新型輕質結構材料對發展航空航天及國防高新技術武器裝備具有重要作用[1]。現代渦輪發動機中結構 質量的30%左右為鈦合金。鈦合金作為繼鋼鐵和鋁合金之后應用于航空航天領域的又一種新型輕質結構材料, 其應用水平已成為衡量飛機選材先進程度的一個重要標志。Ti-6Al-4V(以下簡稱TC4)是美國于1945年開發出 的一種兩相鈦合金,由于其良好的綜合性能及工藝特性,成為鈦工業中的王牌合金,被廣泛應用于化工、電力 、航空航天、體育器械等領域[2-3]。

對于航空發動機機匣類零件及航天發動機殼體旋壓用環形坯料,傳統工藝采用棒材鐓粗、沖孔、馬架擴 孔及環軋的方式成形。由于馬架擴孔工藝的局限,后續輾環易出現圓角填充不滿、橢圓、翹曲等質量缺陷,從 棒材下料到成品的材料利用率僅為3%~5%,且產品一致性差、成本高[4-5]。針對航空發動機風扇機匣等環(筒 )形零件,國外已開發應用“型材+輥彎焊接”和“擠壓管材+異型軋制”技術,以GE公司和SNECMA公司為代表 的制造商采用該技術生產的機匣已實現裝機應用。

針對鈦合金大口徑環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—輾環成形”的技術路線。針對某型航空發動機二級增壓發動機機匣,采用3.6萬噸垂直擠壓機 ,開展了鑄錠反擠壓沖孔制坯等關鍵技術的研究和樣件試制,試制機匣樣件的各項組織性能均滿足技術要求。 與傳統工藝相比,大幅減少了大規格鈦合金成形的火次,降低了成本,提高了生產效率,實現了大規格鈦合金成 形技術原始創新。

1、TC4大規格環件技術要求

1.1　尺寸規格

某發動機機匣TC4鈦合金環件毛坯尺寸為Φ1050mm×46.5mm×140mm。按輾環工藝要求,所需擠壓管材為 Φ520mm×Φ260mm×L≥250mm,其中,L為長度,250mm為單件長度。

1.2　化學成分

TC4鈦合金的化學成分滿足表1的規定。

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 存在目視可見的清晰晶粒,并符合GJB2220A—2018[6]中1~8級低倍組織的要求。

1.4　力學性能

鈦合金的室溫力學性能見表2,高溫(400℃)力學性能見表3。

1.5　顯微組織

顯微組織應符合GJB2220A—2018[6]中1~10級顯微組織的要求。

2、技術方案

本研究的重點是將重型擠壓改性與碾環軋制成形相結合,使大口徑鈦合金環件成形制造實現高質量、低 成本,核心是實現鈦合金錠沖孔制坯與大口徑厚壁管的擠壓改性成形,重心是充分發揮重型裝備的工藝能力。

2.1　3.6萬噸垂直擠壓機工藝條件

3.6萬噸垂直擠壓機組作為制坯與成形的設備基礎,其由1.5萬噸制坯壓機和3.6萬噸垂直擠壓機組成。

1.5萬噸制坯壓機“鑄錠直接閉式鐓粗+反擠壓沖孔”制坯過程如圖1所示,具體過程為:

(1)將加熱后的鈦錠(鍛坯)2放置于由鐓粗臺3和支撐桿5組成的工作臺上,鐓粗筒4在鐓粗筒運動機構的帶 動下運動至工作位置,將鈦錠完全盛于筒內;(2)鐓粗桿1下行,對鐓粗筒內的坯料進行閉式鐓粗;(3)閉式鐓粗 完成后,沖孔桿6切換至鐓粗軸線并對鈦錠進行沖孔,當沖孔桿沖孔至距離鐓粗臺面約0.3~0.5倍沖孔桿直徑時 ,沖孔桿停止沖孔;(4)此時支撐桿5下行,讓出完成最終沖孔所需空間,支撐桿5運動到位后沖孔桿繼續下行,完 成最終切底沖孔,并將余料8頂出,最終得到空心管坯。

3.6萬噸垂直擠壓機“厚壁管坯垂直擠壓改性成形”過程如圖2所示,具體流程為:

