閆文萱，李金棟，魏曉艷，谷國君·中國航發(fā)北京航空材料研究院

　　TC4鈦合金屬于α+β型鈦合金，具有良好的綜合力學(xué)性能、優(yōu)異的耐蝕性、較高的強(qiáng)度比，廣泛應(yīng)用于航空航天、兵器船舶領(lǐng)域。航空用鈦合金連接法蘭作為發(fā)動(dòng)機(jī)中重要的傳動(dòng)構(gòu)件，對(duì)零件的力學(xué)性能及組織均勻性提出了更高的要求，通常采用熱模鍛造后再機(jī)械加工的方式進(jìn)行制造。

　　本文介紹了一種TC4鈦合金大長徑比連接法蘭模鍛件成形一體化控制技術(shù)，主要采用預(yù)制坯結(jié)合頭部鍛造縱向成形的方法，利用有限元模擬對(duì)制坯形狀和鍛造工藝過程進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)最終鍛件進(jìn)行組織性能評(píng)價(jià)，為大長徑比鈦合金連接法蘭鍛件熱模鍛造提供理論依據(jù)。

　　技術(shù)難點(diǎn)分析

　　連接法蘭鍛件外觀形狀呈長軸型，擁有較大的長徑比(原始坯料長徑比≥3)，若采用沿徑向鍛造成形的工藝，坯料長徑比選擇不當(dāng)易造成鍛件彎曲甚至折斷，不僅對(duì)設(shè)備及材料造成損耗，同時(shí)也存在人員機(jī)械傷害隱患；若采用橫向鍛造的方式，雖然不存在上述問題，但是法蘭端面積大且厚度極小，不僅充型非常困難，同時(shí)橫向分模的方式勢(shì)必產(chǎn)生較大的毛邊，導(dǎo)致材料利用率低。所以對(duì)于大長徑比連接法蘭鍛件，成形方式設(shè)計(jì)成為關(guān)鍵點(diǎn)，同時(shí)預(yù)制坯料的形狀尺寸也同等重要。

　　TC4鈦合金屬于雙相鈦合金，根據(jù)傳統(tǒng)的資料可知，其鍛造溫度應(yīng)在β轉(zhuǎn)變溫度以下20～50℃，對(duì)于這類鍛件的成形過程，由于大變形釋放形變熱使得鍛件的溫度急劇升高，極易造成鍛件局部溫度越過相變點(diǎn)，導(dǎo)致的后果有：

　?、艤囟鹊纳邥?huì)造成晶粒的長大，在鍛造過程中雖然形變可以細(xì)化晶粒，但是如果鍛造溫度過高，先細(xì)化的晶粒在鍛造過程中發(fā)生長大，使得鍛件的相關(guān)性能下降；

　　⑵鍛造溫度過高易形成過熱或者過燒，這兩種結(jié)果都是不合格的；

　?、蔷植垮懺鞙厣^高導(dǎo)致在β相區(qū)進(jìn)行鍛造，會(huì)形成網(wǎng)籃組織或者魏氏體組織，極大降低了其性能。所以確定合理的預(yù)制坯料，選擇適當(dāng)?shù)腻懺靺?shù)是又一技術(shù)難點(diǎn)。

　　模具設(shè)計(jì)及成形數(shù)值模擬

　　圖1為TC4鈦合金大長徑比連接法蘭鍛件及模具。鍛件總體高度為220mm，法蘭端直徑φ165mm。鍛件采用頭部鍛造填充模式，較大的變形量保證鍛件的力學(xué)性能及微觀組織，同時(shí)閉式鍛造節(jié)省原材料的投入。

圖1 TC4鈦合金連接法蘭鍛件示意圖

　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求及TC4鈦合金鍛造溫度規(guī)范設(shè)定計(jì)算參數(shù)見表1。表中考慮鍛造過程中產(chǎn)生的變形熱，鍛造溫度選擇了溫度下限950℃。

　　表1連接法蘭鍛件模擬相關(guān)參數(shù)

　　模擬采用圓柱坯料進(jìn)行閉式縱向鍛造，圖2為連接法蘭鍛造過程中溫度場(chǎng)變化示意圖，由圖2中可以看到，隨著變形量的增大，坯料的溫度逐漸升高，在變形開始0.8s時(shí)，坯料變形的高溫區(qū)呈現(xiàn)“Y”形；變形過程中法蘭端溫度最高，長軸端變形量較小溫度更低。模擬結(jié)果顯示鍛件充型良好，產(chǎn)生了2～3mm毛邊，極大的節(jié)省了原材料。

