新型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料對(duì)發(fā)展航空航天及國(guó)防高新技術(shù)武器裝備具有重要作用[1]�，F(xiàn)代渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中結(jié)構(gòu) 質(zhì)量的30%左右為鈦合金。鈦合金作為繼鋼鐵和鋁合金之后應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的又一種新型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料, 其應(yīng)用水平已成為衡量飛機(jī)選材先進(jìn)程度的一個(gè)重要標(biāo)志。Ti-6Al-4V(以下簡(jiǎn)稱TC4)是美國(guó)于1945年開(kāi)發(fā)出 的一種兩相鈦合金,由于其良好的綜合性能及工藝特性,成為鈦工業(yè)中的王牌合金,被廣泛應(yīng)用于化工、電力 、航空航天、體育器械等領(lǐng)域[2-3]。

對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣類零件及航天發(fā)動(dòng)機(jī)殼體旋壓用環(huán)形坯料,傳統(tǒng)工藝采用棒材鐓粗、沖孔、馬架擴(kuò) 孔及環(huán)軋的方式成形。由于馬架擴(kuò)孔工藝的局限,后續(xù)輾環(huán)易出現(xiàn)圓角填充不滿、橢圓、翹曲等質(zhì)量缺陷,從 棒材下料到成品的材料利用率僅為3%~5%,且產(chǎn)品一致性差、成本高[4-5]。針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇機(jī)匣等環(huán)(筒 )形零件,國(guó)外已開(kāi)發(fā)應(yīng)用“型材+輥彎焊接”和“擠壓管材+異型軋制”技術(shù),以GE公司和SNECMA公司為代表 的制造商采用該技術(shù)生產(chǎn)的機(jī)匣已實(shí)現(xiàn)裝機(jī)應(yīng)用。

針對(duì)鈦合金大口徑環(huán)件低成本制造的需求,本文提出“TC4合金鑄錠反擠壓沖孔制坯—大口徑厚壁管材擠 壓—切割下料—輾環(huán)成形”的技術(shù)路線。針對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)二級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣,采用3.6萬(wàn)噸垂直擠壓機(jī) ,開(kāi)展了鑄錠反擠壓沖孔制坯等關(guān)鍵技術(shù)的研究和樣件試制,試制機(jī)匣樣件的各項(xiàng)組織性能均滿足技術(shù)要求。 與傳統(tǒng)工藝相比,大幅減少了大規(guī)格鈦合金成形的火次,降低了成本,提高了生產(chǎn)效率,實(shí)現(xiàn)了大規(guī)格鈦合金成 形技術(shù)原始創(chuàng)新。

1、TC4大規(guī)格環(huán)件技術(shù)要求

1.1　尺寸規(guī)格

某發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣TC4鈦合金環(huán)件毛坯尺寸為Φ1050mm×46.5mm×140mm。按輾環(huán)工藝要求,所需擠壓管材為 Φ520mm×Φ260mm×L≥250mm,其中,L為長(zhǎng)度,250mm為單件長(zhǎng)度。

1.2　化學(xué)成分

TC4鈦合金的化學(xué)成分滿足表1的規(guī)定。

1.3　低倍組織

TC4鈦合金的低倍組織中不允許存在裂紋、縮孔、氣孔、夾雜、偏析及其他冶金缺陷。低倍組織不允許 存在目視可見(jiàn)的清晰晶粒,并符合GJB2220A—2018[6]中1~8級(jí)低倍組織的要求。

1.4　力學(xué)性能

鈦合金的室溫力學(xué)性能見(jiàn)表2,高溫(400℃)力學(xué)性能見(jiàn)表3。

1.5　顯微組織

顯微組織應(yīng)符合GJB2220A—2018[6]中1~10級(jí)顯微組織的要求。

2、技術(shù)方案

本研究的重點(diǎn)是將重型擠壓改性與碾環(huán)軋制成形相結(jié)合,使大口徑鈦合金環(huán)件成形制造實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、低 成本,核心是實(shí)現(xiàn)鈦合金錠沖孔制坯與大口徑厚壁管的擠壓改性成形,重心是充分發(fā)揮重型裝備的工藝能力。

2.1　3.6萬(wàn)噸垂直擠壓機(jī)工藝條件

3.6萬(wàn)噸垂直擠壓機(jī)組作為制坯與成形的設(shè)備基礎(chǔ),其由1.5萬(wàn)噸制坯壓機(jī)和3.6萬(wàn)噸垂直擠壓機(jī)組成。

1.5萬(wàn)噸制坯壓機(jī)“鑄錠直接閉式鐓粗+反擠壓沖孔”制坯過(guò)程如圖1所示,具體過(guò)程為:

