汪大成，吳香菊，丁 維

(中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110043)

葉片精鍛工藝是歐美航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家在1970年代研發(fā)第三代航空發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)程中，為了增加葉片的強(qiáng)度和承載能力，提高葉片的性能和壽命，節(jié)約昂貴的材料，解決難加工材料、薄型面葉片加工的困難，在普通模鍛基礎(chǔ)上逐步發(fā)展出的近凈成形技術(shù)，是葉片鍛造技術(shù)的一大進(jìn)步［1-9］，其中鈦合金葉片的精鍛技術(shù)對(duì)于航空航天工業(yè)的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用［10-11］。然而精鍛工藝所鍛葉片的葉身型面余量很小，單面余量?jī)H有0.3 mm左右，甚至直接按零件葉身型面尺寸鍛造，葉身型面厚度很薄，尤其葉片進(jìn)排氣邊緣厚度已不足1 mm，葉身的變形非常劇烈，容易形成由拉長(zhǎng)晶粒組成的變形織構(gòu)和“應(yīng)變線”，組織均勻性較差，給葉片的性能帶來(lái)不利影響。

低壓第二級(jí)靜子葉片屬于雙安裝板結(jié)構(gòu)，是壓氣機(jī)葉片中較為復(fù)雜的一種類型，其安裝板部位橫截面積與葉身部位橫截面積相差懸殊，且葉身兩頭都帶安裝板，葉片的鍛造成形相當(dāng)困難，需采取頂鍛制坯。由于葉片鍛件安裝板的橫截面積遠(yuǎn)大于葉身的橫截面積，按正常的計(jì)算，將導(dǎo)致頂鍛時(shí)變形部分的長(zhǎng)徑比過(guò)大，很容易在頂鍛時(shí)失穩(wěn)而無(wú)法完成，因此只有將坯料直徑增大，減小變形部分的長(zhǎng)徑比，但這樣又存在預(yù)鍛時(shí)葉身金屬過(guò)多、變形量大而超出了材料變形能力的矛盾，易導(dǎo)致預(yù)鍛時(shí)產(chǎn)生分層缺陷，甚至產(chǎn)生嚴(yán)重的開(kāi)裂問(wèn)題，為此在雙安裝板靜子葉片精鍛成形工藝研究過(guò)程中將預(yù)鍛過(guò)程分解為兩火次變形，整個(gè)成形工藝被分為頂鍛內(nèi)安裝板、頂鍛外安裝板、第一次預(yù)鍛、第二次預(yù)鍛、終鍛共5火次鍛造，成形工藝流程過(guò)長(zhǎng)。

等溫鍛造是近年來(lái)在迅速擴(kuò)大應(yīng)用范圍的一項(xiàng)特種鍛造技術(shù)，其利用金屬材料在超塑性或近似超塑性狀態(tài)下流變應(yīng)力降低，使鍛造變形抗力大幅度降低的特點(diǎn)，降低壓力加工設(shè)備噸位，使之在較小的設(shè)備上鍛造出較大的鍛件，并能把形狀復(fù)雜、精度高的鍛件一次鍛造成形，對(duì)一些難變形的金屬材料能取得滿意的成型效果，而且能提高鍛件的內(nèi)、外部質(zhì)量［12-15］.對(duì)于第二級(jí)靜子葉片精鍛成形工藝采用等溫預(yù)鍛代替普通預(yù)鍛，對(duì)TC4合金的等溫變形規(guī)律進(jìn)行摸索，以達(dá)到提高該葉片葉身表面質(zhì)量、改善組織、性能的目的，有望減少預(yù)鍛火次，縮短成形工藝流程。通過(guò)將等溫鍛與精鍛相結(jié)合，集兩種工藝之長(zhǎng)，進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可提高葉片精鍛成形工藝的靈活性和合理性，將更好地滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)葉片越來(lái)越高的組織、性能要求。

1 研究目標(biāo)

以低壓第二級(jí)靜子葉片為載體，采用等溫預(yù)鍛代替普通預(yù)鍛，對(duì)TC4合金的等溫變形規(guī)律進(jìn)行摸索，提高葉片葉身表面質(zhì)量，改善組織、性能，驗(yàn)證減少預(yù)鍛火次、縮短精鍛成形工藝流程的可行性，從而優(yōu)化鈦合金雙安裝板葉片精鍛成形工藝.第二級(jí)靜子葉片精鍛件模型見(jiàn)圖1.

圖1 第二級(jí)靜子葉片精鍛件模型

2 試驗(yàn)

2.1 葉片等溫預(yù)鍛成型過(guò)程模擬

2.1.1 數(shù)字模型

1)頂鍛件.頂鍛件的模型見(jiàn)圖2.

