發布日期：2025-2-28 16:15:32
1、序言
鈦合金同其他金屬材料相比，具有密度小、比強度高和耐蝕性良好等優點，在石油化工、汽車工業、軌道交通及醫藥工程等領域中具有重要的應用價值[1-3]。TC4（Ti-6Al-4V）合金是目前使用最廣泛的一種α相＋β相鈦合金，含有6%（質量分數）的α相穩定元素Al和4%的β相穩定元素V，具有良好的力學性能和工藝性能[4-6]。
鈦合金葉片與傳統不銹鋼葉片相比，在性能方面能夠替代不銹鋼葉片，且能夠解決不銹鋼葉片密度高、工作時離心力大等問題[7]。葉片曲面形狀復雜，典型的葉片結構如圖1所示。由于葉片成形精度和性能指標要求高，因此對于葉片組織和性能的控制至關重要。本文研究TC4鈦合金葉片模鍛成形工藝，以期通過合理的鍛造工藝得到性能優異的組織結構，滿足鍛件的使用要求。
2、試驗材料與方法
2.1 原材料
本試驗用TC4鈦合金加工棒材的主要化學成分見表1。從表1可知，其化學成分滿足GB/T 3620.1—2016《鈦及鈦合金牌號和化學成分》的要求。TC4鈦合金原始組織如圖2所示。由圖2可見，原始組織為典型的等軸組織，組織較均勻，主要由初生等軸α相和晶間β相構成。
2.2 試驗方法
利用3D制圖軟件分別對上模、下模和坯料造型，并以st l格式文件導出，再導入到D EF O RM3D軟件的前處理界面中進行模擬參數設定，利用DEFORM-3D對葉片模鍛過程進行數值模擬。有限元幾何模型如圖3所示。根據模擬結果選定合適的鈦合金葉片鍛造工藝并進行生產試制，利用電阻加熱爐對模鍛后的葉片進行熱處理，觀察TC4鈦合金葉片自由鍛坯和模鍛后各部位的金相組織。為了檢測力學性能的均勻性，在葉片各部位取樣進行力學性能試驗，綜合評價該工藝對葉片產品性能及均勻性的作用。
3、結果與分析
3.1 葉片鍛造數值模擬
根據以往項目經驗，鈦合金葉片采用“自由鍛預制坯＋敞開模終成形”鍛造完成。
（1）預制坯形狀確定 葉片預制坯的形狀和尺寸直接影響到鍛造工藝的成敗，根據產品的結構特征及過往經驗，進行了葉片鍛件模型典型界面的截取（見圖4），從而計算葉片預制坯各截面形狀尺寸，設計了預制坯形狀（見圖5），坯料葉身部分采用矩形，葉根與葉冠按照旋轉角度采用扁形。利用DEFORM-3D軟件進行有限元分析。根據材料特性，始鍛溫度設為960℃，將毛坯屬性設為塑性體，材料選擇鈦合金“Ti-6A-4V”，并對其劃分有限元網格單元，由于葉片變形量較大，所以坯料的網格劃分應以較多為宜，網格數量為100000個。模具設置屬性為剛性體，預熱溫度為400℃，摩擦系數為0.3，上模速度為260mm/s。數值模擬開始時上模與下模的距離D＝206mm，根據飛邊橋部厚度為5mm的設計要求，上下模合模后的距離應為15mm，即上模壓下量設為191mm。由模擬結果可知，設計的預制坯較為理想，模擬充型情況良好，未出現折疊缺陷。
（2）模擬結果分析 在上述工藝參數下，預制坯模鍛模擬結果如圖6所示。圖6a所示為等效應變場的分布情況，圖6b所示為等效應力場的分布情況，圖6c所示為鍛造模擬過程載荷-行程曲線。在最終成形狀態下，葉身處等效應變仿真模擬顏色大部分呈綠色，葉根和葉冠處藍色居多（見圖6a），表明葉身處等效應變整體最大，葉根、葉冠處等效應變較小；且葉身、葉冠和葉根處等效應變都呈現中間部位最小，邊緣部位逐漸遞增。這是由于等效應變的大小主要與變形量有關，葉根、葉冠變形量較葉身變形量小，以及中間部位比邊緣變形量小所致。
