文／李治華，汪大成，周浩浩·沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司

模鍛鋁合金葉片表面粗晶數(shù)值模擬及分析

文／李治華，汪大成，周浩浩·沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司

李治華，碩士，高級(jí)工程師，主要從事葉片鍛造數(shù)值模擬方面的工作。曾獲航空科學(xué)技術(shù)三等獎(jiǎng)1項(xiàng)，授權(quán)發(fā)明專利5項(xiàng)，發(fā)表論文10余篇。

針對(duì)2A70（LD7）模鍛鋁合金可調(diào)葉片出現(xiàn)的表面粗晶現(xiàn)象，本文利用Deform-3D軟件對(duì)現(xiàn)行的鍛造成形工藝進(jìn)行數(shù)值模擬，觀察鍛件的各變形區(qū)以及各個(gè)場量的變化關(guān)系。根據(jù)變形量和速度場的變化，分析了葉片成形過程的變形量和變形速度對(duì)葉片表面粗晶的影響。結(jié)果表明：鋁合金變形時(shí)落入臨界變形范圍的小變形是形成粗晶的根本原因，其次鍛造火次的增加也會(huì)導(dǎo)致葉片粗晶的產(chǎn)生。

2A70合金屬于Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐熱鍛鋁，具有良好的熱塑性和冷熱加工性能，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域及其他較高溫度下工作的零部件。粗晶是鋁合金模鍛件常見缺陷之一，在鍛件中的粗晶組織以及由粗晶組織向細(xì)晶組織急劇變化的過渡區(qū)，鍛件的疲勞強(qiáng)度降低。大量學(xué)者進(jìn)行了粗晶形成機(jī)理的研究，但目前還未見模鍛葉片表面粗晶現(xiàn)象產(chǎn)生原因的分析報(bào)道文獻(xiàn)。

本文以2A70鋁合金可調(diào)葉片為研究對(duì)象，針對(duì)鍛造葉片表面產(chǎn)生的粗晶現(xiàn)象（圖1）利用有限元數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)葉片主要成形工序進(jìn)行模擬計(jì)算，分析變形過程的應(yīng)力、應(yīng)變和金屬流動(dòng)規(guī)律與葉片粗晶的關(guān)系，從而探究葉片成形過程產(chǎn)生粗晶的原因。

模擬工藝

圖1 可調(diào)葉片表面粗晶形貌

選用Deform-3D模擬軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，該軟件在一個(gè)集成環(huán)境內(nèi)綜合成形、熱傳導(dǎo)和成形設(shè)備特性進(jìn)行模擬仿真分析，適用于熱鍛、冷鍛和溫鍛成形，能夠提供極有價(jià)值的工藝分析數(shù)據(jù)?？烧{(diào)葉片鍛件總長為370mm，主要成形工序?yàn)轫斿憽鷱澢A(yù)鍛→終鍛，工序簡圖和變形量見表1。

對(duì)可調(diào)葉片鍛造成形過程的主要工序進(jìn)行模擬計(jì)算，工藝參數(shù)設(shè)定包括模具預(yù)熱溫度、鍛造溫度、鍛造速度和摩擦系數(shù)等。其中模擬材料為美國的2618，鍛造溫度設(shè)定為450℃，模具預(yù)熱溫度設(shè)定為200℃，頂鍛設(shè)備壓下速度為210mm/s，預(yù)鍛、終鍛設(shè)備壓下速度為200mm/s，摩擦系數(shù)設(shè)定為0.2。

表1 葉片鍛造工序簡圖和變形量

模擬結(jié)果

頂鍛、壓彎模擬結(jié)果

頂鍛模擬下料尺寸為φ35mm×410mm，頂鍛模結(jié)構(gòu)及頂鍛成形后的鍛件如圖2所示。

圖2 頂鍛模及頂鍛成形的鍛件

頂鍛件成形后的等效應(yīng)變、等效應(yīng)力和速度場的分布情況如圖3所示。

圖3 頂鍛工序后等效應(yīng)變、等效應(yīng)力及速度場分布情況

壓彎工序后等效應(yīng)變、等效應(yīng)力和速度場的分布情況如圖4所示。

圖4 壓彎件等效應(yīng)變、等效應(yīng)力及速度場分布情況

從圖3a和圖4a可以看出，頂鍛工序和壓彎工序的變形量很小，這與實(shí)際工藝中頂鍛轉(zhuǎn)軸變形量15.8%、葉身變形量0，壓彎件小軸變形量5.7%、大軸變形量17.1%和葉身變形量0的結(jié)果相吻合。

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，鍛鋁和硬鋁很容易產(chǎn)生粗晶，主要分布在鍛件變形程度小而尺寸較厚的部位、變形程度大、變形激烈的區(qū)域以及飛邊附近。產(chǎn)生大晶粒的原因除了由于變形程度過?。淙肱R界變形區(qū)）或變形程度過大和變形激烈不均勻所引起的之外，加熱次數(shù)過多、加熱溫度過高及終鍛溫度太低也會(huì)產(chǎn)生大晶粒。同時(shí)鋁葉片表面粗晶的產(chǎn)生也有可能是原材料帶來的，但鍛造成形模擬不考慮原材料的原因。由于在頂鍛和壓彎工序鍛件整體變形量小，2A70合金的臨界變形程度在15%～20%，而且是兩火完成，所以增加了粗晶產(chǎn)生的可能性，因此，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)建議盡可能減少葉片的成形火次。

