TC11鈦合金整體葉盤鍛件組織均勻性評價方法

楊艷慧， 劉 東， 羅子健

(西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，西安 710072)

盤件是渦輪機械的關(guān)鍵部件，航空、航天發(fā)動機用盤件一般采用高溫合金、鈦合金等難變形材料進行制造，其組織均勻性對盤件的使用性能具有重要影響［1］。因此，科學(xué)地進行盤鍛件組織均勻性評價和控制一直是難變形材料盤鍛件制造技術(shù)的重要研究方向。由于難變形材料鍛件的組織狀態(tài)與變形均勻性關(guān)系密切，國內(nèi)外許多學(xué)者致力于盤鍛件變形均勻性的評價和控制研究工作。趙國群［2，3］等提出了描述鍛件變形均勻性的指標(biāo)，并對H型截面盤鍛件進行預(yù)成形設(shè)計。作者也曾就GH4169合金渦輪盤鍛件變形均勻性表征方法進行了研究，并提出了提高鍛件變形均勻性的預(yù)成形優(yōu)化方法［4，5］。在鍛件組織均勻性方面，趙國群［6］等人應(yīng)用Yada模型，進行了面向微觀組織優(yōu)化的預(yù)成形設(shè)計。然而，對于高溫合金和鈦合金等難變形材料，熱加工過程中會同時發(fā)生或相繼發(fā)生多個物理冶金過程，例如，相變、動態(tài)再結(jié)晶、亞動態(tài)再結(jié)晶以及靜態(tài)再結(jié)晶等。簡單地運用現(xiàn)有的組織演化模型［7～10］并不能獲得理想的組織均勻性評價效果。

本工作基于Taguchi方法，提出了以鍛件內(nèi)部熱力參數(shù)為基本變量的損失函數(shù)，從而探索盤類鍛件組織均勻性的評價方法。以TC11鈦合金整體葉盤為例，應(yīng)用所建立的損失函數(shù)對整體葉盤鍛造過程進行有限元數(shù)值模擬和鍛件組織均勻性評價，并將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進行了對比。

1 損失函數(shù)LF的定義

質(zhì)量控制理論中，加工工藝的設(shè)計過程可分為三個階段:系統(tǒng)設(shè)計，參數(shù)設(shè)計和容差設(shè)計。根據(jù)Taguchi方法［11］，在容差設(shè)計階段，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，可通過定義質(zhì)量損失函數(shù)(LF)來確定可控參數(shù)的容許變動范圍。本文建立評價組織均勻性的損失函數(shù)過程如下:

第一步，借助有限元網(wǎng)格系統(tǒng)，定義以下公式確定單元i的熱力參數(shù)X(i)的分布均勻程度:式中Xavg為熱力參數(shù)的體積平均值;N為工件內(nèi)的單元總數(shù);vei為單元i的體積;X'(i)表征單元i內(nèi)的熱力參數(shù)分布均勻程度。

第二步，按下式定義單元i的質(zhì)量損失貢獻因子λi:

在有限元計算的某一加載步，如單元i的熱力參數(shù)值X()i與Xavg相等時，X'(i)=0。此時，質(zhì)量損失貢獻因子λi=0，即對質(zhì)量損失貢獻為0;否則，0＜λi≤1，其大小表示單元i對質(zhì)量損失的貢獻。

第三步，按下式確定單元i的質(zhì)量損失函數(shù)LF()i:

式中K為數(shù)值模擬過程中總的加載步數(shù);Δtk為第k加載步的時間步長;分別為單元i的等效應(yīng)力(MPa)和等效應(yīng)變速率(s－1)。

第四步定義整個工件的損失函數(shù):

式(6)定義的質(zhì)量損失函數(shù)的取值區(qū)間為［0，1］。從式(1)～(5)可以看出，質(zhì)量損失函數(shù)值越小，鍛件的熱力參數(shù)分布均勻性越好，相應(yīng)的組織狀態(tài)分布越均勻。

2 TC11鈦合金整體葉盤鍛造過程數(shù)值模擬

整體葉盤是現(xiàn)代航空發(fā)動機特有的一種先進整體構(gòu)件，一般由葉片和盤體兩大部分構(gòu)成，鍛件型面復(fù)雜，各部位的組織均勻性不易保證。因此，本文以發(fā)動機用TC11鈦合金整體葉盤為典型對象，探索采用質(zhì)量損失函數(shù)方法進行鍛件組織均勻性評價和控制的科學(xué)方法。圖1所示為TC11鈦合金整體葉盤鍛件的外形和截面圖。整體葉盤的鍛造過程在SPKA11200型高能螺旋壓力機上完成，主要鍛造工藝參數(shù)為:始鍛溫度為β轉(zhuǎn)變溫度以下30°C，模具溫度260°C，轉(zhuǎn)運時間20s，共鍛造3火次，每火次打擊5 錘，打擊能級分別為 0.45，0.75，0.75，0.85，0.9。鍛造過程數(shù)值模擬用相關(guān)參數(shù)如下:摩擦因子為0.25，工件與模具之間的換熱系數(shù)為20W·m－2·K－1(錘擊過程)和 2W·m－2·K－1(錘擊間隙)，工件與環(huán)境的換熱系數(shù)為0.018 W·m－2·K－1。

圖1 整體葉盤鍛件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Sketch map of the blisk forging

