航空發(fā)動(dòng)機(jī)用TC4鈦合金盤(pán)軸鍛件的成形工藝研究

發(fā)布時(shí)間：2024-10-12 10:25:00 瀏覽次數(shù) ：

鈦合金由于密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕，已被廣泛應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域。TC4鈦合金屬于Ti-Al系雙相高強(qiáng)鈦合金，具有良好的熱變形工藝性及優(yōu)良的力學(xué)性能，最高工作溫度可至500℃,已被大量應(yīng)用于航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)等重要部件[1]。伴隨著新型發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)推重比要求的提高，壓氣機(jī)等葉盤(pán)鍛件使用盤(pán)軸類整體鍛件已成為一項(xiàng)重要舉措。本文針對(duì)某TC4合金盤(pán)軸一體鍛件提出一種多火次正擠壓工藝。

1、鍛件工藝性分析

TC4鈦合金鍛件如圖1所示。鍛件結(jié)構(gòu)為上盤(pán)下軸，盤(pán)部直徑與桿部直徑比例達(dá)到3,而桿部的長(zhǎng)度與盤(pán)部的厚度比例約為6.75,為典型的盤(pán)軸類鍛件。采用φ300mmx250mm還料擠壓成形，工藝難點(diǎn)為盤(pán)、桿橫截面變化大，成形過(guò)程中金屬流動(dòng)劇烈，充型困難。如若采用分步成形，先拔桿部，后鐓粗頭部，必然增多火次、引起盤(pán)桿部組織性能差異大等問(wèn)題。本文提出一種多火次正擠壓成形工藝，坯料在模具作用下整體變形，而富余的金屬可作為桿部下端工藝余料或儲(chǔ)存在盤(pán)部，保證鍛件成形的可靠性。

鈦合金由于熱導(dǎo)率低，變形過(guò)程中在較大的應(yīng)變部位易產(chǎn)生局部溫升，對(duì)組織均勻性以及晶粒的發(fā)展變化產(chǎn)生不良影響。特別是鍛件成形后期，受熱交換、熱輻射等因素綜合影響,鍛件表層與心部形成較大梯度的溫度場(chǎng)，心部溫升的效果強(qiáng)烈，由此帶來(lái)的局部金屬流動(dòng)軟化，易引起低倍組織不均勻，高倍組織及性能不合格等問(wèn)題。本文利用有限元模擬軟件模擬成形過(guò)程，合理設(shè)置變形過(guò)程的每火次變形量。

1.1 鍛件火次控制與變形量分配

采用正擠壓?jiǎn)位鸫纬尚五懠錀U部金屬流動(dòng)距離較長(zhǎng)，盤(pán)部變形量超過(guò)90%，鍛件靠近模具表面的地方溫降和變形劇烈，易出現(xiàn)低倍組織不均勻、表面撕裂、充填差等問(wèn)題。對(duì)于該鍛件，可適當(dāng)增加火次來(lái)完成變形，而多火次間的加熱過(guò)程可以抵消上1火次鍛件產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，減小晶粒的拉長(zhǎng)程度，同時(shí)也有利于控制變形的均勻性。

采用有限元分析軟件對(duì)變形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬參數(shù)為:坯料加熱溫度為相變點(diǎn)下35℃，模具加熱溫度為300℃,壓下速度為2mm/s,剪切摩擦因數(shù)選擇0.3,熱交換系數(shù)選擇8000W/(m².K)[2]。鍛件成形的總步長(zhǎng)為185mm,通過(guò)反復(fù)模擬計(jì)算，共設(shè)置3個(gè)火次，選擇第1火的壓制行程為135mm,第2火為35mm,第3火為15mm,對(duì)應(yīng)的應(yīng)變范圍如圖2所示。第1火主要發(fā)生鐓粗變形，等效應(yīng)變?cè)?.37?1.11之間，第2、3火等效應(yīng)變沿鍛件外形分布，等效應(yīng)變范圍在0.3?0.7之間，第3火時(shí)，工件對(duì)應(yīng)部位的等效應(yīng)變?cè)?.5左右。

1.2 變形速度、加熱溫度對(duì)組織的影響分析

變形速度對(duì)TC4合金鍛件的影響主要體現(xiàn)在晶粒的變化和工藝窗口兩個(gè)方面。在鍛件成形過(guò)程中，變形速度過(guò)快，大變形區(qū)域的變形熱不易散失，帶來(lái)的局部溫升易導(dǎo)致臨界切變應(yīng)力的降低以及原子能的提高，促進(jìn)晶界加速滑移，引起晶粒異常長(zhǎng)大，組織不均勻；而變形速度過(guò)慢，則會(huì)導(dǎo)致總變形時(shí)間變長(zhǎng)，在熱輻射、模具的熱交換等因素綜合作用下，鍛件整體溫度降低，引起初生球狀《相的比例過(guò)高、工藝窗口變小等問(wèn)題[3]。綜合考慮選擇2mm/s的速度進(jìn)行鍛件變形。

加熱過(guò)程中，已經(jīng)拉長(zhǎng)變扁的晶粒會(huì)長(zhǎng)大或被相鄰的晶粒吞并，而加熱溫度距相變點(diǎn)過(guò)近，則會(huì)造成α相體積分?jǐn)?shù)的減小，晶粒的過(guò)度粗化等，加熱溫度過(guò)低則會(huì)造成變形抗力增大，晶粒細(xì)化等問(wèn)題，綜合考慮選擇該鍛件的加熱溫度為相變點(diǎn)(995℃)下25?40℃的溫度區(qū)間。考慮到TC4合金淬透性較好，而鍛件本身的熱容量不大，鍛后選擇空冷來(lái)冷卻。

2、試制結(jié)果及分析

2.1 鍛件及顯微組織

由圖3、4可知，鍛件各個(gè)部位初生的球狀α相體積分?jǐn)?shù)大致相等，為35%?40%，α相的體積分?jǐn)?shù)主要由變形溫度和變形量決定，說(shuō)明鍛造溫度的設(shè)定及變形量控制基本合理，其中1號(hào)位置，初生α相尺寸為15?20pm,次生的條狀基體較為致密，這是因?yàn)樵摬课辉谧詈笠粋€(gè)火次中，應(yīng)變約為0.75,且該部位有效厚度較小，冷卻速度較快導(dǎo)致的。其余各處的球狀α相再結(jié)晶均較好，尺寸為30?40|xm,次生的條狀基體形態(tài)一致性較好，表明鍛件成形過(guò)程均勻性較好，也驗(yàn)證了鍛件成形應(yīng)變范圍的合理性。