為獲得無缺陷、組織性能合格的TC6 鈦合金帶阻尼臺航空發(fā)動機葉片鍛件，對帶阻尼臺葉片頂鍛制坯和等溫模鍛工藝進行了有限元分析。針對帶阻尼臺葉片鍛造過程中出現(xiàn)的榫頭和阻尼臺折疊缺陷進行了分析，提出了：⑴增大榫頭及阻尼臺過渡圓角；⑵頂鍛制坯+榫頭及阻尼臺自由鍛拍扁工藝+ 等溫模鍛工藝方案。結果表明：優(yōu)化后帶阻尼臺葉片鍛造成形過程無缺陷，成形載荷降低30%，成形后零件各項力學性能指標均符合要求，實際生產與模擬結果一致。
與傳統(tǒng)航空發(fā)動機低壓工作葉片相比，帶阻尼臺葉片具有優(yōu)異抗振性能和高效率，是航空發(fā)動機的核心部件。帶阻尼臺葉片目前主要采用鍛造成形，但其結構較復雜、截面積變化大導致自由鍛制坯困難；鍛造過程中葉身大變形產生的熱效應使葉片局部溫度顯著升高，最終導致葉片局部晶粒長大，因此傳統(tǒng)自由鍛制坯和傳統(tǒng)模鍛方式難以得到少加工余量、組織性能合格的帶阻尼臺葉片，而頂鍛制坯和等溫模鍛是目前航空發(fā)動機低壓帶阻尼臺葉片成形的主要方法。
TC6 鈦合金是一種綜合性能良好的馬氏體型α ＋β 兩相鈦合金，該鈦合金具有較高的室溫強度和良好的熱強性能，以及優(yōu)良的熱加工工藝性能，主要用來制造航空發(fā)動機的壓氣機盤和葉片等零件，能在400℃以下工作6000h 以上和在450℃工作2000h以上。本文以某型航空發(fā)動機低壓帶阻尼臺葉片為主要研究對象，通過分析帶阻尼臺葉片成形鍛造過程及折疊缺陷產生原因對葉片毛坯進行優(yōu)化，得到無缺陷、組織性能合格的TC6 鈦合金帶阻尼臺航空發(fā)動機葉片。
工藝方案確定
某型號航空發(fā)動機TC6 鈦合金帶阻尼臺葉片鍛件如圖1 所示，葉片長度為489mm×170mm，葉型扭轉度為49°，在葉身中間位置盆背均帶阻尼臺。成形葉片要求室溫抗拉強度為1030 ～1230MPa，伸長率不低于8%，斷面收縮率不低于25%，沖擊韌性不低于29.4J/cm2， 400℃高溫拉伸強度不低于685MPa，400℃下50h持久強度不低于686MPa。毛坯設計是TC6 鈦合金帶阻尼臺葉片鍛造的關鍵，為保證葉片終鍛成形時金屬的充填效果，設計毛坯幾何形狀如圖2 所示。在簡化毛坯形狀的同時，盡量與鍛件橫截面積變化趨勢一致。
圖1 帶阻尼臺葉片鍛件示意圖
圖2 葉片鍛件與毛坯截面積對比
TC6 鈦合金原材料為φ60mm 鍛棒，采用三次真空自耗熔煉，各項性能符合XX.JTY-2015 技術條件要求。TC6 鈦合金經870 ℃/1.5h, 爐冷至650℃/2h，AC 熱處理后采用兩次頂鍛制坯，然后進行等溫鍛造，具體工藝路線為：原材料領用→車/磨外圓→平端面、倒圓角→檢驗→超聲波探傷→加熱→頂鍛→加熱→頂鍛二→表面清理→檢驗→打磨→涂潤滑劑→加熱→等溫模鍛→加熱→切邊→表面清理→檢驗→打磨→加熱→校正→熱處理→表面清理→X 射線→終檢→打磨。葉片一次頂鍛加熱溫度(Tβ-40)℃±10℃，一次頂鍛溫度≥800℃，等溫模鍛的加熱溫度為(Tβ-60)℃±10℃，切邊、校正工序的加熱溫度890℃±10℃，切邊、校正終鍛溫度≥800℃。切邊、校正均采用普通模鍛的鍛造工藝。
模具設計及有限元模型建立
