钛合金结合环锻件模锻工艺研究

钛合金结合环锻件模锻工艺研究

丁明明

中国航发哈尔滨东安发动机有限公司黑龙江省哈尔滨市150066

摘要：钛合金较其他金属结构材料相比，具有三个显著的优点：比强度高、中温性能好和耐腐蚀。在室温下，钛合金的比拉伸强度为高强钢的1.26倍，为高强铝合金的1.38倍。在400~550℃的温度范围内，钛合金的比持久强度，比蠕变强度和比疲劳强度，都明显地优于耐热不锈钢。

关键词：钛合金；模锻；TC6

1.概述

钛有许多明显优越的特性：密度小、熔点高、耐腐蚀性强、比强度高、塑性好等，Ti的膨胀系数远小于Te、Ni、Al等，Ti的热导率也显著低于Te、Ni、Al，约为Te、Ni的1/4，Al的1/11。还可以通过合金化及热处理办法制造出力学性能高的各种合金[1]。

与其他金属材料，如钢、铝和高温合金相比，钛合金具有比强度高、中文强度号和耐腐蚀等显著优点，同时也具有化学活性高，锻造变形抗力大，锻造温度范围窄，冷作硬化倾向明显等不利于锻件成形的特点[2]。

在钛合金锻件的锻造中，金属的变形抗力比钢锻件要大很多，锻造过程中金属流动性较一般结构钢差很多，在锻件充满模具型腔时会十分困难。通常相同尺寸的锻件需要选择大一倍甚至更高能量的设备进行锻造，否则锻件容易出现在边角处金属充不满，锻件整体厚度尺寸却严重超正差的现象。

锻件边角位置充不满造成锻件在机械加工时没有足够的机加余量，在最终零件上残留黑皮而导致零件报废；而锻件厚度尺寸超正差会导致锻件不符合毛坯图尺寸要求，增大后续机加车间的加工余量，降低机加工序的生产效率[3]。

2.结合环锻件工艺试造

图1结合环锻件毛坯图

根据经验，将结合环零件图的尺寸加上机加余量后，设计出结合环锻件图，如下图1所示。

在锻件试造过程中，采用先在自由锻锤上生产预制坯荒形，然后再放在模锻锤上进行最终锻造成形。

2.1、预制坯荒形锻造工艺

坯料的下料规格为Ф65×230，在自由锻锤上将坯料先进行镦粗，镦粗高度约为180mm，后将坯料横躺进行拍扁，外轮廓尺寸如图2所示，厚度为25mm。

图2结合环锻件预制坯荒形图

2.2、最终成形的模锻工艺

模锻的具体工艺为：采用箱式电阻炉进行加热，加热温度（930±15）℃，保温60分钟出炉锻造；锻模在生产前用电炉进行预热，预热温度为350℃～400℃，模具预热后方可使用，锻造设备选用3吨模锻锤，锻造过程中如果出现充不满或锻件厚度超正差的情况，允许将未完全成形的坯料重复进行加热、锻造工序，以便使锻件边角能充满，厚度能控制在公差范围内。

2.3、试造锻件缺陷及分析

结合环锻件按上述工艺试造过程中的模锻工序，锻件在坯料加热的第一火次锻打后，其基本形状在锻模型腔中形成，除边角位置未充满及厚度超正差外，无其它缺陷。

锻件在后续的多火次（最多达到4火）重复锻打后，由于本文前述的钛

合金锻造变形抗力大，金属流动性差等特点，其形状几乎没有改变，边角处的未充满改善不大，锻件厚度尺寸仍然超正差（如图3所示）。

图3结合环锻件缺陷示意图

关于锻件边角处充不满的情况，在后续试造过程中仔细检查了整个锻造过程，发现主要问题出在锻件预制坯荒形尺寸未能完全盖住锻模型腔，导致锻件在未覆盖的型腔位置充满困难。要解决该缺陷，应适当的加大荒形外轮廓尺寸。

关于锻件厚度超正差的情况，是由于预制坯荒形中间部位的钛合金金属，在上、下模具的挤压下向外环部位流动隆起导致的，理想状态下，该隆起的外环处的金属应在锻锤打击下继续流动到模具飞边槽，以保证锻件高度符合锻件图要求。但由于此时的坯料经过打击后投影面积已经变大，相应的金属单位面积压力降低，导致对于3吨模锻锤的打击力来说已经是极限，因此可以推断锻件金属之所以在加热后的锻打过程中几乎不再流动，是因为锻造设备的打击力已经不够造成的。