圖2連接法蘭鍛造過程溫度場(chǎng)變化

　　鍛造成形工藝優(yōu)化

　　從鍛造過程數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，坯料在加熱至950℃經(jīng)過鍛造，其心部溫度最高可達(dá)989℃以上，根據(jù)資料顯示，TC4鈦合金的相變點(diǎn)在985～1000℃之間，如果采用現(xiàn)有國標(biāo)TC4鈦合金鍛造溫度下限，變形過程可能會(huì)達(dá)到β相變點(diǎn)，從而在β相區(qū)進(jìn)行鍛造，而終鍛溫度高于相變點(diǎn)后，極易形成網(wǎng)籃組織或魏氏體組織。而鍛造溫度過低會(huì)造成鈦合金變形抗力過大，模具開裂或設(shè)備悶車。綜合考慮成形設(shè)備噸位、模具壽命及鈦合金鍛造過程溫度變化規(guī)律，應(yīng)在950℃的理論基礎(chǔ)上適當(dāng)降低鍛造溫度。

　　圖3為坯料經(jīng)過不同溫度鍛造后心部顯微組織變化。經(jīng)950℃鍛造后鍛件心部已產(chǎn)生網(wǎng)籃組織，顯微組織屬于5～6類，不滿足TC4鈦合金鍛件組織要求，主要由于鍛造過程中法蘭端劇烈變形，導(dǎo)致鍛件心部溫度升高過快組織發(fā)生變化，與模擬分析預(yù)期一致；選用920℃鍛造后，法蘭鍛件心部組織屬于2～3類組織，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中TC4鈦合金鍛件組織要求。因此，在后續(xù)試驗(yàn)中采用更為合理的920℃坯料加熱溫度。

圖3不同溫度下鍛件顯微組織變化

　　圖4為不同制坯方式下經(jīng)920℃進(jìn)行鍛造的連接法蘭鍛件室溫力學(xué)性能變化，取樣位置為連接法蘭的長軸頂部。采用原始圓柱棒坯直接縱向鍛造，鍛件力學(xué)性能較差，心部試樣抗拉強(qiáng)度集中于900～940MPa；坯料進(jìn)行尾端圓錐制坯后再縱向鍛造，鍛件抗拉強(qiáng)度提升至960～1020MPa，主要由于圓錐制坯后鍛造過程中軸部變形量增大，鍛件晶粒得到進(jìn)一步細(xì)化從而提升鍛件力學(xué)性能。為滿足連接法蘭鍛件室溫抗拉強(qiáng)度應(yīng)大于930MPa的要求，選擇圓錐制坯再縱向鍛造的加工方式更為合理。

圖4不同制坯方式下鍛件室溫抗拉強(qiáng)度變化

　　圖5為坯料進(jìn)行圓錐制坯后，加熱溫度920℃鍛造后的連接法蘭溫度分布圖。由圖5可知，變形過程中坯料內(nèi)部溫度最高為959℃，相比于TC4鈦合金相變點(diǎn)留有非常大的溫度空間，進(jìn)一步驗(yàn)證了圓錐制坯后加熱至920℃進(jìn)行縱向鍛造成形工藝方案的可行性。

圖5工藝優(yōu)化后連接法蘭鍛造過程溫度場(chǎng)變化

　　圖6是連接法蘭鍛造過程變形抗力圖，由圖6可以看出，快速鍛造成形壓力機(jī)應(yīng)力上升比較快，前期的平緩階段較短，中期載荷上升速度加快，后期由于毛邊的產(chǎn)生而壓力呈筆直狀上升，最大壓力達(dá)到1397t。

圖6連接法蘭鍛件鍛造變形抗力變化

　　鍛造工藝方案驗(yàn)證

　　根據(jù)數(shù)值模擬及相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，最終選擇1600t機(jī)械模鍛壓力機(jī)，不僅滿足載荷的要求，同時(shí)也能夠大大增加模具及工裝的使用壽命，降低成本。按照上述工藝方案，采用圓錐制坯＋頭部鍛造縱向成形工藝，成形出連接法蘭鍛件如圖7所示，可以看出鍛件充模良好，與模擬結(jié)果保持一致。

圖7 TC4鈦合金連接法蘭鍛件實(shí)物圖

　　對(duì)鍛造后的連接法蘭鍛件進(jìn)行熱處理后檢測(cè)其室溫拉伸性能，抗拉強(qiáng)度分別為977MPa和981MPa；圖8為鍛件顯微組織結(jié)果，顯微組織中初生α相含量大于5%，所有β晶界α相充分破碎，屬于2類組織，完全滿足TC4鈦合金連接法蘭鍛件技術(shù)要求。

圖8 TC4鈦合金連接法蘭鍛件顯微組織

　　結(jié)論

　?、艖?yīng)充分考慮鈦合金坯料在熱模鍛過程中產(chǎn)生的溫升對(duì)鍛件組織性能的影響，鍛造過程滿足鍛件在α+β兩相區(qū)加工，TC4鈦合金連接法蘭鍛造成形溫度選擇920℃。

　?、拼箝L徑比法蘭類鍛件采用圓錐制坯＋頭部鍛造縱向成形工藝，可有效改善鍛件力學(xué)性能。

　　作者簡介

　　閆文萱

　　塑性成形技術(shù)主管，工程師，主要從事高溫合金、鈦合金等航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)件塑性成形工藝研究及組織性能調(diào)控。