由圖4c可以看出，壓彎件在進(jìn)行到最終成形時(shí)，中部出現(xiàn)了金屬回旋的現(xiàn)象。此時(shí)壓彎件的兩頭已經(jīng)和模具接觸，但中間部位坯料并未與上模接觸，因此在兩端下壓的過程中，中間部分的坯料處于自由狀態(tài)，此處的金屬有向上流動(dòng)的可能性，有可能會(huì)出現(xiàn)上述提到的回旋現(xiàn)象?；匦幱捎诮饘贌o約束，流動(dòng)速度加快，導(dǎo)致變形激烈，這可能使最終成形的葉片鍛件在縱向出現(xiàn)粗晶。

預(yù)鍛、終鍛模擬結(jié)果

按照工藝要求預(yù)鍛件在終鍛件尺寸的基礎(chǔ)上欠壓2.5～3.5mm，在模擬時(shí)取中間值欠壓3mm，圖5為預(yù)鍛過程等效應(yīng)變、最大主應(yīng)力分布情況。

圖5 預(yù)鍛過程等效應(yīng)變、最大主應(yīng)力

由圖5a預(yù)鍛件的等效應(yīng)變分布來看，葉身靠近排氣邊處的應(yīng)變值相對(duì)葉身其他部位的要大一些，最大值在1.33左右，葉身縱向中間部位的應(yīng)變值小于其兩側(cè)部位，其范圍在0.885～1.09之間。圖5b是預(yù)鍛件的最大主應(yīng)力分布，由圖5可知整個(gè)葉片所承受的均為壓應(yīng)力，其值分布在-305～14.2MPa之間。

圖6為預(yù)鍛件成形速度分布，由圖6可以看出：在成形初期坯料整個(gè)變形的速度很均勻，且速度很慢，但隨著模具的不斷下壓坯料金屬的流動(dòng)速度逐漸增加，在靠近排氣邊的葉身處金屬流動(dòng)速度有了明顯的變化，且變化梯度增大，導(dǎo)致變形的激烈程度不均勻，這也是產(chǎn)生粗晶的原因之一。

圖6 預(yù)鍛過程成形速度分布

在預(yù)鍛件的基礎(chǔ)上進(jìn)行終鍛模擬，圖7為終鍛件兩個(gè)軸桿處的等效應(yīng)變分布。

圖7 軸桿部位等效應(yīng)變分布

終鍛過程中，成形后終鍛件的應(yīng)變分布可以劃分為四個(gè)區(qū)域：軸桿、葉身縱向左區(qū)、葉身縱向右區(qū)和毛邊處。由圖7可知，兩個(gè)軸桿除毛邊外其余部位都屬于小變形區(qū)，應(yīng)變值在0.5以下，尤其是大軸位置基本無變形。若變形程度很小，再結(jié)晶晶核較少，孕育期又很長，鍛件再次加熱后將會(huì)形成粗大的晶粒。葉身縱向左區(qū)的應(yīng)變值在1.2左右，葉身縱向右區(qū)應(yīng)變值在1.7～2.06之間，說明葉身的變形不均勻。實(shí)際變形過程中小軸變形量為2.7%～17.9%，大軸變形量為1.7%～11.5%，葉身變形量為3.5%～23.6%。從變形量的角度分析，由于兩個(gè)軸桿部位的變形量落入臨界變形區(qū)，而且整個(gè)葉片成形是四火完成，必然會(huì)導(dǎo)致粗晶的產(chǎn)生。

圖8為終鍛件成形過程中金屬的流動(dòng)速度分布，從圖8中可以看出葉身部位金屬的流動(dòng)速度相對(duì)毛邊處的速度要小，而且分布不均勻。

圖9為鍛造生產(chǎn)的可調(diào)葉片實(shí)物。可以明顯看出在葉片的縱向靠近小軸的部位出現(xiàn)了粗晶，這與模擬結(jié)果相符合。

圖8 終鍛件成形過程中金屬的流動(dòng)速度分布

圖9 葉身偏小軸方向粗晶

結(jié)論

根據(jù)上述的模擬分析結(jié)果可得出如下結(jié)論：

⑴鋁合金變形時(shí)存在落入臨界變形程度范圍的小變形是形成粗晶的根本原因。可調(diào)葉片工藝中鍛造火次過多，且部分工序變形程度偏小，為晶粒粗化提供了條件，是造成粗晶形成的主要原因。

⑵壓彎成形工序中，由于金屬流動(dòng)的不均勻，在葉身縱向中部位置出現(xiàn)回旋的現(xiàn)象，導(dǎo)致金屬變形激烈，這也是粗晶產(chǎn)生的原因。

⑶終鍛工序兩個(gè)軸桿位置的小變形使出現(xiàn)粗晶的可能性增大。

⑷建議減少可調(diào)葉片的成形火次，提高預(yù)鍛和終鍛變形量。