3.结合环锻件工艺改进内容

3.1、锻造工艺的改进

根据上述分析，针对结合环试造件边角处充不满的缺陷，制定的工艺改进方案是增大预制坯荒形外轮廓尺寸（如图4），目的是使荒形能完全覆盖住锻模型腔。

图4结合环预制坯荒形改进后的轮廓尺寸

至于锻件厚度超正差，如果想使结合环锻件隆起的外环部位的金属，在后续的加热锻打过程中向模具型腔的飞边槽处流动，以减低锻件厚度，主要可以使用两个方法，一个是换打击能量更大的锻造设备，迫使钛合金金属流动，另一个是减少锻件投影面积，则在打击力的不变情况下，金属所受的单位面积压力增加，金属也会继续流动。

在上述两种方法中，由于无法更换更大的锻造设备，因此只能想办法减小锻打过程中的锻件投影面积，为此根据结合环零件图实际形状，重新设计了锻件图形状（如图5）。

新的锻件图特点是在锻件外环的中间增加一个Φ100的内孔，该内孔的作用有两个：

一是使锻件在锻打的过程中，其投影面积将能减小Φ100直径尺寸；二是锻件在锻打过程中，上述的外环隆起部位的多余金属不只是流向模具飞边槽位置，还可以向该内孔的空隙处流动，等于金属多了一个流动方向，这将极大的有利于锻件厚度尺寸的减小。

图5结合环锻件增加内孔示意图

由于结合环锻件在中间位置增加了内孔，因此在锻件预制坯荒形时也可增加冲孔，冲孔大小根据计算选定Φ70较为合适，最终确定的荒形形状和尺寸如图6所示。

图6结合环预制坯荒形增加冲孔的示意图

3.2、改进后锻件试造效果

锻件经自由锻锤生产出改进后的锻件预制坯荒形后，转入模锻，在模锻过程中，因该荒形有足够大的轮廓尺寸，锻件成形后边角处充满情况良好。

又因为荒形中间增加了冲孔，使得坯料在后续模锻时金属流动情况得到极大的改善，经过合理的锻造方法，该钛合金结合环锻件用2~3火次即可锻造成形且厚度在锻件图尺寸公差范围之内。

4.改进后的工艺方案

锻件经改进后克服了边角处充不满、厚度超正差的缺陷，现将完整的结合环锻件锻造工艺方案制定如下：

1）、结合环锻件锻造由两部分组成，先在自由锻锤上进行预制坯荒形锻造，然后将荒形转入3吨模锻锤进行模锻最后成形。

2）、坯料的下料规格由于荒形尺寸加大而需要更改，试造时采用的是Ф82×164。

3）、坯料使用电炉加热，加热温度（930±15）℃，保温时间70分钟后锻制荒形：在自由锻锤上将坯料横躺进行拍扁，厚度为25mm，然后在荒形中间位置进行冲孔，直径为Φ70，其终锻温度控制在800℃以上。

4）、预制坯荒形冷却后需清理锻件所冲内孔的毛刺、裂纹、折叠等缺陷。以避免这些缺陷被带入后续模锻工序。

5）、将荒形使用电炉加热，加热温度（930±15）℃，保温时间60分钟后开始将荒形出炉平放在锻模上进行第1火次锻造，锻后先冲孔、再切边，为后续火次的锻造减小锻打的投影面积。

6）、将锻打1火次后的坯料在电炉中重新后，进行第2、3火次的锻打，直至锻件成形，然后进行冲孔和切边。

5.结束语

在该结合环锻件的工艺研究中，通过改进预制坯荒形尺寸和形状，完善了结合环锻件图形状，增加了内孔，又在锻造工序方面增加了冲孔和切边后再锻打的方法，这使得锻件投影面积大大减小，锻造成型性大大提高。

参考文献：

[1]中国航空材料手册编辑委员会.《中国航空材料手册》.中国标准出版社：35~47，1988.

[2]赵永庆，洪权，葛鹏.《钛及钛合金金相图谱》.中南大学出版社：65~76，2011.

[3]锻压技术手册编委会.《锻压技术手册》.国防工业出版社：233~258，1990.

[4]张志文.《锻造工艺学》.机械工业出版社：106~112，1988.

[5]王乐安.难变形合金锻件生产技术.国防工业出版社：82~96，2005.