(1)將加熱后的鈦錠(鍛坯)2放置于由鐓粗臺(tái)3和支撐桿5組成的工作臺(tái)上,鐓粗筒4在鐓粗筒運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶 動(dòng)下運(yùn)動(dòng)至工作位置,將鈦錠完全盛于筒內(nèi);(2)鐓粗桿1下行,對(duì)鐓粗筒內(nèi)的坯料進(jìn)行閉式鐓粗;(3)閉式鐓粗 完成后,沖孔桿6切換至鐓粗軸線并對(duì)鈦錠進(jìn)行沖孔,當(dāng)沖孔桿沖孔至距離鐓粗臺(tái)面約0.3~0.5倍沖孔桿直徑時(shí) ,沖孔桿停止沖孔;(4)此時(shí)支撐桿5下行,讓出完成最終沖孔所需空間,支撐桿5運(yùn)動(dòng)到位后沖孔桿繼續(xù)下行,完 成最終切底沖孔,并將余料8頂出,最終得到空心管坯。

3.6萬(wàn)噸垂直擠壓機(jī)“厚壁管坯垂直擠壓改性成形”過(guò)程如圖2所示,具體流程為:

(1)首先將加熱、除鱗、潤(rùn)滑后的孔坯3放置于擠壓軸4上,然后擠壓芯軸5上升,從孔坯中心孔中穿出;(2) 擠壓軸4以及擠壓芯軸5同時(shí)上升,擠壓孔坯,使孔坯材料變形流動(dòng)并從擠壓模2與擠壓芯軸5中間形成的環(huán)形縫 隙中擠出形成鋼管,當(dāng)擠壓軸4和擠壓芯軸5運(yùn)動(dòng)至擠壓終了前的某個(gè)預(yù)定位置時(shí)擠壓軸4停止運(yùn)動(dòng);(3)擠壓芯 軸5和擠壓軸4先后回退至原位,此時(shí)操作機(jī)或機(jī)械手將沖剪模放置于擠壓軸4上;(4)擠壓軸4推動(dòng)沖剪模上行, 切斷壓余;(5)提取裝置,取走成形的管材。

2.2　鑄錠直接閉式鐓粗+反擠壓沖孔方案

鈦合金鑄錠晶粒粗大、塑性低,鍛造過(guò)程產(chǎn)生的褶皺、裂紋等缺陷,需多火次反復(fù)加熱-鍛造-清理,這是 鈦合金鑄錠鍛造的基礎(chǔ)性難題。鈦合金規(guī)格越大,其內(nèi)、外組織就越不均勻,鍛造的火次也就越多,按現(xiàn)有大 直徑鈦合金棒材的鍛造經(jīng)驗(yàn),為保證鍛坯的組織均勻性,一般至少需3火次反復(fù)鍛壓變形。本研究針對(duì)鈦合金 鑄錠晶粒粗大、表面塑性差的特點(diǎn),提出了近等溫鐓粗沖孔工藝方法:開(kāi)發(fā)“包套+保溫墊塊”近等溫包覆技 術(shù),將大規(guī)格鑄錠進(jìn)行包覆后,在β區(qū)加熱,后在1.5萬(wàn)噸制坯壓機(jī)進(jìn)行閉式鐓粗+反擠壓沖孔,以克服傳統(tǒng)鍛造 過(guò)程產(chǎn)生的褶皺、裂紋等缺陷問(wèn)題。

2.3　厚壁管坯垂直擠壓改性成形方案

為充分破碎鈦合金鑄錠的粗大鑄態(tài)組織,在3.6萬(wàn)噸垂直擠壓機(jī)上大變形量擠壓改性,低倍組織應(yīng)滿足 GJB2220A—2018[6]1~4級(jí)要求,顯微組織應(yīng)滿足GJB2220A—2018[6]1~5級(jí)要求。

2.4　工藝流程

工藝流程為:鋸切鑄錠冒口及錠尾—鑄錠涂敷防氧化涂料—鑄錠包覆—加熱—潤(rùn)滑—制備空心坯料—去 除硬包套—涂敷防氧化涂料及潤(rùn)滑劑—包覆軟包套—加熱—潤(rùn)滑—擠壓—空冷—退火—理化檢測(cè)—機(jī)械加工 —鋸切—加熱—輾環(huán)—理化檢測(cè)—機(jī)械加工機(jī)匣。

3、數(shù)值模擬分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1　TC4近等溫制坯技術(shù)

針對(duì)鈦合金鑄錠晶粒粗大、表面塑性差的特點(diǎn),開(kāi)展近等溫鐓粗沖孔工藝有限元分析計(jì)算研究[7-8],如 圖3所示,其中t為時(shí)間。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果分析可得,確定墊塊厚度為200mm、材料為不銹鋼;包套壁厚為20mm, 可保證在鐓粗過(guò)程中包套不失穩(wěn)和鑄錠變形的均勻性。

