大角度盆狀TC6鈦合金鍛造成形研究

雷臨蘋，馮 剛，陳 明，葉康源，宋登輝，王 健

（1.貴州安大航空鍛造有限責任公司，貴州 安順 561005；2.空軍裝備部駐安順地區軍事代表室，貴州 安順 561008）

0 引言

TC6 合金是高溫鈦合金，在450 ℃以下具有良好的熱強性能，主要用于航空發動機的渦輪盤、葉片和緊固件等，是一種綜合性能良好的馬氏體型αβ兩相鈦合金，其成分為Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si，含有α穩定元素Al，同晶型β穩定元素Mo 和共析型β穩定元素Cr、Fe 和Si。TC6 合金具有較高的室溫強度，比TC4 合金高約85 MPa[1-4]。現以某機型發動機TC6輪轂鍛件為研究對象，介紹了采用“餅坯+胎模鍛造”成形大角度盆形鍛件的新工藝，并對試制鍛件的組織和性能進行了檢測。

1 工藝方案分析

1.1 鍛件工藝

圖1 所示為某機型發動機TC6 輪轂鍛件的粗加工交付的三維結構，最大外徑為φ902 mm，高度達到243.5 mm，且內外徑軸向角度較大，達到34°，最小壁厚僅22 mm，屬于大中型異形盆形鍛件。

圖1 粗加工交付鍛件

1.2 工藝方案

常規的盆形鍛件成形方案為“多火次預軋+終軋”，存在加熱火次多、成形難度大、設備要求高、原材料消耗大、浪費產能等缺點。

現采用“餅坯+胎模鍛造”的近凈成形方案制備大角度TC6合金盆形鍛件，具體工藝流程：將棒材經鐓粗、機加工后制得中間坯，后采用Tβ-(30～50）℃兩相區加熱，達到成形溫度后將坯料放入模具中進行胎模成形，直至坯料與胎模完全貼模。經雙重退火熱處理后對鍛件進行全面組織性能測試。圖2所示為鍛件模擬成形結果，鍛件各部位成形均勻。

1.3 原材料

選用φ300 mm 的TC6 合金作為鍛件原材料，化學成分如表1 所示，經金相法檢測其β相轉變溫度為972 ℃。圖3 所示為鍛件原材料高低倍組織，由圖3可見，低倍組織未見缺陷及清晰晶，高倍為兩相區加工均勻組織。

表1 TC6合金主要化學成分 質量分數

圖3 原材料高低倍組織檢驗結果

2 結果與分析

2.1 鍛件試制生產

根據以上工藝方案對輪轂鍛件進行試生產，圖4所示為餅坯機加后的中間坯實物，圖5所示為鍛件最終成形實物，鍛件表面成形質量良好，無折疊、開裂等缺陷，尺寸滿足圖紙要求。

圖4 中間坯實物

圖5 成形后鍛件實物

2.2 理化性能

鍛件經雙重退火（第1 次退火：（885±10）℃×150 min，空冷；第2次退火：（570±10）℃×150 min，空冷）后進行全面組織性能解剖分析，測試項目包括最大截面低倍及高倍組織、室溫拉伸、氫含量、室溫沖擊和硬度。

圖6 所示為鍛件高低倍組織檢測結果，由圖6（a）可見，鍛件內部未見缺陷及清晰晶，流線沿鍛件外形分布，無穿流和渦流。由圖6（b）可見，高倍組織為典型的等軸組織，β相基體均勻分布初生α相，初生α相含量約為40%，晶粒細小且均勻。

圖6 高低倍組織檢驗結果

2.3 力學性能測試結果

對鍛件進行全面性能（含硬度、室溫拉伸性能、沖擊韌性、斷裂韌性）測試，取樣位置如圖7 所示。表2、表3所示為性能測試結果。輪轂鍛件室溫拉伸性能、斷裂韌性、硬度和沖擊性能均滿足指標要求，且有一定富余量。

表2 室溫拉伸性能測試結果

表3 斷裂韌性與硬度及沖擊韌性測試結果

圖7 性能取樣示意圖

理化結果合格后，對鍛件進行粗加工，粗加工實物如圖8所示，表面未見宏觀缺陷。

圖8 鍛件粗加工

經生產試制，鍛件表面成形質量良好，理化檢測結果均符合相關標準要求，鍛件可入庫交付。

3 結束語

在現有設備能力的基礎上，設計了大角度TC6盆形鍛件的成形工藝，進行生產試制后得出以下結論。

（1）對于大角度盆形鍛件采用“餅坯+胎模成形”的近凈成形方案進行成形，可獲得流線及組織性能良好的鍛件，并大幅提高材料利用率，降低生產成本。

（2）采用胎模成形大型盆形鍛件既能保證產品質量又能節約生產成本，還能充分挖掘設備生產能力，創造更好的經濟效益，開辟了TC6 大型盆形鍛件的生產新模式，對類似產品成形有一定的指導作用。