TC4 厚壁盤類異形環(huán)鍛件的工藝研究

文／胡寶，牟旭祥，楊家典，羅鴻飛，鄭騰騰，常開富·貴州航宇科技發(fā)展股份有限公司

TC4 鈦合金(名義成分Ti-6Al-4V)屬于α+β型的兩相鈦合金，含有6%α 穩(wěn)定元素Al 和4%β 穩(wěn)定元素V。該合金具有優(yōu)異的綜合性能。在航空航天、船舶、汽車、石油化工等領(lǐng)域，該材料是應(yīng)用最為廣泛的材料之一，占工業(yè)用鈦的60%。

火箭發(fā)動機固定殼體，其所選材料一般為超高強度鋼，該類材料主要有強度高，價格低等優(yōu)點，但由于其密度較大，使得發(fā)動機整體重量較大。近年來，隨著飛行器對高性能、高可靠以及輕量化的不懈追求，越來越多的鈦合金應(yīng)用于機體和發(fā)動機上，鈦合金的應(yīng)用水平在一定程度上代表了航空器的先進性。TC4合金，作為鈦合金中應(yīng)用最廣泛的材料之一，正成為固定殼體的首選材料。固定殼體結(jié)構(gòu)主要為盤類異形環(huán)鍛件，傳統(tǒng)生產(chǎn)方法為矩形環(huán)坯＋掰斜＋胎模成形，生產(chǎn)出的鍛件局部位置帶有折疊、尺寸超差等缺陷，還破壞了鍛件流線完整性，阻礙了火箭發(fā)動機的整體發(fā)展。為擺脫上述不利情況，此次生產(chǎn)的固定殼體鍛件采用矩形環(huán)軋＋胎模聚料＋胎模成形，不僅節(jié)約大量原材料，降低加工工時，還提高了鍛件的均勻性及整體性能水平，為火箭發(fā)動機提供更優(yōu)的鍛件坯料。

鍛件情況

固定殼體鍛件材料為TC4 合金，該合金鍛造變形速率控制不當(dāng)容易造成組織過燒。變形速度過快易造成組織、性能不合格，變形速度過低，變形抗力較大，容易出現(xiàn)無法鍛透的情況。

粗加工鍛件外形尺寸見圖1，如按矩形件投產(chǎn)，鍛件重量為355kg。如按異形件投產(chǎn)，鍛件重143 kg，鍛件減重率達(dá)60%，大大節(jié)約了原材料投料重量，同時節(jié)約機加工時。

圖1 粗加工尺寸

成形工藝分析

技術(shù)難點

⑴矩形坯制坯：鍛件異形程度較高，對矩形坯料的要求也相對較高，由于原材料用料較少，沖孔時采用沖小孔，通過脹孔、馬架、環(huán)軋制成筒形坯料。

⑵鍛件外形為盤類異形環(huán)件，存在不同直徑的大小頭情況，斜段斜度較大，大頭與豎直方向夾角為90°，成形時需將鍛件由豎直方向掰形至水平方向，難度極大。

⑶鍛件大頭下端面存在凸臺，此處堆料較多，如采用單純掰斜+胎模成形將會存在大頭尺寸超差的風(fēng)險，如以大頭尺寸設(shè)計坯料，則會產(chǎn)生小頭嚴(yán)重多肉，無法達(dá)到精化減料的目的。

⑷高筒件坯料提前進行聚料制坯，但在聚料過程中，由于鐓粗高度與鍛件厚度比值高達(dá)3.5，導(dǎo)致聚料后內(nèi)徑產(chǎn)生折疊或內(nèi)徑處發(fā)生彎曲現(xiàn)象，后續(xù)工序掰斜后折疊繼續(xù)產(chǎn)生或加深，最終導(dǎo)致鍛件報廢。

成形方法分析

該鍛件為盤類異形環(huán)件，大頭端面與豎直方向夾角90°，同時，大頭下端存在凸臺，為保證鍛件尺寸合格，性能滿足要求，選擇采用矩形環(huán)坯+胎模聚料+胎模成形。采用異形毛坯生產(chǎn)鍛件，不僅降低鍛件投料重量，減少熱處理厚度，降低鍛件各部位之間性能差異，同時還能有效降低鍛件機加工時間，節(jié)約機加工成本。為了更準(zhǔn)確的把握鍛件在成形過程中溫度、應(yīng)力、應(yīng)變及成形噸位情況，采用計算機數(shù)值模擬軟件DEFORM 對鍛件成形過程進行數(shù)值模擬，降低實際試錯成本。

