TC4 厚壁盘类异形环锻件的工艺研究

2024-04-20胡宝牟旭祥杨家典罗鸿飞郑腾腾常开富贵州航宇科技发展股份有限公司

锻造与冲压 2024年7期

文／胡宝，牟旭祥，杨家典，罗鸿飞，郑腾腾，常开富·贵州航宇科技发展股份有限公司

TC4 钛合金(名义成分Ti-6Al-4V)属于α+β型的两相钛合金，含有6%α 稳定元素Al 和4%β 稳定元素V。该合金具有优异的综合性能。在航空航天、船舶、汽车、石油化工等领域，该材料是应用最为广泛的材料之一，占工业用钛的60%。

火箭发动机固定壳体，其所选材料一般为超高强度钢，该类材料主要有强度高，价格低等优点，但由于其密度较大，使得发动机整体重量较大。近年来，随着飞行器对高性能、高可靠以及轻量化的不懈追求，越来越多的钛合金应用于机体和发动机上，钛合金的应用水平在一定程度上代表了航空器的先进性。TC4合金，作为钛合金中应用最广泛的材料之一，正成为固定壳体的首选材料。固定壳体结构主要为盘类异形环锻件，传统生产方法为矩形环坯＋掰斜＋胎模成形，生产出的锻件局部位置带有折叠、尺寸超差等缺陷，还破坏了锻件流线完整性，阻碍了火箭发动机的整体发展。为摆脱上述不利情况，此次生产的固定壳体锻件采用矩形环轧＋胎模聚料＋胎模成形，不仅节约大量原材料，降低加工工时，还提高了锻件的均匀性及整体性能水平，为火箭发动机提供更优的锻件坯料。

锻件情况

固定壳体锻件材料为TC4 合金，该合金锻造变形速率控制不当容易造成组织过烧。变形速度过快易造成组织、性能不合格，变形速度过低，变形抗力较大，容易出现无法锻透的情况。

粗加工锻件外形尺寸见图1，如按矩形件投产，锻件重量为355kg。如按异形件投产，锻件重143 kg，锻件减重率达60%，大大节约了原材料投料重量，同时节约机加工时。

图1 粗加工尺寸

成形工艺分析

技术难点

⑴矩形坯制坯：锻件异形程度较高，对矩形坯料的要求也相对较高，由于原材料用料较少，冲孔时采用冲小孔，通过胀孔、马架、环轧制成筒形坯料。

⑵锻件外形为盘类异形环件，存在不同直径的大小头情况，斜段斜度较大，大头与竖直方向夹角为90°，成形时需将锻件由竖直方向掰形至水平方向，难度极大。

⑶锻件大头下端面存在凸台，此处堆料较多，如采用单纯掰斜+胎模成形将会存在大头尺寸超差的风险，如以大头尺寸设计坯料，则会产生小头严重多肉，无法达到精化减料的目的。

⑷高筒件坯料提前进行聚料制坯，但在聚料过程中，由于镦粗高度与锻件厚度比值高达3.5，导致聚料后内径产生折叠或内径处发生弯曲现象，后续工序掰斜后折叠继续产生或加深，最终导致锻件报废。

成形方法分析

该锻件为盘类异形环件，大头端面与竖直方向夹角90°，同时，大头下端存在凸台，为保证锻件尺寸合格，性能满足要求，选择采用矩形环坯+胎模聚料+胎模成形。采用异形毛坯生产锻件，不仅降低锻件投料重量，减少热处理厚度，降低锻件各部位之间性能差异，同时还能有效降低锻件机加工时间，节约机加工成本。为了更准确的把握锻件在成形过程中温度、应力、应变及成形吨位情况，采用计算机数值模拟软件DEFORM 对锻件成形过程进行数值模拟，降低实际试错成本。

TC4 合金锻件加热温度较低，盘类件生产过程中，由于模具接触面积较大，温度降低迅速，低温状态下材料变形抗力较大，对成形设备吨位要求较大，通过DEFORM 仿真模拟软件模拟得出制坯聚料所需最大变形抗力约2000t，锻件成形所需最大变形抗力约为4980t。根据模拟结果并结合实际生产情况，选择使用2500t 液压机进行制坯，使用6300t 液压机进行胎模成形。

根据锻件成形尺寸、异形程度，并结合生产经验，锻件成形需采用矩形制坯、异形制坯、胎模成形。为保证锻件最终尺寸、表面状态满足要求，较为关键的工序是异形制坯，即胎模聚料形状尺寸设计是否合理。先根据材料锻造特性结合锻件尺寸计算出胎模制坯尺寸和形状，再使用DEFORM 软件验证设计的胎模制坯尺寸是否满足成形需求，并根据模拟结果及成形难易程度对坯料尺寸进行优化。

