大中央件盤件成形

占立水,葉俊青,夏春林,李艷英

(貴州安大航空鍛造有限責任公司， 貴州 安順　561005)

大中央件是球柔性槳轂的核心部件，除了要承受主槳葉和液壓阻尼器傳遞力和力矩外，還需要為主槳彈性軸承和液壓阻尼器提供安裝接口，結構非常復雜[1]。 我國某機槳轂中央件采用高強、高韌、低密度近β型鈦合金制造[2-9]。

由于研制的大中央件TB6鈦合金原始鑄錠中存在大量的粗大不均勻組織，在后續改鍛過程中往往得不到有效改善。棒材低倍組織檢測易呈現出晶粒粗大且不均勻，高倍組織存在大塊或條狀α相等缺陷。如果沒有合理的改鍛工藝，這些組織缺陷將遺留到鍛件中，而且熱處理無法消除，給飛行安全帶來隱患，因此摸索出合適的熱加工工藝參數至關重要。

1　試驗材料和試驗方法

1.1　試驗材料

試驗材料為TB6棒材，其化學成分如表1所示。鑄錠經開坯、鍛造和熱處理，得到的顯微組織為時效β基體+球狀、條狀初生α組織，如圖1所示。

1.2　試驗方法

表1　TB6鈦合金化學成分 (質量分數,%)

2　試驗結果與討論

2.1　超塑性變形試驗

2.1.1細化晶粒

因原材料為鑄錠，故對其進行改鍛，以便獲取細晶組織。通過1 150 ℃、920 ℃ 2火開坯破碎鑄錠粗晶，再通過“低高低”改鍛工藝細化晶粒，核心內容是通過控制加熱溫度控制α相含量及形態，以得到均勻化細晶。“低高低”改鍛中的“高”是指在相變點以上溫度進行改鍛。坯料的前2火兩相區改鍛，可起到均勻組織、破碎晶界的作用，但兩相區變形無法實現坯料的再結晶，其主要作用是使開坯后的組織均勻，但不能達到細化效果。為提供材料再結晶動力，坯料在改鍛后水冷，從而增加坯料內應力，為相變點以上改鍛實現再結晶提供能量。

變形程度的大小影響儲存能的大小，當變形程度不大時，將得到粗大的晶粒[10]。當變形程度大于30%時，鈦合金組織開始明顯細化，在α+β兩相區變形，使針狀、片狀組織轉變為球狀組織，總的變形程度不低于60%。因此在制定工藝時，將每道次的變形程度控制在30%～40%，坯料改鍛細化晶粒后的顯微組織如圖1所示。

2.1.2拉伸試驗

以0.5 mm/s的恒定速度(應變速率1×10-2s-1)，對晶粒細化了的TB6合金試樣(總長度75 mm，有效長度為50 mm的拉伸測試棒)進行高溫拉伸實驗，其結果見圖2。在試驗溫度范圍內，該合金呈現出良好的塑性。隨著溫度的升高，延伸率不斷增大，在750 ℃附近達到最大值， 繼續升高溫度，延伸率不斷下降。

2.1.3應變速率與流動應力的關系

在750 ℃加熱溫度下，試樣以1×100s-1、1×10-1s-1、1×10-2s-1、1×10-3s-1四種應變速率進行壓縮實驗，實測得到了一組流動應力-應變曲線(如圖3所示)。

由圖3可以看出，在同一變形溫度下，流動應力隨應變速率的增大而增大，表明TB6合金是正應變速率敏感材料。應變速率的增加意味著位錯運動速度的加快，必然需要更大的切應力。另外，應變速率增加，無足夠的時間發展軟化過程，這也促使流動應力提高。當應變速率為1×100s-1時，最大流動應力值可達224 MPa,，而當應變速率減小至1×10-3s-1時，最大流動應力僅為59 MPa，相差接近4倍。這主要原因是在壓縮過程中，位錯的增殖隨應變速率的增大而迅速增加，從而使流動應力顯著增加[11]。從圖3可知，TB6合金鍛件成形理想的變形速率區間應小于1×10-3s-1，理想變形速度V=鍛件長度×理想變形速率，中央件坯料高度方向大致為437 mm，因此理想變形速度小于0.437 mm/s，結合我廠液壓機參數以及生產情況，TB6中央件超塑性成形變形速度平均控制在(0.1～0.437)mm/s。

3　工藝試驗研究

利用TB6鈦合金在超塑性狀態下金屬流變應力降低，使鍛造壓力大大降低，從而降低加工設備噸位，實現大中央件成形的目標。鍛造溫度和應變速率均對金屬流動應力影響較大，結合上述試驗結果和我廠生產經驗，坯料和模具需噴涂專用潤滑劑，并將加熱溫度設定為754 ℃，鍛件實物粗加工如圖4所示。鍛件熱處理制度(730～750 ℃)±10 ℃×2 h，WC+ (510 ℃～540 ℃)±5 ℃×8 h，AC。

3.1　理化測試

3.1.1常規力學性能

鍛件力學性能測試結果見表2所示。

表2　常規力學性能

3.1.2高、低倍檢測

鍛件的低倍組織照片如圖5，高倍組織照片如圖6。從低倍組織照片看，鍛件無粗大晶粒和嚴重的亮條亮點、縮孔、氣孔、分層、偏析、裂紋、金屬或非金屬夾雜及其他冶金缺陷，不存在明顯的穿流和嚴重渦流，流線方向沿外形分布。

從高倍組織照片來看，無β斑，不存在連續、平直的晶界α相網絡及粗大的連續的晶界α相組織。坯料由于經過大變形，變形速度慢，再結晶比較充分，鍛件各部位組織均勻，獲得了細小等軸組織，初生α含量20%左右，維持了鍛件較好的綜合力學性能。

3.1.3探傷

探傷設備MarsterScan 700,靈敏度Φ0.8FBH，未見明細的單顯，雜波水平Φ1.2-19 dB～Φ1.2-25 dB(標準要求雜波水平低于Φ1.2-9 dB)。

4　結論

1) TB6合金超塑性變形溫度為750 ℃左右，而且應變速率對該合金流動應力非常敏感，應變速率越大，流動應力越大，因此要實現對晶粒細化的坯料超塑性成形，應選擇較低的應變速率及合適的溫度。

2) 某機大中央件超塑性模鍛成形工藝采用相變點以下30 ℃，應變速率選用低于1×10-3s-1，可將晶粒細化的坯料成形出外觀品質較好、綜合力學性能優良、組織均勻細小的合格鍛件。

參考文獻：

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