圖2 頂鍛件模型

2)等溫預(yù)鍛模.等溫預(yù)鍛模的模型見(jiàn)圖3.

圖3 等溫預(yù)鍛模模型

2.1.2 選用工藝參數(shù)及邊界條件

采用DEFORM-3D軟件(剛粘塑性有限元法)進(jìn)行等溫預(yù)鍛成型過(guò)程模擬.表1是各個(gè)參數(shù)的設(shè)定情況.

2.2 葉片預(yù)鍛及終鍛成形試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)材料

1)主要材料.TC4合金棒材，規(guī)格:Φ28 mm，熔煉爐號(hào):534-20070281，產(chǎn)地:寶鈦集團(tuán)，相變點(diǎn):995℃ ～1 005℃.棒材經(jīng)車加工成Φ26 mm的坯料，長(zhǎng)度按工藝需要給定.

2)輔助材料.等溫預(yù)鍛用玻璃潤(rùn)滑劑:Oxy lub-410、GDS-17.終鍛用玻璃潤(rùn)滑劑:Oxy lub-410.終鍛用脫模劑:F645 AFA鍛造石墨乳.

以后的幾十年，茂友叔一直一個(gè)人獨(dú)居在梨園的老屋。直到某一天，他突然說(shuō)是要去找兒子，就那樣離開(kāi)了梨園，離開(kāi)了那幢孤零零的破房。木香托了很多人去找，又張貼了尋人啟事，都沒(méi)有一丁點(diǎn)訊息。不知他流落到了哪個(gè)山溝野岔。

表1 參數(shù)設(shè)定

2.2.2 試驗(yàn)設(shè)備

等溫預(yù)鍛用設(shè)備:THP32-630B型四柱液壓機(jī).

普通預(yù)鍛及終鍛用設(shè)備:PSM4.560f型電動(dòng)螺旋壓力機(jī).

2.2.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案見(jiàn)表2.

表2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)件兩火頂鍛加熱溫度為(950±10)℃;等溫預(yù)鍛溫度為(930±10)℃，變形速度0.1 mm/s;終鍛加熱溫度為(950±10)℃;熱處理制度為(780±10)℃，保溫1～2 h，空冷.

3 結(jié)果及討論

3.1 等溫預(yù)鍛成型過(guò)程模擬

根據(jù)頂鍛件外形的特點(diǎn)，變形先發(fā)生在兩安裝板與葉身的轉(zhuǎn)接R處(如圖4所示)，隨后葉身及安裝板外側(cè)開(kāi)始變形(如圖5所示)，安裝板最后參與變形(如圖6所示).

圖4 預(yù)鍛開(kāi)始變形的情況

從模擬出的預(yù)鍛件外形(如圖7所示)來(lái)看，安裝板能夠很好地充滿，說(shuō)明設(shè)計(jì)的頂鍛件兩頭體積足夠鍛件充滿，但葉身有很大的毛邊，這是頂鍛模設(shè)計(jì)時(shí)變形部分長(zhǎng)徑比的限制所帶來(lái)的影響，因?yàn)閷?shí)際需要的葉身部分直徑應(yīng)為Φ21 mm左右，但兩個(gè)頭部的體積換算成棒料的長(zhǎng)度很長(zhǎng)，難以進(jìn)行頂鍛，只有增加棒料直徑，才能減小變形部分的長(zhǎng)度，從而降低變形部分的長(zhǎng)徑比，以實(shí)現(xiàn)正常地頂鍛.

圖5 預(yù)鍛葉身開(kāi)始變形的情況

圖6 預(yù)鍛安裝板開(kāi)始變形的情況

圖7 預(yù)鍛完成變形的情況

等溫預(yù)鍛后等效應(yīng)變的分布情況如圖8所示.

圖8 預(yù)鍛后等效應(yīng)變的分布情況

最大等效應(yīng)變達(dá)到很大的6.12，但其處于安裝板的側(cè)邊，鍛件本體的應(yīng)變差異不大，說(shuō)明變形較為均勻.等溫預(yù)鍛后等效應(yīng)力的分布情況如圖9所示，最大等效應(yīng)力達(dá)到54 MPa，是在折疊閉合處，且應(yīng)力水平不高，鍛件本體的應(yīng)力處于40 MPa左右，較為均勻.等溫預(yù)鍛后流動(dòng)速度的分布情況如圖10所示，流動(dòng)方向除折疊處之外沒(méi)有異常，流動(dòng)速度最大處在毛邊最外側(cè)，且只有1.35 mm/s，符合等溫成型的流動(dòng)規(guī)律.這些變形情況體現(xiàn)了等溫成型工藝的突出優(yōu)勢(shì).

