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(jī)葉片鍛件，對帶阻尼臺葉片頂鍛制坯和等溫模鍛工藝進(jìn)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(jìn)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(jié)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(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均符合要求，實(shí)際生產(chǎn)與模擬結(jié)果一致。
與傳統(tǒng)航空發(fā)動機(jī)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(jī)的核心部件。帶阻尼臺葉片目前主要采用鍛造成形，但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、截面積變化大導(dǎo)致自由鍛制坯困難；鍛造過程中葉身大變形產(chǎn)生的熱效應(yīng)使葉片局部溫度顯著升高，最終導(dǎo)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(jī)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(qiáng)度和良好的熱強(qiáng)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(jī)的壓氣機(jī)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(jī)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(chǎn)生原因?qū)θ~片毛坯進(jìn)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(jī)葉片。
工藝方案確定
某型號航空發(fā)動機(jī)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(zhuǎn)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(qiáng)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(qiáng)度不低于685MPa，400℃下50h持久強(qiáng)度不低于686MPa。毛坯設(shè)計(jì)是TC6 鈦合金帶阻尼臺葉片鍛造的關(guān)鍵，為保證葉片終鍛成形時金屬的充填效果，設(shè)計(jì)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(xiàng)性能符合XX.JTY-2015 技術(shù)條件要求。TC6 鈦合金經(jīng)870 ℃/1.5h, 爐冷至650℃/2h，AC 熱處理后采用兩次頂鍛制坯，然后進(jìn)行等溫鍛造，具體工藝路線為：原材料領(lǐng)用→車/磨外圓→平端面、倒圓角→檢驗(yàn)→超聲波探傷→加熱→頂鍛→加熱→頂鍛二→表面清理→檢驗(yàn)→打磨→涂潤滑劑→加熱→等溫模鍛→加熱→切邊→表面清理→檢驗(yàn)→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(shè)計(jì)及有限元模型建立
帶阻尼臺葉片模具設(shè)計(jì)如圖3 所示，采用Ⅲ型飛邊槽設(shè)計(jì)，飛邊槽橋部尺寸15mm，倉部尺寸45mm。葉片毛坯劃分網(wǎng)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?yàn)橹攸c(diǎn)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(fù)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(dá)到78.4mm時零件完全成形(圖4 ⑥)。經(jīng)過對榫頭和阻尼臺折疊缺陷成形過程的分析認(rèn)為，形成折疊的主要原因?yàn)椋孩琶鏖绢^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(jìn)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(chǎn)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(yàn)證
TC6 鈦合金帶阻尼臺葉片鍛造過程在1600t 等溫鍛液壓機(jī)上進(jìn)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(nèi)部流線清晰，無明顯缺陷。成形葉片室溫抗拉強(qiáng)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(qiáng)度899MPa，各項(xiàng)理化檢驗(yàn)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。
圖7 葉片金相組織
圖8 帶阻尼臺葉片鍛件截面圖
結(jié)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(shí)際鍛造過程與模擬一致，驗(yàn)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(jī)有限公司
門正興·成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)
劉鑫·航空裝備制造產(chǎn)業(yè)學(xué)院
——文章選自：《鍛造與沖壓》2022年第1期
