某航空發(fā)動機拉桿鍛造工藝研究

文柏衡， 黃艷松， 李建軍， 張 強

（1.海軍駐株洲某軍代室，湖南 株洲412002；2.中航工業(yè)南方公司，湖南 株洲412002）

0 引言

某航空發(fā)動機拉桿是重要的承受力件，材料為TC4特鈦合金，毛坯為鍛造件，屬于Ⅰ類鍛件。該拉桿鍛件驗收技術(shù)條件對內(nèi)部組織、力學性能、無損檢測等要求很高，如疲勞循環(huán)基數(shù)要求大于16000次、超聲波標準孔為0.5 mm。拉桿是一種典型的長軸類鍛件，頭部尺寸大且桿部較長，頭部與桿部的盤軸過渡區(qū)組織保證難度大。加之TC4特鈦合金鍛造變形抗力大、鍛造溫度范圍窄，因此對鍛造工藝的要求很高。為保證鍛件質(zhì)量，選用了3種方案開展工藝試驗，擇優(yōu)選取最佳工藝方案，并通過了試制驗證。

1 工藝分析

該鍛件外形尺寸如圖1所示，總長度266 mm，頭部直徑110 mm、桿部直徑70 mm，在鍛造過程中存在頭部變形大、桿部變形小的問題，過渡區(qū)組織保證難度較大。

該鍛件材料為TC4特鈦合金，鍛造溫度范圍僅80℃左右，為保證鍛件內(nèi)部質(zhì)量，最好采用一火成型。采用自由鍛成型，不管是先鐓頭部再拔桿部，還是先拔桿部再鐓頭部，均需要兩火成型，桿部和頭部都得經(jīng)受一次空火，對鍛件組織不利。采用一模一火成型的方法，嚴格控制頭部鐓粗變形量，能夠更好地保證組織的均勻性，尤其是頭部與桿部過渡區(qū)的組織質(zhì)量。變形抗力大、金屬流動性差是TC4特鈦合金的重要特點，鍛件坯料與模具接觸會導致溫度下降，增加成形難度，因此必須采取相應的預防措施，避免表面未充滿現(xiàn)象的發(fā)生。

圖1 鍛件外形尺寸

2 工藝試驗

2.1 試驗方案

試驗坯料為TC4特鈦合金，相變點溫度為985℃，廠家為寶鋼。

方案1：采用2T自由鍛錘自由鍛成型,下料尺寸為φ100 mm×235 mm，先鐓粗至φ120 mm，再將桿部拔長至φ70 mm，鍛造加熱溫度920℃±10℃，終鍛溫度不低于850℃，2火鍛造成型，坯料成型過程如圖2所示。

方案2：采用4吋臥鍛機2火模鍛成型,選用φ70 mm×378 mm棒料,先鐓頭至φ100 mm×84 mm，再終鍛至尺寸，鍛造加熱溫度920℃±10℃，坯料成型過程如圖3所示。

圖2 方案1鍛件成型過程示意

圖3 方案2鍛件成型過程示意

方案3：采用4吋臥鍛機1火模鍛成型,選用φ70 mm×378 mm棒料,1次鍛至尺寸，鍛造加熱溫度920℃±10℃，坯料成型過程如圖4所示。

圖4 方案3鍛件成型過程示意

2.2 試驗件檢查

采用3種工藝方案各試制1件，鍛后檢查試驗件外觀質(zhì)量，并檢測頭部與桿部過渡區(qū)高低倍組織。外觀檢查發(fā)現(xiàn)采用方案2、方案3鍛造的試件均存在頭部局部未充滿的問題。高低組織檢測表明，3種方案試件流線正常、組織均勻、晶粒度不大于3級，無冶金缺陷滿足相關(guān)標準要求；方案1試件頭部與桿部過渡區(qū)組織初生α相比例35%，符合規(guī)定要求，如圖5所示；方案2、方案3試件頭部與桿部過渡區(qū)組織初生α相比例均為30%，符合規(guī)定要求，如圖6所示。

圖5 方案1試件頭桿部過渡區(qū)組織形貌

圖6 方案2、3試件頭桿部過渡區(qū)組織形貌

2.3 試驗結(jié)果分析

從試驗結(jié)果看，采用鍛造加熱溫度920℃±10℃，3種工藝方案加工的鍛件組織均能滿足要求。方案1采用自由鍛成型,勞動強度大、生產(chǎn)效率低，不適合后續(xù)的批量生產(chǎn)。方案2、方案3鍛造的鍛件表面雖然都存在頭部未充滿的問題，但適合批量生產(chǎn)。與方案2相比,方案3預鍛工步少，生產(chǎn)效率更高,成本更低，在有效解決鍛件表面質(zhì)量問題后，該拉桿鍛件鍛造工藝可采用方案3。