圖9 預(yù)鍛后等效應(yīng)力的分布情況

圖10 預(yù)鍛后流動(dòng)速度的分布情況

3.2 葉片預(yù)鍛及終鍛成形

試驗(yàn)所試制出的等溫預(yù)鍛件、終鍛件分別如圖11、12所示，其中等溫預(yù)鍛件實(shí)物與模擬結(jié)果十分相近.4個(gè)試驗(yàn)方案所鍛預(yù)鍛件、終鍛件的葉身橫向高倍組織如圖13所示.

從圖11、12可以看出等溫預(yù)鍛件、終鍛件表面光滑、完整，沒(méi)有明顯的分層、裂紋等缺陷，表明采用一火成型的等溫預(yù)鍛件能夠滿足葉片精鍛成型的要求.

從圖13可以看出，方案2、3的一次預(yù)鍛件、二次預(yù)鍛件初生α相形狀較為規(guī)則，基本保持在等軸狀態(tài)，而方案4的一次預(yù)鍛件初生α相形狀規(guī)則性稍差，其二次預(yù)鍛件初生α相形狀規(guī)則性更差，這反映了等溫鍛造與普通鍛造對(duì)鈦合金組織的影響有較明顯的差異，等溫鍛造的變形很緩慢，在變形程度不大的情況下，對(duì)初生α相的破碎很輕微，等軸組織形狀保持得較完整，而普通鍛造的變形較為劇烈，即使在變形程度不大的情況下，初生α相的破碎仍相當(dāng)明顯.對(duì)于方案1的鍛件，經(jīng)過(guò)很大變形程度的等溫變形后，其預(yù)鍛件初生α相破碎就相當(dāng)明顯了，與方案4的一次預(yù)鍛件的初生α相破碎程度基本相當(dāng).經(jīng)過(guò)終鍛變形后，各組的初生α相再次發(fā)生明顯的破碎，形狀規(guī)則性均明顯下降，其中方案1、2相近，方案3最好，方案4最差，因此從組織均勻性的角度看，方案3最好，方案1、2較好，方案4最差.

從4組方案的終鍛件上切取試樣進(jìn)行性能測(cè)試，獲得的力學(xué)性能結(jié)果見(jiàn)表3.

圖12 終鍛件

圖13 各組預(yù)鍛件及其終鍛件葉身橫向高倍組織

表3 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

從表2中可以看出，4個(gè)方案的終鍛件性能水平基本相當(dāng)，都達(dá)到了鍛件標(biāo)準(zhǔn)的要求，其中方案4的室溫塑性明顯偏低，應(yīng)該是與兩火次普通預(yù)鍛及終鍛的多次較劇烈變形造成的加工硬化效果迭加有關(guān).而方案2的高溫拉伸抗拉強(qiáng)度偏低較異常，與工藝過(guò)程及組織狀態(tài)不對(duì)應(yīng)，這種情況一般懷疑與測(cè)試過(guò)程不穩(wěn)定有關(guān).

綜合分析4個(gè)試驗(yàn)方案的鍛件組織、性能，方案3最佳，方案1、2相當(dāng)，方案4最差，應(yīng)當(dāng)選擇方案3，但考慮到縮短精鍛成形工藝整體流程的實(shí)際需求，還是選擇方案1為宜，因此優(yōu)化后的雙安裝板精鍛成形工藝分為頂鍛內(nèi)安裝板、頂鍛外安裝板、等溫預(yù)鍛、終鍛共4火次鍛造.

4 結(jié)論

1)采用DEFORM-3D數(shù)值模擬軟件模擬了雙安裝板靜子葉片等溫預(yù)鍛成型過(guò)程，預(yù)先驗(yàn)證了等溫預(yù)鍛成型的可行性，并預(yù)測(cè)到了折疊缺陷.

2)等溫預(yù)鍛及終鍛試驗(yàn)獲得了表面質(zhì)量及尺寸符合工藝要求的等溫預(yù)鍛件，用其鍛造的精鍛件表面質(zhì)量良好，表明等溫預(yù)鍛成型可以實(shí)現(xiàn)一火成型，并能夠滿足葉片精鍛的需要.

3)采用等溫預(yù)鍛能夠獲得初生α相形狀較為規(guī)則的葉片，有效改善葉片的組織均勻性，同時(shí)葉片的力學(xué)性能也較為理想，為滿足縮短精鍛成形工藝整體流程的實(shí)際需求，優(yōu)化后的鈦合金雙安裝板精鍛成形工藝確定為頂鍛內(nèi)安裝板、頂鍛外安裝板、等溫預(yù)鍛、終鍛共4火次鍛造.

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