文/黄通柱，王瑞林，刘卫东·中国航发成都发动机有限公司门正兴·成都航空职业技术学院刘鑫·航空装备制造产业学院
为获得无缺陷、组织性能合格的TC6钛合金带阻尼台航空发动机叶片锻件，对带阻尼台叶片顶锻制坯和等温模锻工艺进行了有限元分析。针对带阻尼台叶片锻造过程中出现的榫头和阻尼台折叠缺陷进行了分析，提出了：⑴增大榫头及阻尼台过渡圆角；⑵顶锻制坯+榫头及阻尼台自由锻拍扁工艺+等温模锻工艺方案。结果表明：优化后带阻尼台叶片锻造成形过程无缺陷，成形载荷降低30%，成形后零件各项力学性能指标均符合要求，实际生产与模拟结果一致。与传统航空发动机低压工作叶片相比，带阻尼台叶片具有优异抗振性能和高效率，是航空发动机的核心部件。带阻尼台叶片目前主要采用锻造成形，但其结构较复杂、截面积变化大导致自由锻制坯困难；锻造过程中叶身大变形产生的热效应使叶片局部温度显著升高，最终导致叶片局部晶粒长大，因此传统自由锻制坯和传统模锻方式难以得到少加工余量、组织性能合格的带阻尼台叶片，而顶锻制坯和等温模锻是目前航空发动机低压带阻尼台叶片成形的主要方法。TC6钛合金是一种综合性能良好的马氏体型α＋β两相钛合金，该钛合金具有较高的室温强度和良好的热强性能，以及优良的热加工工艺性能，主要用来制造航空发动机的压气机盘和叶片等零件，能在℃以下工作h以上和在℃工作h以上。本文以某型航空发动机低压带阻尼台叶片为主要研究对象，通过分析带阻尼台叶片成形锻造过程及折叠缺陷产生原因对叶片毛坯进行优化，得到无缺陷、组织性能合格的TC6钛合金带阻尼台航空发动机叶片。工艺方案确定某型号航空发动机TC6钛合金带阻尼台叶片锻件如图1所示，叶片长度为mm×mm，叶型扭转度为49°，在叶身中间位置盆背均带阻尼台。成形叶片要求室温抗拉强度为～MPa，伸长率不低于8%，断面收缩率不低于25%，冲击韧性不低于29.4J/cm2，℃高温拉伸强度不低于MPa，℃下50h持久强度不低于MPa。毛坯设计是TC6钛合金带阻尼台叶片锻造的关键，为保证叶片终锻成形时金属的充填效果，设计毛坯几何形状如图2所示。在简化毛坯形状的同时，尽量与锻件横截面积变化趋势一致。图1带阻尼台叶片锻件示意图
图2叶片锻件与毛坯截面积对比
TC6钛合金原材料为φ60mm锻棒，采用三次真空自耗熔炼，各项性能符合XX.JTY-技术条件要求。TC6钛合金经℃/1.5h,炉冷至℃/2h，AC热处理后采用两次顶锻制坯，然后进行等温锻造，具体工艺路线为：原材料领用→车/磨外圆→平端面、倒圆角→检验→超声波探伤→加热→顶锻→加热→顶锻二→表面清理→检验→打磨→涂润滑剂→加热→等温模锻→加热→切边→表面清理→检验→打磨→加热→校正→热处理→表面清理→X射线→终检→打磨。叶片一次顶锻加热温度(Tβ-40)℃±10℃，一次顶锻温度≥℃，等温模锻的加热温度为(Tβ-60)℃±10℃，切边、校正工序的加热温度℃±10℃，切边、校正终锻温度≥℃。切边、校正均采用普通模锻的锻造工艺。模具设计及有限元模型建立带阻尼台叶片模具设计如图3所示，采用Ⅲ型飞边槽设计，飞边槽桥部尺寸15mm，仓部尺寸45mm。叶片毛坯划分网格个，锻造温度℃，上模速度0.2mm/s，模具与毛坯摩擦系数0.3。图3带阻尼台叶片模具示意图
锻造过程模拟及分析毛坯优化前叶片成形过程图4为优化前叶片成形过程及载荷，红框区域为重点变形区域，带阻尼台叶片锻造最大行程78.4mm，最大载荷吨。由图可知，由于叶片毛坯形状比较复杂，图4①为锻造初始状态，锻造成形过程前50%行程主要是锻件的定位过程；在行程为63mm时(图4②)，叶片榫头区域出现折叠；行程为70.7mm时(图4③)，叶片阻尼台区域出现折叠；行程为76mm时(图4④)，叶片小端及阻尼台区域基本成形；行程为76.8mm时(图4⑤)，叶片榫头区域基本成形；叶片大端与榫头连接处为锻件最后成形区域，在行程达到78.4mm时零件完全成形(图4⑥)。经过对榫头和阻尼台折叠缺陷成形过程的分析认为，形成折叠的主要原因为：⑴毛坯榫头及阻尼台过渡区域圆角太小；⑵叶片榫头及阻尼台区域金属流动距离太大。图4优化前叶片成形过程及载荷
毛坯优化后叶片成形过程针对带阻尼台叶片锻造过程出现折叠问题，对原始叶片毛坯进行优化，⑴增大榫头及阻尼台过渡圆角；⑵对叶片毛坯开展叶片顶锻制坯+榫头及阻尼台采用顶锻模夹扁。图5为优化后叶片成形过程及载荷，图5①为锻造初始状态，带阻尼台叶片锻造最大行程71.6mm，为优化前94%，最大载荷吨，为优化前71%，锻造过程无折叠等缺陷产生。由图可知，优化后阻尼台叶片锻造过程发生了很大变化，在行程为61.2mm时(图5②)，叶片阻尼台区域基本成形；行程为66.8mm时(图5③)，叶片小端基本成形；行程为69.4mm时(图5④)叶片榫头基本成形；行程为71.6mm时(图5⑤)，零件完全成形，成形后零件飞边均匀。图6为优化后叶片横截面在锻造过程中流线分布变化过程，由图可知叶片流线分布较为合理。图5优化后叶片成形过程及载荷
图6成形过程中带阻尼台叶片流线分布
工艺方案验证TC6钛合金带阻尼台叶片锻造过程在t等温锻液压机上进行，锻后叶片金相组织如图7所示为等轴组织，锻件截面图如图8所示，叶片内部流线清晰，无明显缺陷。成形叶片室温抗拉强度为MPa，伸长率12.5%，断面收缩率42%，冲击韧性38J/cm2，℃高温抗拉强度MPa，各项理化检验指标均符合设计要求。图7叶片金相组织
图8带阻尼台叶片锻件截面图
结束语采用顶锻制坯+榫头及阻尼台采用顶锻模具夹扁+等温模锻工艺可有效降低带阻尼台叶片锻造成形载荷，消除锻造过程中可能出现的折叠缺陷，实际锻造过程与模拟一致，验证了模拟的可靠性。——文章选自：《锻造与冲压》年第1期
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