鍛造工藝對(duì)鈦合金葉輪鍛件組織性能的影響

鍛造工藝是一種常見(jiàn)的加工技術(shù)，經(jīng)常利用鍛壓機(jī)使需要被鍛造的材料由于受到壓力而變形從而使原始的金屬零件轉(zhuǎn)化成為需要的尺寸和狀態(tài)，鍛造主要包含兩種類(lèi)型，即鍛造和沖壓。鍛造產(chǎn)生的金屬鍛件具有良好的性能，主要由于鍛造增加了金屬原材料的密度，避免其結(jié)構(gòu)疏松造成的不穩(wěn)定，除此之外，其保證了金屬鍛件產(chǎn)生的性能，因此被廣泛用于目前的零件加工產(chǎn)業(yè)。這些鍛造零件可以應(yīng)用于某些工作環(huán)境苛刻的設(shè)備中，可以有效抗負(fù)載，具有極高的穩(wěn)定性，因此鍛件的應(yīng)用前景廣闊。

鈦合金是一種新型的合金[1]，其主要是增加了鈦金屬的強(qiáng)度，同時(shí)降低了鈦金屬的密度，從而保證鈦金屬具有優(yōu)秀的耐腐蝕性能，因此有很大的應(yīng)用價(jià)值。為了更好地應(yīng)用這些材料，鍛造工藝對(duì)鍛件性能影響的研究十分必要。鍛造是利用金屬的塑性[2]，在工具的沖擊或壓力下，獲得具有特定形狀和結(jié)構(gòu)性能的塑性成形工藝。鍛造生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)在于，不僅可以獲得機(jī)械零件的指定形狀，而且可以改善材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高機(jī)械零件的機(jī)械性能。鈦合金鍛件廣泛用于制造中溫發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇和壓縮機(jī)葉盤(pán)。利用鈦合金鍛件可以有效地將葉盤(pán)的結(jié)構(gòu)類(lèi)型轉(zhuǎn)化，由傳統(tǒng)的多連接葉盤(pán)轉(zhuǎn)化成葉片圓盤(pán)連接型葉盤(pán)[3]，這樣可以導(dǎo)致整個(gè)葉盤(pán)的結(jié)構(gòu)不那么繁瑣，組成葉盤(pán)的材料需求也降低了，因此葉盤(pán)此時(shí)能進(jìn)行保形配置，葉盤(pán)需要更好地低疲勞和抗蠕變配置。因此，本文研究了鍛造工藝對(duì)鈦合金鍛件組織和性能的影響。

1、試驗(yàn)方案

1.1整體葉盤(pán)形狀與尺寸

研究的鈦合金選用TC17合金，該鈦合金的是(Mo+Cr)含量為8%，比TC4和Ti-6242具有更高的中溫強(qiáng)度，因此現(xiàn)在被廣泛地使用在其中。發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇和壓縮機(jī)集成葉盤(pán)制造可以使用鈦合金鍛件來(lái)有效地轉(zhuǎn)化葉盤(pán)的結(jié)構(gòu)類(lèi)型，使其結(jié)構(gòu)由繁到簡(jiǎn)，不僅減少了葉盤(pán)再制造生產(chǎn)時(shí)需要的工序，也降低制造葉盤(pán)的材料消耗。由于葉盤(pán)在使用過(guò)程中必須保證時(shí)刻具有彈性，因此必須要避免其由于疲勞產(chǎn)生的不可彎曲的問(wèn)題。研究表明，葉盤(pán)的

疲勞問(wèn)題主要由葉盤(pán)的鍛造方式來(lái)改善，在鍛造時(shí)可以增加其紋理狀態(tài)太保證性能。葉盤(pán)組織受熱導(dǎo)致其性能轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn)溫度即為葉盤(pán)鍛造時(shí)需要注意的變形溫度，根據(jù)葉盤(pán)加熱變形溫度得出固定的組織，該組織稱(chēng)之為三相組織，以上階段的鍛造稱(chēng)為近β鍛造。與該過(guò)程不同，葉盤(pán)組織使用極高的溫度加熱后，導(dǎo)致其性能完全受到損傷，甚至產(chǎn)生層狀結(jié)構(gòu)的過(guò)程稱(chēng)為β鍛造。研究表明，本實(shí)驗(yàn)研究的鈦合金TC17，使用這兩種鍛造方法鍛造出的網(wǎng)籃三相結(jié)構(gòu)更能滿(mǎn)足飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)要求。

首先，應(yīng)明確檢測(cè)整體葉盤(pán)鍛件的盤(pán)形和尺寸，如圖1所示。

如圖1所示，整個(gè)葉盤(pán)鍛件由試環(huán)和鼓筒安裝邊部位組成。

1.2原材料

本試驗(yàn)選用310mm×80mm的TC17合金，該合金的化學(xué)成分能為：5.12Al、4.14Cr、4.06Mo、2.17Sn、1.98Zr、0.01C、0.005N、0.0021H，β相轉(zhuǎn)變溫度Tβ為893℃。試驗(yàn)用料是經(jīng)過(guò)相變點(diǎn)下多次鐓拔變形的均勻雙態(tài)組織。

1.3?工藝設(shè)計(jì)

為了對(duì)比TC17合金近β鍛和β鍛后組織性能，設(shè)計(jì)了如下鍛造工藝路線(xiàn)。

第一種，坯料加熱（Tβ+25）℃，等溫鐓粗，變形速度v=1mm/s，等變形量55%，鍛后空冷，熱處理采用800℃×4h，WQ+630℃×8h，AC。

第二種，坯料加熱（Tβ-20）℃，等溫鐓粗，變形速度v=1mm/s，變形量40%，鍛后水冷，熱處理采用850℃×3h，AC+800℃×4h，WQ+630℃×8h，AC。