TC4 合金鍛件加熱溫度較低，盤類件生產(chǎn)過程中，由于模具接觸面積較大，溫度降低迅速，低溫狀態(tài)下材料變形抗力較大，對成形設(shè)備噸位要求較大，通過DEFORM 仿真模擬軟件模擬得出制坯聚料所需最大變形抗力約2000t，鍛件成形所需最大變形抗力約為4980t。根據(jù)模擬結(jié)果并結(jié)合實際生產(chǎn)情況，選擇使用2500t 液壓機進行制坯，使用6300t 液壓機進行胎模成形。

根據(jù)鍛件成形尺寸、異形程度，并結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗，鍛件成形需采用矩形制坯、異形制坯、胎模成形。為保證鍛件最終尺寸、表面狀態(tài)滿足要求，較為關(guān)鍵的工序是異形制坯，即胎模聚料形狀尺寸設(shè)計是否合理。先根據(jù)材料鍛造特性結(jié)合鍛件尺寸計算出胎模制坯尺寸和形狀，再使用DEFORM 軟件驗證設(shè)計的胎模制坯尺寸是否滿足成形需求，并根據(jù)模擬結(jié)果及成形難易程度對坯料尺寸進行優(yōu)化。

在制備胎模聚料毛坯時，坯料制成圓筒形矩形坯料，再使用沖頭掰出一定斜度，最后使用壓環(huán)聚料，生產(chǎn)出大頭帶法蘭的毛坯，由于矩形坯料為高筒件，軋制時易產(chǎn)生橢圓、喇叭口、壁厚差等缺陷，生產(chǎn)操作過程中需要加強過程控制。

鍛件仿真模擬

采用了DEFORM 軟件對鍛件胎模聚料、胎模成形工序進行仿真模擬，通過仿真模擬可以看出鍛件成形最大噸位、填充效果、鍛件溫度場、應(yīng)力場、應(yīng)變場等變化。

胎模聚料鍛件的數(shù)值模擬

對胎模聚料工序進行數(shù)值模擬，模具裝配情況見圖2，聚料外形尺寸見圖3，應(yīng)力場分布見圖4，應(yīng)變場分布見圖5，溫度場分布見圖6，網(wǎng)格畸變結(jié)果見圖7。

圖2 胎模聚料模具裝配情況

圖3 鍛件胎模聚料外形尺寸

圖4 胎模聚料應(yīng)力場分布情況

圖5 胎模聚料應(yīng)變場分布情況

圖6 胎模聚料溫度場分布情況

圖7 胎模聚料網(wǎng)格畸變結(jié)果

⑴從胎模聚料仿真外形尺寸可以看出，鍛件大頭位置填充模具良好，尺寸滿足設(shè)計要求，說明胎模模具設(shè)計及坯料尺寸設(shè)計合理；

(2)從鍛件網(wǎng)格畸變結(jié)果可以看出，鍛件截面網(wǎng)格與鍛件截面輪廓一致，不存在嚴(yán)重畸變區(qū)域，變形均勻。

(3)胎模聚料應(yīng)力場、應(yīng)變場及溫度場分布均勻，能夠獲得組織、性能均勻的鍛件，說明工藝設(shè)計合理。

胎模成形鍛件的數(shù)值模擬

對胎模成形工序進行數(shù)值模擬，模具裝配情況見圖8，胎模成形外形尺寸見圖9，應(yīng)力場分布見圖10，應(yīng)變場分布見圖11，溫度場分布見圖12，網(wǎng)格畸變結(jié)果見圖13。

圖8 胎模成形模具裝配情況

圖9 鍛件胎模成形外形尺寸

圖10 胎模成形應(yīng)力場分布情況

圖11 胎模成形應(yīng)變場分布情況

圖12 胎模成形溫度場分布情況

圖13 胎模成形網(wǎng)格畸變結(jié)果

⑴從胎模成形仿真外形尺寸可以看出，鍛件大頭位置填充模具良好，尺寸滿足鍛件圖要求，僅在大頭外徑處存在少量毛邊，說明胎模模具設(shè)計及工藝設(shè)計合理。

⑵從鍛件網(wǎng)格畸變結(jié)果可以看出，鍛件截面網(wǎng)格與鍛件截面輪廓一致，不存在嚴(yán)重畸變區(qū)域，變形均勻。

⑶胎模成形應(yīng)力場、應(yīng)變場及溫度場分布均勻，能夠獲得組織、性能均勻的鍛件，說明工藝設(shè)計合理。

鍛件工藝方案設(shè)計

根據(jù)鍛件數(shù)值模擬過程，對鍛件成形工藝路線進行設(shè)計，鍛造過程工藝路線為：鐓粗、沖孔＋矩形制坯＋胎模聚料制坯＋胎模成形。

第一步：鐓粗、沖孔。鍛件鐓粗時，需控制鐓粗的變形速度，避免變形過快造成過熱或過燒。鍛件沖孔時，需注意對中，沖孔后需進行滾圓，防止上下端面料不均造成矩形制坯時出現(xiàn)大小頭現(xiàn)象。