(1)首先將加熱、除鱗、潤滑后的孔坯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同時上升,擠壓孔坯,使孔坯材料變形流動并從擠壓模2與擠壓芯軸5中間形成的環形縫 隙中擠出形成鋼管,當擠壓軸4和擠壓芯軸5運動至擠壓終了前的某個預定位置時擠壓軸4停止運動;(3)擠壓芯 軸5和擠壓軸4先后回退至原位,此時操作機或機械手將沖剪模放置于擠壓軸4上;(4)擠壓軸4推動沖剪模上行, 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,鍛造過程產生的褶皺、裂紋等缺陷,需多火次反復加熱-鍛造-清理,這是 鈦合金鑄錠鍛造的基礎性難題。鈦合金規格越大,其內、外組織就越不均勻,鍛造的火次也就越多,按現有大 直徑鈦合金棒材的鍛造經驗,為保證鍛坯的組織均勻性,一般至少需3火次反復鍛壓變形。本研究針對鈦合金 鑄錠晶粒粗大、表面塑性差的特點,提出了近等溫鐓粗沖孔工藝方法:開發“包套+保溫墊塊”近等溫包覆技 術,將大規格鑄錠進行包覆后,在β區加熱,后在1.5萬噸制坯壓機進行閉式鐓粗+反擠壓沖孔,以克服傳統鍛造 過程產生的褶皺、裂紋等缺陷問題。

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組織,在3.6萬噸垂直擠壓機上大變形量擠壓改性,低倍組織應滿足 GJB2220A—2018[6]1~4級要求,顯微組織應滿足GJB2220A—2018[6]1~5級要求。

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—潤滑—制備空心坯料—去 除硬包套—涂敷防氧化涂料及潤滑劑—包覆軟包套—加熱—潤滑—擠壓—空冷—退火—理化檢測—機械加工 —鋸切—加熱—輾環—理化檢測—機械加工機匣。

3、數值模擬分析及實驗驗證

3.1　TC4近等溫制坯技術

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

3.2　TC4合金管材熱擠壓過程的數值模擬研究

采用小試樣建立了本構關系、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 到90%。

3.3　縮比工藝驗證

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　潤滑控制

根據加熱溫度及保溫時間,研制了長效防氧化潤滑劑。保證加熱溫度在980~1000℃且保溫8h,無氧化皮產 生。

3.3.3　控溫擠壓

為保證得到雙相組織,防止擠壓前坯料轉運、模具溫度控制不易等帶來的不均勻溫降以及擠壓過程中的 溫升等,去除制坯后硬包套,包覆高溫無機物質軟包套,且將擠壓速度控制在20~30mm.s^-1,防止 擠壓過程中溫度上升,以免影響α相球化。

4、試制結果

通過數值模擬分析,確定了工程化試制的墊塊厚度及包套厚度;結合縮比樣件的溫度、潤滑及擠壓速度, 制定了工程試制的工藝參數。結合以上工藝工裝及參數,開展了工程試制,具體結果如下。

4.1　空心坯料制備

TC4鈦合金鑄錠采用真空電弧熔煉,采用鋸床進行了冒口及澆口的鋸切,其直徑為Φ680mm,化學成分符合 表1的要求。鑄錠加熱至1170℃,在鐓粗模具中進行閉式鐓粗和反擠壓沖孔,具體工藝過程見圖1,其中,鐓粗筒 直徑為Φ950mm。制坯過程順利,包套無失穩現象,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℃,進行擠壓改性成形[9-12],擠壓規格為Φ520mm×Φ260mm×L的厚壁管坯(圖 6),表面質量良好。

4.3　輾環

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,毛坯尺寸為 Φ1050mm×Φ46.5mm×140mm,見圖7。

4.4　理化檢測

4.4.1　化學成分

環件的化學成分符合技術要求,具體檢測數據見表4。

4.4.2　力學性能

環件的室溫條件下兩組力學性能檢測,具體數據見表5,400℃高溫條件下兩組力學性能檢測見表6。環形 件在室溫和高溫條件下進行了力學性能[13-14]檢測。結果表明:在室溫條件下,抗拉強度分別為993和 1009MPa,規定非比例延伸強度分別為916和931MPa,伸長率分別為15.5%和16%,斷面收縮率分別為42%和40%,布 氏硬度測量壓痕直徑為Φ3.40mm,滿足表2的要求,且有一定的性能儲備;在400℃高溫條件下,抗拉強度分別為 667和707MPa,伸長率分別為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

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

4.4.4　顯微組織檢測

環件的顯微組織結果滿足GJB2220A—2018[6]的5級要求,檢測結果見圖8。

5、結論

(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-輾環成形”的技術路線,試制的 TC4鈦合金大規格環件各項指標均達到技術要求。

(2)開發的TC4鈦合金鑄錠近等溫“鐓粗+沖孔”制備空心坯技術,有效地解決了鈦合金鑄錠傳統鍛造表面 褶皺、裂紋的問題。

(3)發揮重型擠壓設備“三向壓應力一次大變形”的技術優勢,得到了TC4鈦合金大口徑管材,為解決傳統 TC4鈦合金大型制件鍛造火次多、坯料質量一致性差等問題提供了新的技術途徑。

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