這兩種工藝方案主要的區(qū)別在于其相變點(diǎn)的加熱方式，以一種選用了相變點(diǎn)上加熱，第二種則選用相變點(diǎn)下加熱，兩者鍛后也不一樣，第一種鍛后選擇空冷，第二種則是水冷，熱處理為均勻化+固溶+時(shí)效。

1.4?試驗(yàn)過(guò)程

在試驗(yàn)過(guò)程中，首先需要將原材料進(jìn)行改鍛，改鍛的環(huán)境控制在3t范圍內(nèi)，由于改鍛的過(guò)程可能會(huì)發(fā)生其他類(lèi)型的反應(yīng)，因此需要預(yù)先設(shè)置改鍛的尺寸，本文采用的鍛錘為常規(guī)鍛錘，需要將改鍛尺寸設(shè)定為250mm×120mm，尺寸輸入后需要進(jìn)行改鍛的加熱處理，本試驗(yàn)選取電爐進(jìn)行加熱處理，設(shè)置電爐的探波數(shù)值，進(jìn)行預(yù)熱處理后即可開(kāi)始進(jìn)行改鍛。

1.5?試驗(yàn)取樣圖

根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程，選取試樣的部位進(jìn)行試驗(yàn)取樣，試驗(yàn)取樣圖如圖2所示。

由圖2可知，試樣取樣分成若干步驟，不同的鍛造工藝試驗(yàn)取樣的位置也不同，圖中的1、2位置為熱穩(wěn)定取樣，5、6、7、8均為高溫拉伸取樣，4代表疲勞取樣。

2、試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1不同鍛造工藝對(duì)顯微組織的影響

如圖3所示，為近β鍛工藝鍛件的顯微組織。其初生α含量約20%，條狀α沿原始β晶界分布，原始β晶粒尺寸較小，晶界基本破碎，為等軸α+條狀α+β?tīng)畹娜龖B(tài)組織。

圖4為β鍛顯微組織圖，該顯微組織可以反映相變點(diǎn)的熱變形量，經(jīng)過(guò)研究證明，其在某個(gè)固定溫度可以導(dǎo)致鍛造變形，從而使顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變。

由圖4可知，試驗(yàn)中的鈦合金普遍都可以經(jīng)過(guò)鍛造產(chǎn)生網(wǎng)籃反映，經(jīng)過(guò)鍛造后的鈦合金顯微結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出網(wǎng)狀，容易受熱改變性質(zhì)，因此證明此時(shí)滿(mǎn)足鍛造條件。

2.2?不同鍛造工藝對(duì)力學(xué)性能的影響

分別使用兩種不同的鍛造工藝，即近β鍛和β鍛，根據(jù)這兩種鍛造工藝進(jìn)行性能檢測(cè)，分別檢測(cè)室溫拉伸，高溫拉伸和熱穩(wěn)定狀態(tài)下兩種鍛造方式的性能差異，由于鍛造工藝受到金屬本身的性能影響，因此需要提前進(jìn)行熱處理才能進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果如表1~3所示。

由表1~表3可知，兩種工藝的力學(xué)性能有較大差異，主要體現(xiàn)在斷裂韌性方面，近β鍛的斷裂韌性相對(duì)于β鍛來(lái)說(shuō)偏小，比較容易由于受到某些刺激而產(chǎn)生斷裂，而β鍛就比較穩(wěn)定，不容易發(fā)生斷裂，因此β鍛比近β鍛的性能高，適合應(yīng)用于葉盤(pán)的制造中，除此之外，進(jìn)行抗疲勞試驗(yàn)也是為了檢測(cè)二者的性能差異，計(jì)算二者的最大疲勞樹(shù)脂。傳統(tǒng)兩相鈦合金網(wǎng)籃組織高周疲勞較差，但TC17合金網(wǎng)籃組織的疲勞極限強(qiáng)度可比較高，因此可以用作葉盤(pán)的生產(chǎn)材料。

3、結(jié)論

β鍛工藝的鍛件強(qiáng)度、塑性及斷裂韌性等綜合力學(xué)性能較好，近β鍛工藝的斷裂韌性較差，因此鈦合金發(fā)動(dòng)機(jī)葉盤(pán)應(yīng)選用β鍛造工藝鍛造。

4、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，鈦合金鍛件在航空航天，醫(yī)療方面有重要應(yīng)用，其具有耐腐蝕，高強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)，研究表明，近β鍛雖然強(qiáng)度和塑性?xún)?yōu)于β鍛，但其斷裂韌性較差。TC17合金整體葉盤(pán)鍛造應(yīng)選用β鍛工藝，對(duì)后續(xù)鈦合金的應(yīng)用有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]白東輝,湯育璽.鍛造工藝對(duì)TC17鈦合金鍛件組織性能的影響[J].熱加工工藝,2020,49(23):84-86.

[2]楊華,高俊峰,何琪功等.徑向鍛造機(jī)的幾種典型主機(jī)結(jié)構(gòu)分析[J].鍛壓技術(shù),2021,46(06):16-32.

[3]闞海波,呂興龍,李偉華等.耐極寒OPGW金具鍛造與熱處理工藝性能研究[J].電力信息與通信技術(shù),2019,17(08):63-69.