TC25鈦合金機匣優化鍛造工藝研究

謝永富，葛 波，呂日紅，蘇春民，張小梅

(1.貴州安大航空鍛造有限責任公司， 貴州 安順 561005； 2.貴州黎陽航空動力有限公司， 貴陽 550014)

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【機械制造與檢測技術】

TC25鈦合金機匣優化鍛造工藝研究

謝永富1，葛 波1，呂日紅2，蘇春民1，張小梅1

(1.貴州安大航空鍛造有限責任公司， 貴州 安順 561005； 2.貴州黎陽航空動力有限公司， 貴陽 550014)

針對TC25鈦合金機匣類薄壁零件在加工和使用過程中容易變形，通過對TC25鈦合金某鍛件進行鍛造、熱處理等工藝參數優化的技術研究，對比分析原工藝和優化工藝對鍛件產品組織、性能、殘余應力等方面的影響，優化工藝生產鍛件的組織均勻性和應力均勻性，工藝優化效果明顯，基本實現了殘余應力和組織狀態有效管理。

TC25鈦合金；殘余應力；工藝參數；均勻性

TC25鈦合金是前蘇聯研制的α+β型兩相鈦合金，屬于Ti-Al-Zr-Sn-Mo-W系合金，綜合性能優良，而且兼有高熱強性和熱穩定性。研究表明，TC25鈦合金零件在500℃以下可工作6 000 h，在550℃左右也可工作3 000 h；該合金加工性能良好，被廣泛應用于航空發動機關鍵零件[1-3]。

航空發動機用機匣類鍛件多為關重件，其品質關系到發動機工作的安全性和可靠性[4-7]。驗證機階段所制造的大型機匣類鍛件的組織和性能雖然能滿足相關技術要求，但由于此類機匣鍛件加工出的零件具有薄壁、形狀結構復雜、加工余量大、剛性低、精度要求高等特點，在制造和使用過程中易產生變形，從而降低了發動機的可靠性[8]。

為解決TC25合金薄壁類零件存在的品質問題，實現TC25鈦合金薄壁類零件的冶金品質穩定，提高組織均勻。需對TC25鈦合金鍛件進行鍛造、熱處理等工藝參數研究，對工藝進行優化、細化[9-10]。優化工藝，可提高鍛件冶金品質。細化工藝，可提高工藝的操作性和可控性，減少人為及其它影響鍛件變形的不利因素，提高產品品質穩定性與批次一致性。

1 實驗思路

要解決TC25合金機匣類薄壁零件在整個加工過程中容易產生變形的問題，首先要實現TC25合金薄壁類零件的冶金品質穩定，即鍛件的組織、性能、應力狀態等均需盡量均勻。本文思路為采用優化、細化工藝生產環件，研究優化、細化工藝對環件尺寸精度的影響，對比分析環件優化、精化工藝與原軋制工藝對環件組織性能的影響。

2 工藝優化

2.1 優化原則

從原材料、加熱、鍛造、熱處理等全過程進行分析，對工藝進行優化、細化，遵循主導工藝不變，采用脹形新技術。

2.2 工藝改進措施

要實現TC25鈦合金薄壁類零件的冶金品質穩定，需提高鍛件冶金品質，保證組織均勻性，提高工藝的操作性和可控性，減少人為及其它影響鍛件變形的不利因素，提高產品品質穩定性與批次一致性。

根據我公司生產實際，相對于輾軋工藝，輾軋+脹形組合工藝有以下優點：① 有效消除橢圓、喇叭口等成形缺陷；② 提高環件成形后尺寸精度，降低材耗；③ 環件周向應力趨于一致；④ 提高產品品質穩定性。我公司對原工藝存在的一些問題進行了改進和優化(具體情況見表1)。

表1 工藝改進措施

3 鍛件生產

采用原工藝和優化工藝各生產1件TC25鈦合金某機匣鍛件。

原工藝主要生產工序為下料→加熱→鐓粗→加熱→沖孔、脹孔→加熱→終軋→熱處理→機加→探傷→理化測試。

優化工藝主要生產工序為下料→加熱→鐓粗、沖孔→加熱→預軋→加熱→終軋→加熱→脹形→熱處理→機加→探傷→理化測試。

4 鍛件理化分析

對鍛件進行理化測試后，分析原工藝和優化工藝對鍛件產品組織、性能、殘余應力等方面的影響。

熱處理后，檢驗鍛件兩端面周向均布4點位置的硬度值，結果如表2所示。相對于原工藝，優化工藝兩端面硬度值差值小，硬度分布均勻。

表2 鍛件工藝優化前后硬度對比

鍛件按圖1要求取樣，進行理化測試。

原工藝鍛件低倍未見缺陷及清晰晶，符合技術要求4級，如圖2所示；優化工藝鍛件低倍未見缺陷及清晰晶，符合技術要求3級，如圖3所示。原工藝鍛件高倍組織為兩相區加工組織，組織形態符合技術條件要求2級，如圖4所示；優化工藝鍛件高倍組織為兩相區加工組織，組織形態符合技術條件要求2級，如圖5所示。