3.2　TC4合金管材熱擠壓過(guò)程的數(shù)值模擬研究

采用小試樣建立了本構(gòu)關(guān)系、不同溫度下α相含量組織演化模型及熱擠壓工藝加工窗口,其球化率可達(dá) 到90%。

3.3　縮比工藝驗(yàn)證

3.3.1　加熱溫度控制

為保證得到雙相組織,將加熱溫度控制在940~960℃,保證其均勻熱透。

3.3.2　潤(rùn)滑控制

根據(jù)加熱溫度及保溫時(shí)間,研制了長(zhǎng)效防氧化潤(rùn)滑劑。保證加熱溫度在980~1000℃且保溫8h,無(wú)氧化皮產(chǎn) 生。

3.3.3　控溫?cái)D壓

為保證得到雙相組織,防止擠壓前坯料轉(zhuǎn)運(yùn)、模具溫度控制不易等帶來(lái)的不均勻溫降以及擠壓過(guò)程中的 溫升等,去除制坯后硬包套,包覆高溫?zé)o機(jī)物質(zhì)軟包套,且將擠壓速度控制在20~30mm.s^-1,防止 擠壓過(guò)程中溫度上升,以免影響α相球化。

4、試制結(jié)果

通過(guò)數(shù)值模擬分析,確定了工程化試制的墊塊厚度及包套厚度;結(jié)合縮比樣件的溫度、潤(rùn)滑及擠壓速度, 制定了工程試制的工藝參數(shù)。結(jié)合以上工藝工裝及參數(shù),開(kāi)展了工程試制,具體結(jié)果如下。

4.1　空心坯料制備

TC4鈦合金鑄錠采用真空電弧熔煉,采用鋸床進(jìn)行了冒口及澆口的鋸切,其直徑為Φ680mm,化學(xué)成分符合 表1的要求。鑄錠加熱至1170℃,在鐓粗模具中進(jìn)行閉式鐓粗和反擠壓沖孔,具體工藝過(guò)程見(jiàn)圖1,其中,鐓粗筒 直徑為Φ950mm。制坯過(guò)程順利,包套無(wú)失穩(wěn)現(xiàn)象,如圖4所示。將包套剝離,鈦合金坯料變形較均勻,表面良好 ,如圖5所示。

4.2　擠壓

將其空心坯料加熱至950℃,進(jìn)行擠壓改性成形[9-12],擠壓規(guī)格為Φ520mm×Φ260mm×L的厚壁管坯(圖 6),表面質(zhì)量良好。

4.3　輾環(huán)

將擠壓管材按Φ520mm×Φ260mm×750mm的要求鋸切,加熱溫度為950℃,兩火次輾環(huán),毛坯尺寸為 Φ1050mm×Φ46.5mm×140mm,見(jiàn)圖7。

4.4　理化檢測(cè)

4.4.1　化學(xué)成分

環(huán)件的化學(xué)成分符合技術(shù)要求,具體檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

4.4.2　力學(xué)性能

環(huán)件的室溫條件下兩組力學(xué)性能檢測(cè),具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表5,400℃高溫條件下兩組力學(xué)性能檢測(cè)見(jiàn)表6。環(huán)形 件在室溫和高溫條件下進(jìn)行了力學(xué)性能[13-14]檢測(cè)。結(jié)果表明:在室溫條件下,抗拉強(qiáng)度分別為993和 1009MPa,規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度分別為916和931MPa,伸長(zhǎng)率分別為15.5%和16%,斷面收縮率分別為42%和40%,布 氏硬度測(cè)量壓痕直徑為Φ3.40mm,滿足表2的要求,且有一定的性能儲(chǔ)備;在400℃高溫條件下,抗拉強(qiáng)度分別為 667和707MPa,伸長(zhǎng)率分別為19.5%和18.5%,持久性能為在570MPa條件下101.0h未斷,滿足表3的要求。

4.4.3　低倍組織檢測(cè)

環(huán)件的低倍組織完全滿足GJB2220A—2018[6]的技術(shù)要求:無(wú)裂紋、縮孔、氣孔、夾雜、偏析及其他冶金 缺陷;無(wú)目視(≤10×)可見(jiàn)的清晰晶粒。

4.4.4　顯微組織檢測(cè)

環(huán)件的顯微組織結(jié)果滿足GJB2220A—2018[6]的5級(jí)要求,檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖8。

5、結(jié)論

(1)采用“TC4合金鑄錠反擠壓沖孔制坯-大口徑厚壁管材擠壓-切割下料-輾環(huán)成形”的技術(shù)路線,試制的 TC4鈦合金大規(guī)格環(huán)件各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到技術(shù)要求。

(2)開(kāi)發(fā)的TC4鈦合金鑄錠近等溫“鐓粗+沖孔”制備空心坯技術(shù),有效地解決了鈦合金鑄錠傳統(tǒng)鍛造表面 褶皺、裂紋的問(wèn)題。

(3)發(fā)揮重型擠壓設(shè)備“三向壓應(yīng)力一次大變形”的技術(shù)優(yōu)勢(shì),得到了TC4鈦合金大口徑管材,為解決傳統(tǒng) TC4鈦合金大型制件鍛造火次多、坯料質(zhì)量一致性差等問(wèn)題提供了新的技術(shù)途徑。

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