帶阻尼臺葉片模具設計如圖3 所示，采用Ⅲ型飛邊槽設計，飛邊槽橋部尺寸15mm，倉部尺寸45mm。葉片毛坯劃分網格100000 個，鍛造溫度900℃，上模速度0.2mm/s，模具與毛坯摩擦系數(shù)0.3。
圖3 帶阻尼臺葉片模具示意圖
鍛造過程模擬及分析
毛坯優(yōu)化前葉片成形過程
圖4 為優(yōu)化前葉片成形過程及載荷，紅框區(qū)域為重點變形區(qū)域，帶阻尼臺葉片鍛造最大行程78.4mm，最大載荷2506 噸。由圖可知，由于葉片毛坯形狀比較復雜，圖4 ①為鍛造初始狀態(tài)，鍛造成形過程前50%行程主要是鍛件的定位過程；在行程為63mm 時(圖4 ②)，葉片榫頭區(qū)域出現(xiàn)折疊；行程為70.7mm 時(圖4 ③)，葉片阻尼臺區(qū)域出現(xiàn)折疊；行程為76mm 時(圖4 ④)，葉片小端及阻尼臺區(qū)域基本成形；行程為76.8mm 時(圖4 ⑤)，葉片榫頭區(qū)域基本成形；葉片大端與榫頭連接處為鍛件最后成形區(qū)域，在行程達到78.4mm時零件完全成形(圖4 ⑥)。經過對榫頭和阻尼臺折疊缺陷成形過程的分析認為，形成折疊的主要原因為：⑴毛坯榫頭及阻尼臺過渡區(qū)域圓角太小；⑵葉片榫頭及阻尼臺區(qū)域金屬流動距離太大。
圖4 優(yōu)化前葉片成形過程及載荷
毛坯優(yōu)化后葉片成形過程
針對帶阻尼臺葉片鍛造過程出現(xiàn)折疊問題，對原始葉片毛坯進行優(yōu)化，⑴增大榫頭及阻尼臺過渡圓角；⑵對葉片毛坯開展葉片頂鍛制坯+榫頭及阻尼臺采用頂鍛模夾扁。圖5 為優(yōu)化后葉片成形過程及載荷，圖5 ①為鍛造初始狀態(tài)，帶阻尼臺葉片鍛造最大行程71.6mm，為優(yōu)化前94%，最大載荷1796 噸，為優(yōu)化前71%，鍛造過程無折疊等缺陷產生。由圖可知，優(yōu)化后阻尼臺葉片鍛造過程發(fā)生了很大變化，在行程為61.2mm 時(圖5 ②)，葉片阻尼臺區(qū)域基本成形；行程為66.8mm 時(圖5 ③)，葉片小端基本成形；行程為69.4mm 時(圖5 ④)葉片榫頭基本成形；行程為71.6mm 時(圖5 ⑤)，零件完全成形，成形后零件飛邊均勻。圖6 為優(yōu)化后葉片橫截面在鍛造過程中流線分布變化過程，由圖可知葉片流線分布較為合理。
圖5 優(yōu)化后葉片成形過程及載荷
圖6 成形過程中帶阻尼臺葉片流線分布
工藝方案驗證
TC6 鈦合金帶阻尼臺葉片鍛造過程在1600t 等溫鍛液壓機上進行，鍛后葉片金相組織如圖7 所示為等軸組織，鍛件截面圖如圖8 所示，葉片內部流線清晰，無明顯缺陷。成形葉片室溫抗拉強度為1193MPa，伸長率12.5%，斷面收縮率42%，沖擊韌性38J/cm2，400℃高溫抗拉強度899MPa，各項理化檢驗指標均符合設計要求。
圖7 葉片金相組織
圖8 帶阻尼臺葉片鍛件截面圖
結束語
采用頂鍛制坯+榫頭及阻尼臺采用頂鍛模具夾扁+等溫模鍛工藝可有效降低帶阻尼臺葉片鍛造成形載荷，消除鍛造過程中可能出現(xiàn)的折疊缺陷，實際鍛造過程與模擬一致，驗證了模擬的可靠性。
文/黃通柱，王瑞林，劉衛(wèi)東·中國航發(fā)成都發(fā)動機有限公司
門正興·成都航空職業(yè)技術學
劉鑫·航空裝備制造產業(yè)學院
——文章選自：《鍛造與沖壓》2022年第1期