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖3所示為質(zhì)量損失函數(shù)LF值在鍛件內(nèi)的分布情況。從圖3可以看出，鍛件毛邊、盤體輪轂部位的LF值較大，圖3b中葉片邊緣以及鍛件與下模接觸部位的LF值也較大。整體葉盤鍛件大部分體積內(nèi)的質(zhì)量損失函數(shù)LF值較小(低于0.3)。

據(jù)式(5)和式(6)，LF值不僅取決于鍛件內(nèi)所有質(zhì)點的λ值，還與熱加工歷史有關(guān)。因此，圖4給出了四種情況下鍛造過程中LF值隨加載步數(shù)的變化曲線。從圖可以看出，對于情況1和情況3，質(zhì)量損失函數(shù)LF的值隨著鍛造過程進行逐漸增大，并且第一火中LF值增加幅度大。其原因是，變形前工件內(nèi)的等效應(yīng)變和等效應(yīng)變速率分布是均勻一致的(均為0)，隨著變形過程進行，工件不同部位發(fā)生不同程度的變形，加之隨著鍛造過程的進行，材料流動愈來愈劇烈，使得其等效應(yīng)變和等效應(yīng)變速率的分布均勻性越來越差。對于情況2，在工件變形開始前經(jīng)歷了轉(zhuǎn)運過程，溫度分布均勻性變差，在變形過程中由于變形熱效應(yīng)以及摩擦產(chǎn)生熱量引起某些部位溫度上升，通過熱傳導(dǎo)使鍛件內(nèi)溫度分布均勻性得到一定改善，因而，LF曲線略有下降。而情況4中LF隨加載步數(shù)的變化情況是情況1、情況2和情況3的LF變化的綜合反映。

圖4 鍛造過程中LF隨加載步數(shù)的變化曲線Fig.4 LF value-step curves of the forging process

4 數(shù)值模擬結(jié)果與生產(chǎn)實際數(shù)據(jù)對比

對于TC11鈦合金［12］，當(dāng)變形達到一定程度時(大于50%，或等效應(yīng)變大于0.9左右)，合金進入穩(wěn)態(tài)變形階段時，合金中α晶粒尺寸及其相含量基本保持不變，組織狀態(tài)主要由溫度確定。本工作中四種情況的損失函數(shù)LF分別以ˉε，T，ˉε·和三者的代數(shù)平均做為基本變量，未考慮合金進入穩(wěn)態(tài)變形后TC11鈦合金組織狀態(tài)演化特點。因此，本研究中情況2可用來評價TC11鈦合金的組織均勻性。鍛件經(jīng)熱處理后，按照圖5所示的位置以及距離鍛件邊緣23mm處(考查點No.9)的毛邊部位切取試樣進行金相試驗，以考查鍛件內(nèi)的組織均勻性。圖6給出了四種情況下鍛件本體部位考查點的損失函數(shù)LF值對比情況。從圖可以看出，除情況1外，大部分考查點的LF數(shù)值接近，在0.3～－0.44范圍之內(nèi)，尤其是情況2各點LF值變化較小(參見圖6中的折線)。實際上，對于情況1也只是No.5考查點的 LF 值較大，為0.68(遠高于 0.33 ～0.44)。根據(jù)有限元模擬結(jié)果，No.5考查點的應(yīng)變?yōu)?.28(大于0.9)，該考查點已處于穩(wěn)態(tài)變形階段。

圖5 取樣點位置示意圖Fig.5 Locations of the measured points

圖6 不同考查點處的損失函數(shù)值Fig.6 Values of LF for the measured points

圖7給出了各考察點的微觀組織照片。從圖可以看出，前8個考查點的組織為等軸組織:轉(zhuǎn)變β基體上均勻分布著40% ～50%的等軸α相，且α晶粒大小均勻，平均晶粒尺寸約為15μm。根據(jù) HB 5264—1983中給出的TC11鈦合金顯微組織分類評級圖，此8個考查點均可評定為3級，級差為0，滿足該鍛件的技術(shù)條件要求。毛邊處(No.9)的微觀組織(圖7(i))中α相含量明顯減少，并且出現(xiàn)了少量片狀α相。根據(jù)HB 5264—1983可定為5級，與鍛件本體部位考查點的顯微組織的級差為2級。其原因是，在鍛造過程中該考查點處的變形劇烈，熱效應(yīng)明顯，使得該處實際溫度接近或達到了相變溫度，α相含量減少，形態(tài)也由等軸轉(zhuǎn)變?yōu)殚L條狀。根據(jù)有限元數(shù)值模擬結(jié)果可得到相同的結(jié)論，No.9的LF值較大為0.68(情況2)，說明此部位的微觀組織較鍛件主體的差異大。

圖7 取樣點處的微觀組織Fig.7 Optical micrographs of some measured points (a)No.1;(b)No.2;(c)No.3;(d)No.4;(e)No.5;(f)No.6;(g)No.7;(h)No.8;(i)No.9

5 結(jié)論

(1)基于FEM數(shù)值模擬和Taguchi方法，提出應(yīng)用損失函數(shù)方法對盤件組織均勻性進行評價的方法。對于TC11鈦合金整體葉盤鍛件，應(yīng)用情況2建立的質(zhì)量損失函數(shù)貢獻因子得到的損失函數(shù)的評價結(jié)果與實際生產(chǎn)得到的鍛件內(nèi)組織均勻性一致性好。

(2)對于TC11鈦合金整體葉盤鍛件，當(dāng)質(zhì)量損失函數(shù)值在0.33～0.44范圍內(nèi)時(情況2)，鍛件的組織均勻性能滿足技術(shù)條件要求。

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