发布日期：2025-2-28 16:15:32
1、序言
钛合金同其他金属材料相比，具有密度小、比强度高和耐蚀性良好等优点，在石油化工、汽车工业、轨道交通及医药工程等领域中具有重要的应用价值[1-3]。TC4（Ti-6Al-4V）合金是目前使用最广泛的一种α相＋β相钛合金，含有6%（质量分数）的α相稳定元素Al和4%的β相稳定元素V，具有良好的力学性能和工艺性能[4-6]。
钛合金叶片与传统不锈钢叶片相比，在性能方面能够替代不锈钢叶片，且能够解决不锈钢叶片密度高、工作时离心力大等问题[7]。叶片曲面形状复杂，典型的叶片结构如图1所示。由于叶片成形精度和性能指标要求高，因此对于叶片组织和性能的控制至关重要。本文研究TC4钛合金叶片模锻成形工艺，以期通过合理的锻造工艺得到性能优异的组织结构，满足锻件的使用要求。
2、试验材料与方法
2.1 原材料
本试验用TC4钛合金加工棒材的主要化学成分见表1。从表1可知，其化学成分满足GB/T 3620.1—2016《钛及钛合金牌号和化学成分》的要求。TC4钛合金原始组织如图2所示。由图2可见，原始组织为典型的等轴组织，组织较均匀，主要由初生等轴α相和晶间β相构成。
2.2 试验方法
利用3D制图软件分别对上模、下模和坯料造型，并以st l格式文件导出，再导入到D EF O RM3D软件的前处理界面中进行模拟参数设定，利用DEFORM-3D对叶片模锻过程进行数值模拟。有限元几何模型如图3所示。根据模拟结果选定合适的钛合金叶片锻造工艺并进行生产试制，利用电阻加热炉对模锻后的叶片进行热处理，观察TC4钛合金叶片自由锻坯和模锻后各部位的金相组织。为了检测力学性能的均匀性，在叶片各部位取样进行力学性能试验，综合评价该工艺对叶片产品性能及均匀性的作用。
3、结果与分析
3.1 叶片锻造数值模拟
根据以往项目经验，钛合金叶片采用“自由锻预制坯＋敞开模终成形”锻造完成。
（1）预制坯形状确定 叶片预制坯的形状和尺寸直接影响到锻造工艺的成败，根据产品的结构特征及过往经验，进行了叶片锻件模型典型界面的截取（见图4），从而计算叶片预制坯各截面形状尺寸，设计了预制坯形状（见图5），坯料叶身部分采用矩形，叶根与叶冠按照旋转角度采用扁形。利用DEFORM-3D软件进行有限元分析。根据材料特性，始锻温度设为960℃，将毛坯属性设为塑性体，材料选择钛合金“Ti-6A-4V”，并对其划分有限元网格单元，由于叶片变形量较大，所以坯料的网格划分应以较多为宜，网格数量为100000个。模具设置属性为刚性体，预热温度为400℃，摩擦系数为0.3，上模速度为260mm/s。数值模拟开始时上模与下模的距离D＝206mm，根据飞边桥部厚度为5mm的设计要求，上下模合模后的距离应为15mm，即上模压下量设为191mm。由模拟结果可知，设计的预制坯较为理想，模拟充型情况良好，未出现折叠缺陷。
（2）模拟结果分析 在上述工艺参数下，预制坯模锻模拟结果如图6所示。图6a所示为等效应变场的分布情况，图6b所示为等效应力场的分布情况，图6c所示为锻造模拟过程载荷-行程曲线。在最终成形状态下，叶身处等效应变仿真模拟颜色大部分呈绿色，叶根和叶冠处蓝色居多（见图6a），表明叶身处等效应变整体最大，叶根、叶冠处等效应变较小；且叶身、叶冠和叶根处等效应变都呈现中间部位最小，边缘部位逐渐递增。这是由于等效应变的大小主要与变形量有关，叶根、叶冠变形量较叶身变形量小，以及中间部位比边缘变形量小所致。
