發(fā)布日期：2025-2-28 16:15:32
1、序言
鈦合金同其他金屬材料相比，具有密度小、比強(qiáng)度高和耐蝕性良好等優(yōu)點(diǎn)，在石油化工、汽車工業(yè)、軌道交通及醫(yī)藥工程等領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用價(jià)值[1-3]。TC4（Ti-6Al-4V）合金是目前使用最廣泛的一種α相＋β相鈦合金，含有6%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的α相穩(wěn)定元素Al和4%的β相穩(wěn)定元素V，具有良好的力學(xué)性能和工藝性能[4-6]。
鈦合金葉片與傳統(tǒng)不銹鋼葉片相比，在性能方面能夠替代不銹鋼葉片，且能夠解決不銹鋼葉片密度高、工作時(shí)離心力大等問題[7]。葉片曲面形狀復(fù)雜，典型的葉片結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于葉片成形精度和性能指標(biāo)要求高，因此對(duì)于葉片組織和性能的控制至關(guān)重要。本文研究TC4鈦合金葉片模鍛成形工藝，以期通過合理的鍛造工藝得到性能優(yōu)異的組織結(jié)構(gòu)，滿足鍛件的使用要求。
2、試驗(yàn)材料與方法
2.1 原材料
本試驗(yàn)用TC4鈦合金加工棒材的主要化學(xué)成分見表1。從表1可知，其化學(xué)成分滿足GB/T 3620.1—2016《鈦及鈦合金牌號(hào)和化學(xué)成分》的要求。TC4鈦合金原始組織如圖2所示。由圖2可見，原始組織為典型的等軸組織，組織較均勻，主要由初生等軸α相和晶間β相構(gòu)成。
2.2 試驗(yàn)方法
利用3D制圖軟件分別對(duì)上模、下模和坯料造型，并以st l格式文件導(dǎo)出，再導(dǎo)入到D EF O RM3D軟件的前處理界面中進(jìn)行模擬參數(shù)設(shè)定，利用DEFORM-3D對(duì)葉片模鍛過程進(jìn)行數(shù)值模擬。有限元幾何模型如圖3所示。根據(jù)模擬結(jié)果選定合適的鈦合金葉片鍛造工藝并進(jìn)行生產(chǎn)試制，利用電阻加熱爐對(duì)模鍛后的葉片進(jìn)行熱處理，觀察TC4鈦合金葉片自由鍛坯和模鍛后各部位的金相組織。為了檢測力學(xué)性能的均勻性，在葉片各部位取樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，綜合評(píng)價(jià)該工藝對(duì)葉片產(chǎn)品性能及均勻性的作用。
3、結(jié)果與分析
3.1 葉片鍛造數(shù)值模擬
根據(jù)以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，鈦合金葉片采用“自由鍛預(yù)制坯＋敞開模終成形”鍛造完成。
（1）預(yù)制坯形狀確定 葉片預(yù)制坯的形狀和尺寸直接影響到鍛造工藝的成敗，根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征及過往經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了葉片鍛件模型典型界面的截�。ㄒ妶D4），從而計(jì)算葉片預(yù)制坯各截面形狀尺寸，設(shè)計(jì)了預(yù)制坯形狀（見圖5），坯料葉身部分采用矩形，葉根與葉冠按照旋轉(zhuǎn)角度采用扁形。利用DEFORM-3D軟件進(jìn)行有限元分析。根據(jù)材料特性，始鍛溫度設(shè)為960℃，將毛坯屬性設(shè)為塑性體，材料選擇鈦合金“Ti-6A-4V”，并對(duì)其劃分有限元網(wǎng)格單元，由于葉片變形量較大，所以坯料的網(wǎng)格劃分應(yīng)以較多為宜，網(wǎng)格數(shù)量為100000個(gè)。模具設(shè)置屬性為剛性體，預(yù)熱溫度為400℃，摩擦系數(shù)為0.3，上模速度為260mm/s。數(shù)值模擬開始時(shí)上模與下模的距離D＝206mm，根據(jù)飛邊橋部厚度為5mm的設(shè)計(jì)要求，上下模合模后的距離應(yīng)為15mm，即上模壓下量設(shè)為191mm。由模擬結(jié)果可知，設(shè)計(jì)的預(yù)制坯較為理想，模擬充型情況良好，未出現(xiàn)折疊缺陷。
（2）模擬結(jié)果分析 在上述工藝參數(shù)下，預(yù)制坯模鍛模擬結(jié)果如圖6所示。圖6a所示為等效應(yīng)變場的分布情況，圖6b所示為等效應(yīng)力場的分布情況，圖6c所示為鍛造模擬過程載荷-行程曲線。在最終成形狀態(tài)下，葉身處等效應(yīng)變仿真模擬顏色大部分呈綠色，葉根和葉冠處藍(lán)色居多（見圖6a），表明葉身處等效應(yīng)變整體最大，葉根、葉冠處等效應(yīng)變較小；且葉身、葉冠和葉根處等效應(yīng)變都呈現(xiàn)中間部位最小，邊緣部位逐漸遞增。這是由于等效應(yīng)變的大小主要與變形量有關(guān)，葉根、葉冠變形量較葉身變形量小，以及中間部位比邊緣變形量小所致。