圖1 鍛件理化取樣位置圖

圖2 原工藝低倍照片

圖3 優化工藝低倍照片

圖4 原工藝高倍照片

圖5 優化工藝高倍照片

原工藝與優化工藝常溫力學性能、高溫力學性能、熱穩定性對比分別如表3、表4、表5。此外優化前后的鍛件500℃、550℃高溫持久性能皆合格。

表3 鍛件工藝優化前后常溫力學性能

表4 鍛件工藝優化前后高溫力學性能

表5 鍛件工藝優化前后熱穩定性

綜上可知，相對于原工藝，優化工藝低倍組織更細，優化工藝高倍組織初生α相等軸化程度更高，且組織分布均勻；常溫力學性能、高溫力學性能、熱穩定性提高、塑性下降。高溫瞬時強度，原工藝不合格，優化工藝強度合格。優化工藝鍛件各位置的各項性能差值較小，分布均勻。

5 殘余應力測試分析

將鍛件按小孔法進行殘余應力測試，分別測試鍛件上下端面和內環面各8個點，上下端面和內環面的各個點一一對應，點與點之間的角度為45°，8點位置平均分布。測試點分布如圖6。

經檢測，鍛件工藝優化前后殘余應力如表6、表7、表8所示。工藝優化后，優化鍛件內環面、外端面1、外端面2殘余應力均值皆小于原工藝鍛件，優化工藝鍛件內環面、外端面1殘余應力極差皆小于原工藝鍛件，優化工藝鍛件外端面2殘余應力極差稍大于原工藝鍛件。綜上所述，工藝優化后，鍛件各處殘余應力值均小于原工藝，分布更加均勻。

圖6 測試點分布圖

內環面測點12345678平均值最大差值徑向殘余應力/MPa原工藝-78．2-106．2-63．1-137．9-113．5-139．6-99．8-155．7-111．8-92．6優化工藝-117．0-109．0-87．2-93．0-129．0-144．7-101．5-124．8-113．3-57．5周向殘余應力/MPa原工藝-70．1-71．3-21．2-120．2-152．6-117．1-98．1-141．5-99．1-131．4優化工藝-94．0-74．3-73．0-82．3-120．0-91．3-100．8-100．8-92．0-47．0

表7 鍛件外端面1工藝優化前后殘余應力對比

表8 鍛件外端面2工藝優化前后殘余應力對比

6 結論

1) 采用優化工藝生產的TC25鈦合金某機匣鍛件，力學性能、高低倍組織檢測，指標均符合技術條件。

2) 采用優化工藝生產的鍛件的殘余應力大小和均勻性皆取得了明顯提高，優化工藝效果明顯，基本實現了殘余應力和組織狀態有效管理。

[1] 權亞平，劉建科，董潔.航空用BT25鈦合金環材的工藝探索[J].金屬世界，2014(3)：51．

[2] 俞曉博.BT25鈦合金顯微組織對力學性能的影響[D].貴陽：貴州大學，2016.

[3] 鄒武裝.鈦手冊[M].北京：化學工業出版社，2012.

[4] 李山.數字化條件下航空發動機前機匣加工工藝優化研究[D].西安：西北工業大學，2003.

[5] 《透平機械現代制造技術叢書》編委會.機匣制造技術[M].北京：科學出版社，2002.

[6] 馮國袖.航空發動機機匣高效加工工藝研究與實踐[D].武漢：華中科技大學，2015.

[7] 王麗花，李冬梅，周鑫.渦輪后機匣加工工藝優化[J].中國新技術新產品，2016(22):68-69.

[8] 李國明.航空發動機機匣數控加工工藝研究[D].大連理工大學，2012.

[9] 郭鴻鎮，姚澤坤.合金鋼與有色金屬鍛造[M].西安：西北工業大學出版社，1999.

[10]張志文.鍛造工藝學[M].北京：機械工業出版社，1985.

(責任編輯 唐定國)

Research on TC25 Titanium Alloy Forging Process Optimization

XIE Yong-fu1， GE Bo1， LYU Ri-hong2, SU Chun-ming1， ZHANG Xiao-mei1

(1.Avic Guizhou Anda Aviation Forging Co.,Ltd., Anshun 561005, China; 2.Guizhou Liyang Aviation Power Co.,Ltd., Guiyang 550014, China)

This thesis covers optimization of process parameters such as forging and heat treatment for TC25 titanium alloy case with thin wall, which deforms easily during processing and service. Also, original process and optimized one are compared for effect on structure, properties, and residual stress of forging product. After optimized, uniformity of structure, stress of forgings and the effect of optimization is significant; residual stress and structure can also be controlled effectively.

TC25 titanium alloy； residual stress； process parameter； uniformity

2017-02-20；

2017-04-10

謝永富(1968—)，男，高級工程師，主要從事材料加工研究。

葛波(1988—)，男，工程師，主要從事鍛造熱處理研究。

10.11809/scbgxb2017.06.027

format:XIE Yong-fu， GE Bo， LYU Ri-hong, et al.Research on TC25 Titanium Alloy Forging Process Optimization[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(6):121-124.

TG306

A

2096-2304(2017)06-0121-04

本文引用格式：謝永富，葛波，呂日紅，等.TC25鈦合金機匣優化鍛造工藝研究[J].兵器裝備工程學報，2017(6):121-124.