闫文萱，李金栋，魏晓艳，谷国君·中国航发北京航空材料研究院
TC4钛合金属于α+β型钛合金，具有良好的综合力学性能、优异的耐蚀性、较高的强度比，广泛应用于航空航天、兵器船舶领域。航空用钛合金连接法兰作为发动机中重要的传动构件，对零件的力学性能及组织均匀性提出了更高的要求，通常采用热模锻造后再机械加工的方式进行制造。
本文介绍了一种TC4钛合金大长径比连接法兰模锻件成形一体化控制技术，主要采用预制坯结合头部锻造纵向成形的方法，利用有限元模拟对制坯形状和锻造工艺过程进行优化，对最终锻件进行组织性能评价，为大长径比钛合金连接法兰锻件热模锻造提供理论依据。
技术难点分析
连接法兰锻件外观形状呈长轴型，拥有较大的长径比(原始坯料长径比≥3)，若采用沿径向锻造成形的工艺，坯料长径比选择不当易造成锻件弯曲甚至折断，不仅对设备及材料造成损耗，同时也存在人员机械伤害隐患；若采用横向锻造的方式，虽然不存在上述问题，但是法兰端面积大且厚度极小，不仅充型非常困难，同时横向分模的方式势必产生较大的毛边，导致材料利用率低。所以对于大长径比连接法兰锻件，成形方式设计成为关键点，同时预制坯料的形状尺寸也同等重要。
TC4钛合金属于双相钛合金，根据传统的资料可知，其锻造温度应在β转变温度以下20～50℃，对于这类锻件的成形过程，由于大变形释放形变热使得锻件的温度急剧升高，极易造成锻件局部温度越过相变点，导致的后果有：
⑴温度的升高会造成晶粒的长大，在锻造过程中虽然形变可以细化晶粒，但是如果锻造温度过高，先细化的晶粒在锻造过程中发生长大，使得锻件的相关性能下降；
⑵锻造温度过高易形成过热或者过烧，这两种结果都是不合格的；
⑶局部锻造温升过高导致在β相区进行锻造，会形成网篮组织或者魏氏体组织，极大降低了其性能。所以确定合理的预制坯料，选择适当的锻造参数是又一技术难点。
模具设计及成形数值模拟
图1为TC4钛合金大长径比连接法兰锻件及模具。锻件总体高度为220mm，法兰端直径φ165mm。锻件采用头部锻造填充模式，较大的变形量保证锻件的力学性能及微观组织，同时闭式锻造节省原材料的投入。
图1 TC4钛合金连接法兰锻件示意图
根据设计要求及TC4钛合金锻造温度规范设定计算参数见表1。表中考虑锻造过程中产生的变形热，锻造温度选择了温度下限950℃。
表1连接法兰锻件模拟相关参数
模拟采用圆柱坯料进行闭式纵向锻造，图2为连接法兰锻造过程中温度场变化示意图，由图2中可以看到，随着变形量的增大，坯料的温度逐渐升高，在变形开始0.8s时，坯料变形的高温区呈现“Y”形；变形过程中法兰端温度最高，长轴端变形量较小温度更低。模拟结果显示锻件充型良好，产生了2～3mm毛边，极大的节省了原材料。
图2连接法兰锻造过程温度场变化
锻造成形工艺优化
从锻造过程数值模拟结果可以看出，坯料在加热至950℃经过锻造，其心部温度最高可达989℃以上，根据资料显示，TC4钛合金的相变点在985～1000℃之间，如果采用现有国标TC4钛合金锻造温度下限，变形过程可能会达到β相变点，从而在β相区进行锻造，而终锻温度高于相变点后，极易形成网篮组织或魏氏体组织。而锻造温度过低会造成钛合金变形抗力过大，模具开裂或设备闷车。综合考虑成形设备吨位、模具寿命及钛合金锻造过程温度变化规律，应在950℃的理论基础上适当降低锻造温度。
图3为坯料经过不同温度锻造后心部显微组织变化。经950℃锻造后锻件心部已产生网篮组织，显微组织属于5～6类，不满足TC4钛合金锻件组织要求，主要由于锻造过程中法兰端剧烈变形，导致锻件心部温度升高过快组织发生变化，与模拟分析预期一致；选用920℃锻造后，法兰锻件心部组织属于2～3类组织，满足相关标准中TC4钛合金锻件组织要求。因此，在后续试验中采用更为合理的920℃坯料加热温度。
图3不同温度下锻件显微组织变化
图4为不同制坯方式下经920℃进行锻造的连接法兰锻件室温力学性能变化，取样位置为连接法兰的长轴顶部。采用原始圆柱棒坯直接纵向锻造，锻件力学性能较差，心部试样抗拉强度集中于900～940MPa；坯料进行尾端圆锥制坯后再纵向锻造，锻件抗拉强度提升至960～1020MPa，主要由于圆锥制坯后锻造过程中轴部变形量增大，锻件晶粒得到进一步细化从而提升锻件力学性能。为满足连接法兰锻件室温抗拉强度应大于930MPa的要求，选择圆锥制坯再纵向锻造的加工方式更为合理。
图4不同制坯方式下锻件室温抗拉强度变化
图5为坯料进行圆锥制坯后，加热温度920℃锻造后的连接法兰温度分布图。由图5可知，变形过程中坯料内部温度最高为959℃，相比于TC4钛合金相变点留有非常大的温度空间，进一步验证了圆锥制坯后加热至920℃进行纵向锻造成形工艺方案的可行性。
图5工艺优化后连接法兰锻造过程温度场变化
图6是连接法兰锻造过程变形抗力图，由图6可以看出，快速锻造成形压力机应力上升比较快，前期的平缓阶段较短，中期载荷上升速度加快，后期由于毛边的产生而压力呈笔直状上升，最大压力达到1397t。
图6连接法兰锻件锻造变形抗力变化
锻造工艺方案验证
根据数值模拟及相关试验结果，最终选择1600t机械模锻压力机，不仅满足载荷的要求，同时也能够大大增加模具及工装的使用寿命，降低成本。按照上述工艺方案，采用圆锥制坯＋头部锻造纵向成形工艺，成形出连接法兰锻件如图7所示，可以看出锻件充模良好，与模拟结果保持一致。
图7 TC4钛合金连接法兰锻件实物图
对锻造后的连接法兰锻件进行热处理后检测其室温拉伸性能，抗拉强度分别为977MPa和981MPa；图8为锻件显微组织结果，显微组织中初生α相含量大于5%，所有β晶界α相充分破碎，属于2类组织，完全满足TC4钛合金连接法兰锻件技术要求。
图8 TC4钛合金连接法兰锻件显微组织
结论
⑴应充分考虑钛合金坯料在热模锻过程中产生的温升对锻件组织性能的影响，锻造过程满足锻件在α+β两相区加工，TC4钛合金连接法兰锻造成形温度选择920℃。
⑵大长径比法兰类锻件采用圆锥制坯＋头部锻造纵向成形工艺，可有效改善锻件力学性能。
作者简介
闫文萱
塑性成形技术主管，工程师，主要从事高温合金、钛合金等航空发动机结构件塑性成形工艺研究及组织性能调控。