由圖6b可見，最終狀態下，葉身、葉冠和葉根3個部位的等效應力仿真模擬顏色接近，表明等效應力分布較均勻，各部位間變形抗力大致相等。這是因為在變形過程中隨著變形量增大，位錯密度越大，產生加工硬化，合金變形抗力越高，但同時產生的變形熱增大，高溫軟化和再結晶時金屬流動性增強，變形抗力較小，等效應力隨之減小，所以葉身、葉冠和葉根之間的等效應力差別不大，整個飛邊處變形抗力較大。由圖6c可見，最終成形載荷為143×108N，現有設備額定載荷1800×108N可滿足成形載荷的需求。
（3）鍛造工藝路線 結合鍛造數值模擬結果，確定鈦合金葉片鍛造工藝路線為：原材料復驗→加熱→自由鍛預制坯→加熱→模鍛成形→熱切邊→檢驗、清理→熱處理→理化性能→表面質量、尺寸檢查→入庫。
3.2 生產試驗
根據確定的鍛造工藝路線進行現場試驗驗證。
（1）自由鍛預制坯 采用空氣錘進行自由鍛預制坯，始鍛溫度為960℃。一方面，通過自由鍛使圓棒料加工成預制坯尺寸，便于后續終鍛成形；另一方面，通過自由鍛增大原材料的鍛造比，使其獲得更好的組織。通過自由鍛預制坯的TC4鈦合金葉片坯料如圖7所示。
（2）模鍛成形 采用電動螺旋壓力機進行模鍛，該工序為葉片鍛坯最終成形工序，始鍛溫度相同，經尺寸檢測，葉片鍛件滿足尺寸要求，外觀質量好。
3.3 金相組織分析
（1）自由鍛坯金相組織 任意選取一根自由鍛預制坯之后的鈦合金坯料，分別在葉根、葉身、葉冠處取樣進行金相檢驗。圖8所示為自由鍛預制坯后TC4鈦合金各部位的金相組織。對比原材料金相組織（見圖2）可知，經過自由鍛出坯后，材料的β相組織形態已發生變化，轉變為含等軸初生α相和含針狀α相的轉變β相組織。對比葉根、葉身和葉冠各部位晶粒大小可知，葉身部位晶粒更為細小，葉根與葉冠部位晶粒相對較大。這是因為自由鍛過程中各部位變形程度不同所致，葉身部位變形程度最大，原始晶界更加細化，因此晶粒更加細小。
（2）模鍛件金相組織 圖9所示為經過模鍛成形及熱處理后鈦合金葉片各部位金相組織。由圖9可看出，葉片模鍛件各部位組織比較均勻，均為含等軸初生α相和含針狀α相的轉變β相組織，葉身處由于變形程度較大，因此晶粒最為細小。對比圖8可看出，經過模鍛后，整個葉片的晶粒更加細小，等軸初生α相的含量較模鍛前減少，轉變β相組織增多。
這是因為再經過一次模鍛加熱過程，原始晶界被進一步打碎，在冷卻過程中析出的α相可在β相晶界上形核，也可在原來的α相晶界上形核，組織進一步得到細化。
3.4 力學性能試驗
模鍛葉片性能熱處理后各部位的力學性能試驗結果及技術要求見表2。由表2可知，整個葉片模鍛件各部位力學性能均勻，葉身部位強度略高于葉根和葉冠部位，塑性指標各部位數值基本相同。并且均滿足技術條件的要求，說明執行該工藝可以鍛造出符合要求的鈦合金葉片鍛件。
4、結束語
1）仿真數據顯示，在最終狀態下，葉身處等效應變較大，葉根、葉冠處等效應變較小，葉身、葉冠和葉根的等效應力分布均勻。
2）經自由鍛和模鍛后，葉身部位組織相比葉根和葉冠處組織晶粒更加細小，這是因葉身部位變形程度較大所致。
3）在該工藝條件下生產的TC4鈦合金鍛件可獲得性能良好的等軸初生α相和含針狀α相轉變β相的金相組織。
4）該工藝條件下生產的TC4鈦合金葉片鍛件滿足技術條件的要求，且整體力學性能較為均勻，葉身部位強度比葉根和葉冠部位稍高，塑性水平各部位基本相同。
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