3 改進措施

3.1 減少坯料轉(zhuǎn)移時間

鈦合金的終鍛溫度不宜過低［1］。溫度降低時變形抗力急劇增加，塑性下降，鑄件局部未充滿的現(xiàn)象就容易出現(xiàn)。TC4特鈦合金鍛造溫度為850～930℃，范圍較窄僅80℃，轉(zhuǎn)移過程坯料溫度會有所下降，這樣就會增加變形難度，甚至造成鑄件未充滿現(xiàn)象的發(fā)生。該鑄件坯料為圓形棒材，且重量較大，采用普通鉗子轉(zhuǎn)移操作不便，會導致轉(zhuǎn)移時間過長，增加坯料溫度損失。為降低坯料溫度損失，可以根據(jù)坯料結(jié)構(gòu)設計專用鉗子,如圖7所示，方便操作工人使用，從而減少坯料轉(zhuǎn)移時間。此外，還應要求操作工人將每個坯料的轉(zhuǎn)移時間控制在8 s內(nèi)，最大限度減少轉(zhuǎn)移時間。

圖7 坯料專用轉(zhuǎn)移鉗

3.2 改進模具預熱方法

提高模具的預熱溫度可以提高鈦合金的流動性，降低變形抗力［1］，使坯料變形更加容易，因此無論自由鍛還是模鍛，工具要采用預熱。方案3采用預熱方式是將模具加溫至200℃±50℃，再安裝模具生產(chǎn)，但由于該模具安裝時間較長，模具溫度會下降。為使模具溫度保持在200℃±50℃，可設計專用預熱鐵,如圖8所示，將模具加溫至200℃±50℃再安裝，安裝后采用預熱鐵對模具進行不間斷預熱10 min后再鍛造，這樣就可有效保證模具溫度，減少因坯料表面激冷導致變形困難，有利于保證坯料金屬很好填充模具型槽。

圖8 模具專用預熱鐵

3.3 調(diào)整潤滑劑涂刷方法

鈦合金與工具之間的摩擦因數(shù)比較大，鍛造過程中金屬粘模嚴重［1］，因此必須對模具表面涂玻璃潤滑劑，但潤滑劑用量過大也會導致鑄件個別部位未充滿。原工藝采用刷涂表面潤滑劑的方式，但該方法難以保證潤滑劑涂層的均勻性，涂層厚度小于0.2 mm時起不到有效的潤滑效果，涂層厚度大于0.5 mm時會在模具內(nèi)產(chǎn)生堆積，影響鑄件頭部圓角處的充滿。為使涂層均勻，可改為采用噴槍噴涂潤滑劑，并規(guī)定噴涂前必須將潤滑劑攪拌均勻，避免因沉淀出現(xiàn)不均勻，涂層厚度可控制在0.2～0.5 mm范圍內(nèi)。

4 試制驗證

為驗證上述措施的有效性，在完善方案3后試制4個鑄件，并對所有鑄件質(zhì)量進行全面檢查。檢查結(jié)果表明：鑄件表面均無未充滿的現(xiàn)象，尺寸符合毛坯圖樣要求；鑄件流線正常、組織均勻、無冶金缺陷，滿足相關(guān)冶金文件要求；鑄件室溫拉伸、高溫拉伸、疲勞等力學性能均滿足設計圖樣規(guī)定，鑄件力學性能檢測結(jié)果如表1所示。

5 結(jié)語

經(jīng)工藝試驗和試制驗證，該拉桿鍛件在4吋臥鍛機上進行模鍛，采用始鍛溫度920℃±10℃、終鍛溫度850℃一火成型的工藝可行。TC4特鈦合金存在變形抗力大、鍛造溫度范圍窄等缺點，鍛件容易出現(xiàn)表面局部未充滿的缺陷，可采取減少坯料轉(zhuǎn)移時間、改進模具預熱方式、調(diào)整潤滑劑涂刷方法等措施加以解決。

表1 鑄件力學性能檢測結(jié)果

［1］ 張應龍.鍛造加工技術(shù)［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2008.