汪大成，吴香菊，丁 维

(中航工业沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司，沈阳 110043)

叶片精锻工艺是欧美航空发动机技术发达国家在1970年代研发第三代航空发动机过程中，为了增加叶片的强度和承载能力，提高叶片的性能和寿命，节约昂贵的材料，解决难加工材料、薄型面叶片加工的困难，在普通模锻基础上逐步发展出的近净成形技术，是叶片锻造技术的一大进步［1-9］，其中钛合金叶片的精锻技术对于航空航天工业的发展起到至关重要的作用［10-11］。然而精锻工艺所锻叶片的叶身型面余量很小，单面余量仅有0.3 mm左右，甚至直接按零件叶身型面尺寸锻造，叶身型面厚度很薄，尤其叶片进排气边缘厚度已不足1 mm，叶身的变形非常剧烈，容易形成由拉长晶粒组成的变形织构和“应变线”，组织均匀性较差，给叶片的性能带来不利影响。

低压第二级静子叶片属于双安装板结构，是压气机叶片中较为复杂的一种类型，其安装板部位横截面积与叶身部位横截面积相差悬殊，且叶身两头都带安装板，叶片的锻造成形相当困难，需采取顶锻制坯。由于叶片锻件安装板的横截面积远大于叶身的横截面积，按正常的计算，将导致顶锻时变形部分的长径比过大，很容易在顶锻时失稳而无法完成，因此只有将坯料直径增大，减小变形部分的长径比，但这样又存在预锻时叶身金属过多、变形量大而超出了材料变形能力的矛盾，易导致预锻时产生分层缺陷，甚至产生严重的开裂问题，为此在双安装板静子叶片精锻成形工艺研究过程中将预锻过程分解为两火次变形，整个成形工艺被分为顶锻内安装板、顶锻外安装板、第一次预锻、第二次预锻、终锻共5火次锻造，成形工艺流程过长。

等温锻造是近年来在迅速扩大应用范围的一项特种锻造技术，其利用金属材料在超塑性或近似超塑性状态下流变应力降低，使锻造变形抗力大幅度降低的特点，降低压力加工设备吨位，使之在较小的设备上锻造出较大的锻件，并能把形状复杂、精度高的锻件一次锻造成形，对一些难变形的金属材料能取得满意的成型效果，而且能提高锻件的内、外部质量［12-15］.对于第二级静子叶片精锻成形工艺采用等温预锻代替普通预锻，对TC4合金的等温变形规律进行摸索，以达到提高该叶片叶身表面质量、改善组织、性能的目的，有望减少预锻火次，缩短成形工艺流程。通过将等温锻与精锻相结合，集两种工艺之长，进行优势互补，可提高叶片精锻成形工艺的灵活性和合理性，将更好地满足航空发动机对叶片越来越高的组织、性能要求。

1 研究目标

以低压第二级静子叶片为载体，采用等温预锻代替普通预锻，对TC4合金的等温变形规律进行摸索，提高叶片叶身表面质量，改善组织、性能，验证减少预锻火次、缩短精锻成形工艺流程的可行性，从而优化钛合金双安装板叶片精锻成形工艺.第二级静子叶片精锻件模型见图1.

图1 第二级静子叶片精锻件模型

2 试验

2.1 叶片等温预锻成型过程模拟

2.1.1 数字模型

1)顶锻件.顶锻件的模型见图2.

图2 顶锻件模型

2)等温预锻模.等温预锻模的模型见图3.

图3 等温预锻模模型

2.1.2 选用工艺参数及边界条件

采用DEFORM-3D软件(刚粘塑性有限元法)进行等温预锻成型过程模拟.表1是各个参数的设定情况.

2.2 叶片预锻及终锻成形试验

2.2.1 试验材料

1)主要材料.TC4合金棒材，规格:Φ28 mm，熔炼炉号:534-20070281，产地:宝钛集团，相变点:995℃ ～1 005℃.棒材经车加工成Φ26 mm的坯料，长度按工艺需要给定.

2)辅助材料.等温预锻用玻璃润滑剂:Oxy lub-410、GDS-17.终锻用玻璃润滑剂:Oxy lub-410.终锻用脱模剂:F645 AFA锻造石墨乳.

以后的几十年，茂友叔一直一个人独居在梨园的老屋。直到某一天，他突然说是要去找儿子，就那样离开了梨园，离开了那幢孤零零的破房。木香托了很多人去找，又张贴了寻人启事，都没有一丁点讯息。不知他流落到了哪个山沟野岔。

表1 参数设定

2.2.2 试验设备

等温预锻用设备:THP32-630B型四柱液压机.

普通预锻及终锻用设备:PSM4.560f型电动螺旋压力机.

2.2.3 试验方案

试验方案见表2.

表2 试验方案

试验过程中试验件两火顶锻加热温度为(950±10)℃;等温预锻温度为(930±10)℃，变形速度0.1 mm/s;终锻加热温度为(950±10)℃;热处理制度为(780±10)℃，保温1～2 h，空冷.

