高合金葉片出坯與成形關系的研究

文／翟宏，黃貴林，詹輝·中車資陽機車有限公司

高合金系列葉片產品屬于某航空發動機葉片，其性能要求高，鍛造溫度區間狹窄，流動性差，對設備、工藝、工裝都有很大的考驗。目前國內生產葉片廠家較少，主要受設備、技術的約束。本文以我廠開發系列葉片為基礎，重在研究葉片鍛造工序中葉片出坯與最終鍛造成形之間的關系，通過對不同種葉片型號進行研究，分析鍛造成形及缺陷效果，將出坯進行歸納和優化，確定不同型號葉片對應的出坯、簡化，保證質量和生產效率。

我廠開發葉片已有二十余年，開發的葉片種類繁多，技術方面積累了豐富經驗，葉片鍛造工藝路線一般為：下料→出坯→鍛造→拋丸→打磨→熱處理→拋丸。

現狀調查

我廠開發葉片已具備豐厚經驗，但由于產品種類繁多，加之設計人員差異，致使設計的產品在出坯方面差異較大。分析發現，方形坯料在制作時需要考慮葉身厚度變化和偏心，出坯難度大，班組生產效率低。在出坯過程中，方形坯出坯時鍛造分料過程普遍存在折疊、尖角毛刺等缺陷，后工序打磨量大，打磨不徹底時模鍛易產生折疊。且葉片材質多為合金鋼，對溫度要求較高，缺陷如不能在熱處理前消除，熱處理后極易造成缺陷擴展形成裂紋，從而導致鍛件報廢。

分析研究

UG三維建模

由于葉片種類繁多，本次研究選取各系列葉片的代表型號進行研究，通過UG8.0建立模型，分析比對各個葉片的異同，如圖1、圖2、圖3所示。

分析截面

圖1 A型

圖2 B型

圖3 C型

圖4 截面位置選取圖

圖5 截面分析圖

葉片的截面可以直觀反映葉片該位置實際生產所用坯料重量以及出坯時的尺寸大小，以圖1A型代表葉片為例，我們取葉片五個不同位置分析截面變化，選取截面位置如圖4所示，通過對比分析，得到各個位置截面面積如表1所示。

取葉片葉身最大截面/葉片桿身最大截面，得到截面比KA=S葉max/S桿max=20842/6362=3.3。

分析葉片截面面積，選取最大截面位置按分模面法線方向進行縱向切割，如圖5所示：我們可得到，相對于葉片軸線方向，左邊面積S1=9278mm2，右邊面積S2=11558mm2，SA=S1/S2≈1，我們假設得出一個結論，葉片左側厚但是較短，右側雖然薄但是整體較長，整個葉片在鍛造中左右兩區相對應軸線左右對稱。通過數據分析，統一采用圓形坯料出坯進行出坯設計方案是可行的。

出坯設計

將上面所取5個截面對應圓棒料進行截面轉化，得到如表2所示數據。

為保證驗證更接近于真實值，避免測量誤差帶來的額外干擾，我們進行精確細化測量。以葉身70mm為一個測量點，測量葉身不同位置準確截面，繪制坐標系，得到圖6所示數據。

根據對應截面圓直徑，推算出坯尺寸，加上燒損(3%)和飛邊連皮(橋部+1/2倉部)，得到最終出坯圖。當鍛件過大時，為保證出坯件在型腔內易于擺放，可將鍛件出坯完成后在型砧上進行輕擊拍扁，方便擺料。最終成形出坯圖如圖7所示。

表1 葉片截面分析表

圖6 葉片位置-截面直徑對比圖

生產驗證

奧氏體和鐵素體不銹鋼，在加熱和冷卻過程中無相的重結晶轉變，鍛件晶粒度的控制主要取決于始鍛和終鍛溫度，以及終鍛溫度下的變形量的控制，熱處理無法使晶粒細化。奧氏體和馬氏體不銹鋼的鍛造加熱溫度主要受高溫鐵素體(δ鐵素體)形成溫度的限制，當鋼的加熱溫度超過此溫度時，鋼中原有的游離鐵素體（α鋼)的含量就會顯著增多，將由（γ+δ)兩相組成，在α相和γ相的界面上產生鍛造裂紋。

此次選取A型材質為2Cr13，始鍛溫度1150℃，終鍛溫度850℃，鍛造保溫溫度750℃，具體如表3所示。

實物如圖9、圖10所示，經驗證，鍛件充滿情況良好，飛邊勻稱，鍛件所有棱角充滿，無折疊等缺陷產生，達到預期目標。

圖7 出坯示意圖

圖8 鍛造溫度-時間曲線

表2 葉片位置截面直徑表

表3 鍛造溫度-時間表

圖9 A型出坯圖

圖10 A型鍛件

采用同種分析方式，對B型和C型葉片進行分析，得到B型所對應K2=3898/1565=2.5，C型對應K3=5184/642=8.1。

沿分模面法線方向和葉片中心軸線成面進行切割，可得到B型和C型葉片切割后對應所有位置截面之比完全一致，SB=S3/S4=1，SC=S5/S6=1。因此，這兩種葉片均可以采用圓棒坯料進行分料鍛造。

B型和C型葉片的出坯實物如圖11～14所示。

結論

產品經后工序拋丸、打磨、探傷處理，無缺陷產生，相比于方形坯料，圓形坯料出坯效率和鍛件質量均有了明顯提升，效率提升1.8～2倍，解決了方坯易產生夾層、折疊和生產效率低的問題。因此我們可得結論，對于葉身扭度不大的葉片，在鍛造時均可采用圓形出坯方式進行。

圖11 B型出坯

圖12 B型模鍛件

圖13 C型出坯

圖14 C型模鍛件

⑴當葉身和葉頭/榫頭位置截面變化≤1.5時，可采用B型葉片出坯方式進行鍛造。

⑵當葉身和葉頭/榫頭位置截面變化1.5＜S＜3時可采用A型葉片出坯方式進行局部拔長/鐓粗拔長鍛造。

⑶當葉身和葉頭/榫頭位置截面變化S≥3時，可采用C型出坯方式進行鍛造。