第二步：軋制。軋制時，要注意控制軋制速度，軸向軋制量，避免出現(xiàn)軋制速度不當(dāng)帶來橢圓、喇叭口等問題，軸向軋制量過大會導(dǎo)致端面發(fā)白，最終組織不合格，軋制量過小會導(dǎo)致端面圓角填充不滿，造成鍛件尺寸超差。

第三步：胎模聚料。軋制后的坯料為高筒薄壁環(huán)件，取料機夾取時，要防止夾橢、夾傷，坯料放入胎模后，迅速在坯料端面覆蓋一層保溫石棉，再放入壓環(huán)進行聚料，避免溫度過低帶來局部變形死區(qū)，最終產(chǎn)生折疊，同時溫度降低還會增加材料變形抗力，最終導(dǎo)致鍛件填充不滿。

第四步：胎模成形。胎模成形時，需要在坯料端面覆蓋一層保溫石棉，再放入壓環(huán)下壓，同時需控制單火次高度方向變形量以及變形速度，避免因溫度降低帶來局部變形死區(qū)，最終產(chǎn)生折疊。

鍛件試制

試制主要設(shè)備

根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果，選擇2500t 液壓機進行制坯，選擇φ1600mm 環(huán)軋機進行軋制，選擇6300t液壓機進行成形。

試制工藝參數(shù)

鍛造加熱參數(shù)見表1，鍛件熱處理參數(shù)見表2。試制鍛件照片分別見圖14、圖15。

表1 鍛造加熱參數(shù)

表2 鍛件熱處理參數(shù)

圖14 胎模聚料實物

圖15 胎模成形實物

試制結(jié)果分析

按上述工藝方案試制出的鍛件，其外形良好，成形尺寸、實際成形噸位及表面溫度情況與模擬結(jié)果基本一致。為檢查鍛件的均勻性，按圖16 所示位置進行顯微組織和力學(xué)性能檢查，力學(xué)性能檢查結(jié)果見表3，顯微組織檢查結(jié)果分別見圖17 ～圖20。檢查結(jié)果顯示，鍛件室溫抗拉強度在940 ～980 MPa 之間，沖擊在38 ～45J 之間，顯微組織初生α 相含量在35%～50%之間。

表3 鍛件力學(xué)性能檢測結(jié)果

圖16 鍛件顯微組織及力學(xué)性能檢測位置

圖17 位置1、2 顯微組織結(jié)果

圖18 位置3、4 顯微組織結(jié)果

圖19 位置5、6 顯微組織結(jié)果

圖20 位置7、8 顯微組織結(jié)果

結(jié)論

⑴經(jīng)生產(chǎn)實踐驗證，采用矩形環(huán)軋＋胎模聚料＋胎模成形技術(shù)生產(chǎn)的TC4 合金盤類異形環(huán)件，實際成形尺寸、成形噸位、鍛件表面溫度等結(jié)果與模擬過程基本一致，經(jīng)解剖驗證鍛件組織、性能均勻良好。

⑵TC4 合金盤類異形環(huán)件鍛造過程中的關(guān)鍵技術(shù)在于：

①異形坯料的制備，采用胎模聚料制備的異形坯料橢圓度、壁厚差、圓角大小都將直接影響后續(xù)整體胎模成形的效果；

②胎模聚料工序，鐓粗高度與鍛件厚度比值高達(dá)3.5，鐓粗時極易在內(nèi)徑處產(chǎn)生折疊，通過先掰形，后聚料的生產(chǎn)方式，能有效解決該問題；

③該鍛件由于大頭壁厚大，存料多，且大頭直段角度與豎直方向夾角達(dá)90°，采用矩形環(huán)軋＋胎模聚料＋胎模成形的工藝生產(chǎn)，成功解決了鍛件大頭尺寸超差，大頭端面折疊，鍛件腰部折疊等缺陷；

④使用DEFORM 進行成形過程仿真模擬，可以較為真實、有效地反映出鍛件實際生產(chǎn)情況，降低試驗成本，提高效率，減少試驗時間。

⑶與投產(chǎn)矩形鍛件相比，采用胎模成形不僅減少了原材料投入和機加工時，降低了成本，而且避免了厚大矩形環(huán)鍛件熱處理表面、心部性能一致性較低的缺點，鍛件纖維連續(xù)，組織流線沿鍛件最大輪廓分布，從而使盤類異形環(huán)鍛件質(zhì)量得到了提高。