模锻铝合金叶片表面粗晶数值模拟及分析

2015-06-22李治华汪大成周浩浩沈阳黎明航空发动机集团有限责任公司

锻造与冲压 2015年23期

文／李治华，汪大成，周浩浩·沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司

模锻铝合金叶片表面粗晶数值模拟及分析

文／李治华，汪大成，周浩浩·沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司

李治华，硕士，高级工程师，主要从事叶片锻造数值模拟方面的工作。曾获航空科学技术三等奖1项，授权发明专利5项，发表论文10余篇。

针对2A70（LD7）模锻铝合金可调叶片出现的表面粗晶现象，本文利用Deform-3D软件对现行的锻造成形工艺进行数值模拟，观察锻件的各变形区以及各个场量的变化关系。根据变形量和速度场的变化，分析了叶片成形过程的变形量和变形速度对叶片表面粗晶的影响。结果表明：铝合金变形时落入临界变形范围的小变形是形成粗晶的根本原因，其次锻造火次的增加也会导致叶片粗晶的产生。

2A70合金属于Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐热锻铝，具有良好的热塑性和冷热加工性能，广泛应用于航空航天领域及其他较高温度下工作的零部件。粗晶是铝合金模锻件常见缺陷之一，在锻件中的粗晶组织以及由粗晶组织向细晶组织急剧变化的过渡区，锻件的疲劳强度降低。大量学者进行了粗晶形成机理的研究，但目前还未见模锻叶片表面粗晶现象产生原因的分析报道文献。

本文以2A70铝合金可调叶片为研究对象，针对锻造叶片表面产生的粗晶现象（图1）利用有限元数值模拟技术对叶片主要成形工序进行模拟计算，分析变形过程的应力、应变和金属流动规律与叶片粗晶的关系，从而探究叶片成形过程产生粗晶的原因。

模拟工艺

图1 可调叶片表面粗晶形貌

选用Deform-3D模拟软件进行模拟计算，该软件在一个集成环境内综合成形、热传导和成形设备特性进行模拟仿真分析，适用于热锻、冷锻和温锻成形，能够提供极有价值的工艺分析数据。可调叶片锻件总长为370mm，主要成形工序为顶锻→弯曲→预锻→终锻，工序简图和变形量见表1。

对可调叶片锻造成形过程的主要工序进行模拟计算，工艺参数设定包括模具预热温度、锻造温度、锻造速度和摩擦系数等。其中模拟材料为美国的2618，锻造温度设定为450℃，模具预热温度设定为200℃，顶锻设备压下速度为210mm/s，预锻、终锻设备压下速度为200mm/s，摩擦系数设定为0.2。

表1 叶片锻造工序简图和变形量

模拟结果

顶锻、压弯模拟结果

顶锻模拟下料尺寸为φ35mm×410mm，顶锻模结构及顶锻成形后的锻件如图2所示。

图2 顶锻模及顶锻成形的锻件

顶锻件成形后的等效应变、等效应力和速度场的分布情况如图3所示。

图3 顶锻工序后等效应变、等效应力及速度场分布情况

压弯工序后等效应变、等效应力和速度场的分布情况如图4所示。

图4 压弯件等效应变、等效应力及速度场分布情况

从图3a和图4a可以看出，顶锻工序和压弯工序的变形量很小，这与实际工艺中顶锻转轴变形量15.8%、叶身变形量0，压弯件小轴变形量5.7%、大轴变形量17.1%和叶身变形量0的结果相吻合。

根据生产经验，锻铝和硬铝很容易产生粗晶，主要分布在锻件变形程度小而尺寸较厚的部位、变形程度大、变形激烈的区域以及飞边附近。产生大晶粒的原因除了由于变形程度过小（落入临界变形区）或变形程度过大和变形激烈不均匀所引起的之外，加热次数过多、加热温度过高及终锻温度太低也会产生大晶粒。同时铝叶片表面粗晶的产生也有可能是原材料带来的，但锻造成形模拟不考虑原材料的原因。由于在顶锻和压弯工序锻件整体变形量小，2A70合金的临界变形程度在15%～20%，而且是两火完成，所以增加了粗晶产生的可能性，因此，实际生产时建议尽可能减少叶片的成形火次。

由图4c可以看出，压弯件在进行到最终成形时，中部出现了金属回旋的现象。此时压弯件的两头已经和模具接触，但中间部位坯料并未与上模接触，因此在两端下压的过程中，中间部分的坯料处于自由状态，此处的金属有向上流动的可能性，有可能会出现上述提到的回旋现象。回旋处由于金属无约束，流动速度加快，导致变形激烈，这可能使最终成形的叶片锻件在纵向出现粗晶。

预锻、终锻模拟结果

按照工艺要求预锻件在终锻件尺寸的基础上欠压2.5～3.5mm，在模拟时取中间值欠压3mm，图5为预锻过程等效应变、最大主应力分布情况。

图5 预锻过程等效应变、最大主应力

由图5a预锻件的等效应变分布来看，叶身靠近排气边处的应变值相对叶身其他部位的要大一些，最大值在1.33左右，叶身纵向中间部位的应变值小于其两侧部位，其范围在0.885～1.09之间。图5b是预锻件的最大主应力分布，由图5可知整个叶片所承受的均为压应力，其值分布在-305～14.2MPa之间。

图6为预锻件成形速度分布，由图6可以看出：在成形初期坯料整个变形的速度很均匀，且速度很慢，但随着模具的不断下压坯料金属的流动速度逐渐增加，在靠近排气边的叶身处金属流动速度有了明显的变化，且变化梯度增大，导致变形的激烈程度不均匀，这也是产生粗晶的原因之一。

图6 预锻过程成形速度分布

在预锻件的基础上进行终锻模拟，图7为终锻件两个轴杆处的等效应变分布。

图7 轴杆部位等效应变分布

终锻过程中，成形后终锻件的应变分布可以划分为四个区域：轴杆、叶身纵向左区、叶身纵向右区和毛边处。由图7可知，两个轴杆除毛边外其余部位都属于小变形区，应变值在0.5以下，尤其是大轴位置基本无变形。若变形程度很小，再结晶晶核较少，孕育期又很长，锻件再次加热后将会形成粗大的晶粒。叶身纵向左区的应变值在1.2左右，叶身纵向右区应变值在1.7～2.06之间，说明叶身的变形不均匀。实际变形过程中小轴变形量为2.7%～17.9%，大轴变形量为1.7%～11.5%，叶身变形量为3.5%～23.6%。从变形量的角度分析，由于两个轴杆部位的变形量落入临界变形区，而且整个叶片成形是四火完成，必然会导致粗晶的产生。

图8为终锻件成形过程中金属的流动速度分布，从图8中可以看出叶身部位金属的流动速度相对毛边处的速度要小，而且分布不均匀。

图9为锻造生产的可调叶片实物。可以明显看出在叶片的纵向靠近小轴的部位出现了粗晶，这与模拟结果相符合。