3 结果及讨论

3.1 等温预锻成型过程模拟

根据顶锻件外形的特点，变形先发生在两安装板与叶身的转接R处(如图4所示)，随后叶身及安装板外侧开始变形(如图5所示)，安装板最后参与变形(如图6所示).

图4 预锻开始变形的情况

从模拟出的预锻件外形(如图7所示)来看，安装板能够很好地充满，说明设计的顶锻件两头体积足够锻件充满，但叶身有很大的毛边，这是顶锻模设计时变形部分长径比的限制所带来的影响，因为实际需要的叶身部分直径应为Φ21 mm左右，但两个头部的体积换算成棒料的长度很长，难以进行顶锻，只有增加棒料直径，才能减小变形部分的长度，从而降低变形部分的长径比，以实现正常地顶锻.

图5 预锻叶身开始变形的情况

图6 预锻安装板开始变形的情况

图7 预锻完成变形的情况

等温预锻后等效应变的分布情况如图8所示.

图8 预锻后等效应变的分布情况

最大等效应变达到很大的6.12，但其处于安装板的侧边，锻件本体的应变差异不大，说明变形较为均匀.等温预锻后等效应力的分布情况如图9所示，最大等效应力达到54 MPa，是在折叠闭合处，且应力水平不高，锻件本体的应力处于40 MPa左右，较为均匀.等温预锻后流动速度的分布情况如图10所示，流动方向除折叠处之外没有异常，流动速度最大处在毛边最外侧，且只有1.35 mm/s，符合等温成型的流动规律.这些变形情况体现了等温成型工艺的突出优势.

图9 预锻后等效应力的分布情况

图10 预锻后流动速度的分布情况

3.2 叶片预锻及终锻成形

试验所试制出的等温预锻件、终锻件分别如图11、12所示，其中等温预锻件实物与模拟结果十分相近.4个试验方案所锻预锻件、终锻件的叶身横向高倍组织如图13所示.

从图11、12可以看出等温预锻件、终锻件表面光滑、完整，没有明显的分层、裂纹等缺陷，表明采用一火成型的等温预锻件能够满足叶片精锻成型的要求.

从图13可以看出，方案2、3的一次预锻件、二次预锻件初生α相形状较为规则，基本保持在等轴状态，而方案4的一次预锻件初生α相形状规则性稍差，其二次预锻件初生α相形状规则性更差，这反映了等温锻造与普通锻造对钛合金组织的影响有较明显的差异，等温锻造的变形很缓慢，在变形程度不大的情况下，对初生α相的破碎很轻微，等轴组织形状保持得较完整，而普通锻造的变形较为剧烈，即使在变形程度不大的情况下，初生α相的破碎仍相当明显.对于方案1的锻件，经过很大变形程度的等温变形后，其预锻件初生α相破碎就相当明显了，与方案4的一次预锻件的初生α相破碎程度基本相当.经过终锻变形后，各组的初生α相再次发生明显的破碎，形状规则性均明显下降，其中方案1、2相近，方案3最好，方案4最差，因此从组织均匀性的角度看，方案3最好，方案1、2较好，方案4最差.

从4组方案的终锻件上切取试样进行性能测试，获得的力学性能结果见表3.

图12 终锻件

图13 各组预锻件及其终锻件叶身横向高倍组织

表3 力学性能测试结果

从表2中可以看出，4个方案的终锻件性能水平基本相当，都达到了锻件标准的要求，其中方案4的室温塑性明显偏低，应该是与两火次普通预锻及终锻的多次较剧烈变形造成的加工硬化效果迭加有关.而方案2的高温拉伸抗拉强度偏低较异常，与工艺过程及组织状态不对应，这种情况一般怀疑与测试过程不稳定有关.

综合分析4个试验方案的锻件组织、性能，方案3最佳，方案1、2相当，方案4最差，应当选择方案3，但考虑到缩短精锻成形工艺整体流程的实际需求，还是选择方案1为宜，因此优化后的双安装板精锻成形工艺分为顶锻内安装板、顶锻外安装板、等温预锻、终锻共4火次锻造.

4 结论

1)采用DEFORM-3D数值模拟软件模拟了双安装板静子叶片等温预锻成型过程，预先验证了等温预锻成型的可行性，并预测到了折叠缺陷.

2)等温预锻及终锻试验获得了表面质量及尺寸符合工艺要求的等温预锻件，用其锻造的精锻件表面质量良好，表明等温预锻成型可以实现一火成型，并能够满足叶片精锻的需要.

3)采用等温预锻能够获得初生α相形状较为规则的叶片，有效改善叶片的组织均匀性，同时叶片的力学性能也较为理想，为满足缩短精锻成形工艺整体流程的实际需求，优化后的钛合金双安装板精锻成形工艺确定为顶锻内安装板、顶锻外安装板、等温预锻、终锻共4火次锻造.

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