PH13-8Mo 鋼異形模鍛件鍛造工藝設計及組織演變規律

文/李偉，楊大偉，林鶯鶯，林海·中國航發北京航空材料研究院

精密鍛造具有生產效率高、成形質量好、產品一致性高等優點，特別是對于非加工的表面或者異形構件，采用精密鍛造不僅能夠滿足其非加工要求，同時可極大地減少機械加工量。結合PH13-8Mo 鍛件的設計形狀以及性能要求，優化成形過程中制坯流程；采用有限元分析方法對制坯形狀進行優化，最終完成鍛件的優質高效成形。

PH13-8Mo 馬氏體沉淀強化不銹鋼以其超高的強度、優良的抗沖擊腐蝕性能、較好的斷裂韌性、焊接性以及易加工性能，在航空航天領域得到了廣泛的關注。但由于其價格昂貴和硬度高，采用傳統的機械加工方式生產的PH13-8Mo 零件，不僅大幅度提高了零件的制造成本，同時也增加了其制造周期。

本文介紹了一種PH13-8Mo 鋼異形模鍛件控形控性一體化成形技術，采用預制坯+鍛造方法完成最終鍛件成形，利用有限元計算軟件對制坯的形狀和尺寸進行優化，然后對最終鍛件進行組織和性能評價，為異形PH13-8Mo 鍛件制坯+鍛造成形提供理論依據。

鍛件及模具設計

本文中試制的PH13-8Mo 鍛件如圖1 所示。鍛件分為上下結構，鍛件上部為帶有“T”字形加強筋結構，下部為整體長方體。鍛件總高度為125mm，下部長方體高度為82mm，寬度僅為24mm；鍛件最大長度為193mm，最大寬度為131mm。設計單邊余量3mm，上部斜度為5°，下部斜度為7°，未注明倒角為R3mm。

有限元數值模擬計算邊界參數設置

根據設計要求，確定有限元模擬計算過程邊界參數如表1 所示。

表1 模擬基本參數

有限元數值模擬計算結果

PH13-8Mo 鍛件有限元數值模擬過程如圖2、圖3 所示，分別采用圓柱形坯料以及預制坯形狀坯料進行有限元模擬。

如上述有限元計算結果，直接用圓柱形棒料成形，鍛件毛邊完全形成后，鍛件上部成形完整，鍛件下部分長方體頂角處仍然未充滿，圖2 中紅圈部分存在缺肉缺陷。如果繼續增大壓力，不僅對鍛件成形模具形成巨大沖擊力，造成模具損壞，同時也增加壓力機悶車的風險。而采用預制坯后，在上部分充型完整時，下部也充型完整，整體鍛件質量較好，故采用預制坯+模鍛方式制造。

預制坯方案設計

根據上述有限元結果，鍛件采用預制坯+模鍛方式完成最終成形，而模鍛過程中因模具型腔限制，變形量比較固定，對最終鍛件的組織以及性能無太大影響。故對成形鍛件影響比較大的過程在于預制坯制造環節。圖4 為不同溫度下采用圓棒直接鍛造制坯組織變化。

經1100℃自由鍛制坯后的晶粒度為3 ～4 級；1050℃制坯后的組織為4 ～5 級；1020℃制坯后的晶粒度為5 ～6 級。為滿足晶粒度不粗于5 級的要求，選擇制坯溫度不大于1020℃。但是從圖4也可以看到，經過1020℃制坯后，晶粒度接近5 級，在后續的模鍛過程中，極易因鍛造變形量不夠，造成晶粒長大后粗于5 級。

圖5 顯示不同制坯方式下的組織變化。在制坯的工藝指導下，不僅考慮制坯工序的組織變化，同時也為后續的模鍛組織和性能準備，在直接制坯的基礎上，改進了制坯工藝，先鐓拔一次后，再進行制坯。

從圖5 中可以看到，原始材料的晶粒度約為7 ～8級，1020 ℃直接制坯后，晶粒度約為5 ～6 級，1020℃鐓拔一次后制坯，晶粒度約為7 ～8 級，接近原始材料的晶粒度，組織明顯好于直接制坯。

工藝方案驗證

按照上述工藝方案，采用鐓拔+制坯+模鍛工藝，生產的鍛件如圖6 所示。從圖中可以看到，采用預制坯成形的鍛件充填非常完好，證明了有限元計算軟件的可靠性。

圖7 為鍛件的晶粒度照片，從圖中可以看到鍛件的晶粒比較均勻，晶粒度約為6 ～7 級。

結論

⑴PH13-8Mo 異形鍛件的成形選擇鐓拔+制坯+模鍛成形，為滿足晶粒度不粗于5 級要求，制坯及鍛造溫度選擇1020℃。

⑵制坯過程中應先鐓拔一次后，再進行制坯。

⑶對PH13-8Mo 鍛件進行了有限元數值模擬分析，其結果與鍛造結果一致，驗證了鍛造全流程模擬的可靠性。