方案5模压结束时的应变分布

图5 采用方案5模压后的锻件形状

图6 锻件低倍试样

图7 锻件高倍照片

⑴采用不同的环坯生产所得到的变形抗力有所区别，总体规律是与最终锻件形状越接近的坯料，变形抗力越小。

⑵毛边的产生时机对锻件成形有一定的影响，毛边产生时机越晚越有利于成形。

⑶选取了变形抗力适中，制坯工序操作简单，流线较好的坯料进行工艺试验，锻件外形尺寸、组织性能完全满足技术要求。证明所选坯料方案合适。

徐东，工程师,主要从事高温合金、钛合金锻造及热处理，环形锻件及模锻件的成形及数值模拟等方面的工作。