在制备胎模聚料毛坯时，坯料制成圆筒形矩形坯料，再使用冲头掰出一定斜度，最后使用压环聚料，生产出大头带法兰的毛坯，由于矩形坯料为高筒件，轧制时易产生椭圆、喇叭口、壁厚差等缺陷，生产操作过程中需要加强过程控制。

锻件仿真模拟

采用了DEFORM 软件对锻件胎模聚料、胎模成形工序进行仿真模拟，通过仿真模拟可以看出锻件成形最大吨位、填充效果、锻件温度场、应力场、应变场等变化。

胎模聚料锻件的数值模拟

对胎模聚料工序进行数值模拟，模具装配情况见图2，聚料外形尺寸见图3，应力场分布见图4，应变场分布见图5，温度场分布见图6，网格畸变结果见图7。

图2 胎模聚料模具装配情况

图3 锻件胎模聚料外形尺寸

图4 胎模聚料应力场分布情况

图5 胎模聚料应变场分布情况

图6 胎模聚料温度场分布情况

图7 胎模聚料网格畸变结果

⑴从胎模聚料仿真外形尺寸可以看出，锻件大头位置填充模具良好，尺寸满足设计要求，说明胎模模具设计及坯料尺寸设计合理；

(2)从锻件网格畸变结果可以看出，锻件截面网格与锻件截面轮廓一致，不存在严重畸变区域，变形均匀。

(3)胎模聚料应力场、应变场及温度场分布均匀，能够获得组织、性能均匀的锻件，说明工艺设计合理。

胎模成形锻件的数值模拟

对胎模成形工序进行数值模拟，模具装配情况见图8，胎模成形外形尺寸见图9，应力场分布见图10，应变场分布见图11，温度场分布见图12，网格畸变结果见图13。

图8 胎模成形模具装配情况

图9 锻件胎模成形外形尺寸

图10 胎模成形应力场分布情况

图11 胎模成形应变场分布情况

图12 胎模成形温度场分布情况

图13 胎模成形网格畸变结果

⑴从胎模成形仿真外形尺寸可以看出，锻件大头位置填充模具良好，尺寸满足锻件图要求，仅在大头外径处存在少量毛边，说明胎模模具设计及工艺设计合理。

⑵从锻件网格畸变结果可以看出，锻件截面网格与锻件截面轮廓一致，不存在严重畸变区域，变形均匀。

⑶胎模成形应力场、应变场及温度场分布均匀，能够获得组织、性能均匀的锻件，说明工艺设计合理。

锻件工艺方案设计

根据锻件数值模拟过程，对锻件成形工艺路线进行设计，锻造过程工艺路线为：镦粗、冲孔＋矩形制坯＋胎模聚料制坯＋胎模成形。

第一步：镦粗、冲孔。锻件镦粗时，需控制镦粗的变形速度，避免变形过快造成过热或过烧。锻件冲孔时，需注意对中，冲孔后需进行滚圆，防止上下端面料不均造成矩形制坯时出现大小头现象。

第二步：轧制。轧制时，要注意控制轧制速度，轴向轧制量，避免出现轧制速度不当带来椭圆、喇叭口等问题，轴向轧制量过大会导致端面发白，最终组织不合格，轧制量过小会导致端面圆角填充不满，造成锻件尺寸超差。

第三步：胎模聚料。轧制后的坯料为高筒薄壁环件，取料机夹取时，要防止夹椭、夹伤，坯料放入胎模后，迅速在坯料端面覆盖一层保温石棉，再放入压环进行聚料，避免温度过低带来局部变形死区，最终产生折叠，同时温度降低还会增加材料变形抗力，最终导致锻件填充不满。

第四步：胎模成形。胎模成形时，需要在坯料端面覆盖一层保温石棉，再放入压环下压，同时需控制单火次高度方向变形量以及变形速度，避免因温度降低带来局部变形死区，最终产生折叠。

锻件试制

试制主要设备

根据数值模拟计算结果，选择2500t 液压机进行制坯，选择φ1600mm 环轧机进行轧制，选择6300t液压机进行成形。

试制工艺参数

锻造加热参数见表1，锻件热处理参数见表2。试制锻件照片分别见图14、图15。

表1 锻造加热参数

表2 锻件热处理参数

图14 胎模聚料实物

图15 胎模成形实物

试制结果分析

按上述工艺方案试制出的锻件，其外形良好，成形尺寸、实际成形吨位及表面温度情况与模拟结果基本一致。为检查锻件的均匀性，按图16 所示位置进行显微组织和力学性能检查，力学性能检查结果见表3，显微组织检查结果分别见图17 ～图20。检查结果显示，锻件室温抗拉强度在940 ～980 MPa 之间，冲击在38 ～45J 之间，显微组织初生α 相含量在35%～50%之间。