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)動機(jī)等重要部件[1]。伴隨著新型發(fā)動機(jī)對推重比要求的提高，壓氣機(jī)等葉盤鍛件使用盤軸類整體鍛件已成為一項(xiàng)重要舉措。本文針對某TC4合金盤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)為上盤下軸，盤部直徑與桿部直徑比例達(dá)到3,而桿部的長度與盤部的厚度比例約為6.75,為典型的盤軸類鍛件。采用φ300mmx250mm還料擠壓成形，工藝難點(diǎn)為盤、桿橫截面變化大，成形過程中金屬流動劇烈，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、引起盤桿部組織性能差異大等問題。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存在盤部，保證鍛件成形的可靠性。
鈦合金由于熱導(dǎo)率低，變形過程中在較大的應(yīng)變部位易產(chǎn)生局部溫升，對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，心部溫升的效果強(qiáng)烈，由此帶來的局部金屬流動軟化，易引起低倍組織不均勻，高倍組織及性能不合格等問題。本文利用有限元模擬軟件模擬成形過程，合理設(shè)置變形過程的每火次變形量。
1.1 鍛件火次控制與變形量分配
采用正擠壓單火次成形鍛件，其桿部金屬流動距離較長，盤部變形量超過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、充填差等問題。對于該鍛件，可適當(dāng)增加火次來完成變形，而多火次間的加熱過程可以抵消上1火次鍛件產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，減小晶粒的拉長程度，同時也有利于控制變形的均勻性。
采用有限元分析軟件對變形過程進(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]。鍛件成形的總步長為185mm,通過反復(fù)模擬計(jì)算，共設(shè)置3個火次，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)變在0.37?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，工件對應(yīng)部位的等效應(yīng)變在0.5左右。
1.2 變形速度、加熱溫度對組織的影響分析
變形速度對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方面。在鍛件成形過程中，變形速度過快，大變形區(qū)域的變形熱不易散失，帶來的局部溫升易導(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，引起晶粒異常長大，組織不均勻；而變形速度過慢，則會導(dǎo)致總變形時間變長，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《相的比例過高、工藝窗口變小等問題[3]。綜合考慮選擇2mm/s的速度進(jìn)行鍛件變形。
加熱過程中，已經(jīng)拉長變扁的晶粒會長大或被相鄰的晶粒吞并，而加熱溫度距相變點(diǎn)過近，則會造成α相體積分?jǐn)?shù)的減小，晶粒的過度粗化等，加熱溫度過低則會造成變形抗力增大，晶粒細(xì)化等問題，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?？紤]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，說明鍛造溫度的設(shè)定及變形量控制基本合理，其中1號位置，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€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，表明鍛件成形過程均勻性較好，也驗(yàn)證了鍛件成形應(yīng)變范圍的合理性。
2.2 力學(xué)性能
按圖3(b)取樣位置取樣并進(jìn)行加工，拉伸試樣直徑測試結(jié)果見表1。
鍛件力學(xué)性能結(jié)果表明，鍛件的室溫性能及髙溫性能均能滿足技術(shù)要求，其中盤部強(qiáng)度較桿部的略高。
3、結(jié)論
(l)試制結(jié)果表明，通過三火連續(xù)正擠壓工藝可以得到符合技術(shù)要求標(biāo)準(zhǔn)要求的TC4合金盤軸一體鍛件。
(2)使用數(shù)值模擬技術(shù)可以對火次間的應(yīng)變量進(jìn)行優(yōu)化配置，每個火次中應(yīng)變量的控制范圍在0.3?0.7之間。
參考文獻(xiàn)：
[1]《中國航空材料手冊》編輯委員會.中國航空材料手冊[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.
[2]史廷春，陳森燦.TC4高溫鍛造本構(gòu)模型的實(shí)驗(yàn)研究[J].鍛壓技術(shù)，1999⑶：1-7.
[3]呂炎.鍛件組織性能控制[M].北京：國防工業(yè)出版社，1988.
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