由图6b可见，最终状态下，叶身、叶冠和叶根3个部位的等效应力仿真模拟颜色接近，表明等效应力分布较均匀，各部位间变形抗力大致相等。这是因为在变形过程中随着变形量增大，位错密度越大，产生加工硬化，合金变形抗力越高，但同时产生的变形热增大，高温软化和再结晶时金属流动性增强，变形抗力较小，等效应力随之减小，所以叶身、叶冠和叶根之间的等效应力差别不大，整个飞边处变形抗力较大。由图6c可见，最终成形载荷为143×108N，现有设备额定载荷1800×108N可满足成形载荷的需求。
（3）锻造工艺路线 结合锻造数值模拟结果，确定钛合金叶片锻造工艺路线为：原材料复验→加热→自由锻预制坯→加热→模锻成形→热切边→检验、清理→热处理→理化性能→表面质量、尺寸检查→入库。
3.2 生产试验
根据确定的锻造工艺路线进行现场试验验证。
（1）自由锻预制坯 采用空气锤进行自由锻预制坯，始锻温度为960℃。一方面，通过自由锻使圆棒料加工成预制坯尺寸，便于后续终锻成形；另一方面，通过自由锻增大原材料的锻造比，使其获得更好的组织。通过自由锻预制坯的TC4钛合金叶片坯料如图7所示。
（2）模锻成形 采用电动螺旋压力机进行模锻，该工序为叶片锻坯最终成形工序，始锻温度相同，经尺寸检测，叶片锻件满足尺寸要求，外观质量好。
3.3 金相组织分析
（1）自由锻坯金相组织 任意选取一根自由锻预制坯之后的钛合金坯料，分别在叶根、叶身、叶冠处取样进行金相检验。图8所示为自由锻预制坯后TC4钛合金各部位的金相组织。对比原材料金相组织（见图2）可知，经过自由锻出坯后，材料的β相组织形态已发生变化，转变为含等轴初生α相和含针状α相的转变β相组织。对比叶根、叶身和叶冠各部位晶粒大小可知，叶身部位晶粒更为细小，叶根与叶冠部位晶粒相对较大。这是因为自由锻过程中各部位变形程度不同所致，叶身部位变形程度最大，原始晶界更加细化，因此晶粒更加细小。
（2）模锻件金相组织 图9所示为经过模锻成形及热处理后钛合金叶片各部位金相组织。由图9可看出，叶片模锻件各部位组织比较均匀，均为含等轴初生α相和含针状α相的转变β相组织，叶身处由于变形程度较大，因此晶粒最为细小。对比图8可看出，经过模锻后，整个叶片的晶粒更加细小，等轴初生α相的含量较模锻前减少，转变β相组织增多。
这是因为再经过一次模锻加热过程，原始晶界被进一步打碎，在冷却过程中析出的α相可在β相晶界上形核，也可在原来的α相晶界上形核，组织进一步得到细化。
3.4 力学性能试验
模锻叶片性能热处理后各部位的力学性能试验结果及技术要求见表2。由表2可知，整个叶片模锻件各部位力学性能均匀，叶身部位强度略高于叶根和叶冠部位，塑性指标各部位数值基本相同。并且均满足技术条件的要求，说明执行该工艺可以锻造出符合要求的钛合金叶片锻件。
4、结束语
1）仿真数据显示，在最终状态下，叶身处等效应变较大，叶根、叶冠处等效应变较小，叶身、叶冠和叶根的等效应力分布均匀。
2）经自由锻和模锻后，叶身部位组织相比叶根和叶冠处组织晶粒更加细小，这是因叶身部位变形程度较大所致。
3）在该工艺条件下生产的TC4钛合金锻件可获得性能良好的等轴初生α相和含针状α相转变β相的金相组织。
4）该工艺条件下生产的TC4钛合金叶片锻件满足技术条件的要求，且整体力学性能较为均匀，叶身部位强度比叶根和叶冠部位稍高，塑性水平各部位基本相同。
参考文献：
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