由圖6b可見，最終狀態(tài)下，葉身、葉冠和葉根3個(gè)部位的等效應(yīng)力仿真模擬顏色接近，表明等效應(yīng)力分布較均勻，各部位間變形抗力大致相等。這是因?yàn)樵谧冃芜^程中隨著變形量增大，位錯(cuò)密度越大，產(chǎn)生加工硬化，合金變形抗力越高，但同時(shí)產(chǎn)生的變形熱增大，高溫軟化和再結(jié)晶時(shí)金屬流動(dòng)性增強(qiáng)，變形抗力較小，等效應(yīng)力隨之減小，所以葉身、葉冠和葉根之間的等效應(yīng)力差別不大，整個(gè)飛邊處變形抗力較大。由圖6c可見，最終成形載荷為143×108N，現(xiàn)有設(shè)備額定載荷1800×108N可滿足成形載荷的需求。
（3）鍛造工藝路線 結(jié)合鍛造數(shù)值模擬結(jié)果，確定鈦合金葉片鍛造工藝路線為：原材料復(fù)驗(yàn)→加熱→自由鍛預(yù)制坯→加熱→模鍛成形→熱切邊→檢驗(yàn)、清理→熱處理→理化性能→表面質(zhì)量、尺寸檢查→入庫。
3.2 生產(chǎn)試驗(yàn)
根據(jù)確定的鍛造工藝路線進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證。
（1）自由鍛預(yù)制坯 采用空氣錘進(jìn)行自由鍛預(yù)制坯，始鍛溫度為960℃。一方面，通過自由鍛使圓棒料加工成預(yù)制坯尺寸，便于后續(xù)終鍛成形；另一方面，通過自由鍛增大原材料的鍛造比，使其獲得更好的組織。通過自由鍛預(yù)制坯的TC4鈦合金葉片坯料如圖7所示。
（2）模鍛成形 采用電動(dòng)螺旋壓力機(jī)進(jìn)行模鍛，該工序?yàn)槿~片鍛坯最終成形工序，始鍛溫度相同，經(jīng)尺寸檢測，葉片鍛件滿足尺寸要求，外觀質(zhì)量好。
3.3 金相組織分析
（1）自由鍛坯金相組織 任意選取一根自由鍛預(yù)制坯之后的鈦合金坯料，分別在葉根、葉身、葉冠處取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)。圖8所示為自由鍛預(yù)制坯后TC4鈦合金各部位的金相組織。對(duì)比原材料金相組織（見圖2）可知，經(jīng)過自由鍛出坯后，材料的β相組織形態(tài)已發(fā)生變化，轉(zhuǎn)變?yōu)楹容S初生α相和含針狀α相的轉(zhuǎn)變β相組織。對(duì)比葉根、葉身和葉冠各部位晶粒大小可知，葉身部位晶粒更為細(xì)小，葉根與葉冠部位晶粒相對(duì)較大。這是因?yàn)樽杂慑戇^程中各部位變形程度不同所致，葉身部位變形程度最大，原始晶界更加細(xì)化，因此晶粒更加細(xì)小。
（2）模鍛件金相組織 圖9所示為經(jīng)過模鍛成形及熱處理后鈦合金葉片各部位金相組織。由圖9可看出，葉片模鍛件各部位組織比較均勻，均為含等軸初生α相和含針狀α相的轉(zhuǎn)變β相組織，葉身處由于變形程度較大，因此晶粒最為細(xì)小。對(duì)比圖8可看出，經(jīng)過模鍛后，整個(gè)葉片的晶粒更加細(xì)小，等軸初生α相的含量較模鍛前減少，轉(zhuǎn)變β相組織增多。
這是因?yàn)樵俳?jīng)過一次模鍛加熱過程，原始晶界被進(jìn)一步打碎，在冷卻過程中析出的α相可在β相晶界上形核，也可在原來的α相晶界上形核，組織進(jìn)一步得到細(xì)化。
3.4 力學(xué)性能試驗(yàn)
模鍛葉片性能熱處理后各部位的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果及技術(shù)要求見表2。由表2可知，整個(gè)葉片模鍛件各部位力學(xué)性能均勻，葉身部位強(qiáng)度略高于葉根和葉冠部位，塑性指標(biāo)各部位數(shù)值基本相同。并且均滿足技術(shù)條件的要求，說明執(zhí)行該工藝可以鍛造出符合要求的鈦合金葉片鍛件。
4、結(jié)束語
1）仿真數(shù)據(jù)顯示，在最終狀態(tài)下，葉身處等效應(yīng)變較大，葉根、葉冠處等效應(yīng)變較小，葉身、葉冠和葉根的等效應(yīng)力分布均勻。
2）經(jīng)自由鍛和模鍛后，葉身部位組織相比葉根和葉冠處組織晶粒更加細(xì)小，這是因葉身部位變形程度較大所致。
3）在該工藝條件下生產(chǎn)的TC4鈦合金鍛件可獲得性能良好的等軸初生α相和含針狀α相轉(zhuǎn)變β相的金相組織。
4）該工藝條件下生產(chǎn)的TC4鈦合金葉片鍛件滿足技術(shù)條件的要求，且整體力學(xué)性能較為均勻，葉身部位強(qiáng)度比葉根和葉冠部位稍高，塑性水平各部位基本相同。
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