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兵器装备工程学报 2017-08-23 TC25钛合金机匣优化锻造工艺研究 谢永富1，葛 波1，吕日红2，苏春民1，张小梅1 (1.贵州安大航空锻造有限责任公司， 贵州安顺 561005； 2.贵州黎阳航空动力有限公司， 贵阳 550014) 作者简介：谢永富(1968—)，男，高级工程师，主要从事材料加工研究。 通讯作者：葛波(1988—)，男，工程师，主要从事锻造热处理研究。 本文引用格式：谢永富，葛波，吕日红，等.TC25钛合金机匣优化锻造工艺研究[J].兵器装备工程学报，2017(6):121-124. Citation：format:XIEYong-fu， GE Bo， LYU Ri-hong, et al.Research on TC25 Titanium Alloy Forging ProcessOptimization[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(6):121-124. 摘要：针对TC25钛合金机匣类薄壁零件在加工和使用过程中容易变形，通过对TC25钛合金某锻件进行锻造、热处理等工艺参数优化的技术研究，对比分析原工艺和优化工艺对锻件产品组织、性能、残余应力等方面的影响，优化工艺生产锻件的组织均匀性和应力均匀性，工艺优化效果明显，基本实现了残余应力和组织状态有效管理。 关键词：TC25钛合金；残余应力；工艺参数；均匀性 TC25钛合金是前苏联研制的α+β型两相钛合金，属于Ti-Al-Zr-Sn-Mo-W系合金，综合性能优良，而且兼有高热强性和热稳定性。研究表明，TC25钛合金零件在500℃以下可工作6000 h，在550℃左右也可工作3 000 h；该合金加工性能良好，被广泛应用于航空发动机关键零件[1-3]。 航空发动机用机匣类锻件多为关重件，其品质关系到发动机工作的安全性和可靠性[4-7]。验证机阶段所制造的大型机匣类锻件的组织和性能虽然能满足相关技术要求，但由于此类机匣锻件加工出的零件具有薄壁、形状结构复杂、加工余量大、刚性低、精度要求高等特点，在制造和使用过程中易产生变形，从而降低了发动机的可靠性[8]。 为解决TC25合金薄壁类零件存在的品质问题，实现TC25钛合金薄壁类零件的冶金品质稳定，提高组织均匀。需对TC25钛合金锻件进行锻造、热处理等工艺参数研究，对工艺进行优化、细化[9-10]。优化工艺，可提高锻件冶金品质。细化工艺，可提高工艺的操作性和可控性，减少人为及其它影响锻件变形的不利因素，提高产品品质稳定性与批次一致性。 1实验思路 要解决TC25合金机匣类薄壁零件在整个加工过程中容易产生变形的问题，首先要实现TC25合金薄壁类零件的冶金品质稳定，即锻件的组织、性能、应力状态等均需尽量均匀。本文思路为采用优化、细化工艺生产环件，研究优化、细化工艺对环件尺寸精度的影响，对比分析环件优化、精化工艺与原轧制工艺对环件组织性能的影响。 2工艺优化 2.1 优化原则 从原材料、加热、锻造、热处理等全过程进行分析，对工艺进行优化、细化，遵循主导工艺不变，采用胀形新技术。 2.2 工艺改进措施 要实现TC25钛合金薄壁类零件的冶金品质稳定，需提高锻件冶金品质，保证组织均匀性，提高工艺的操作性和可控性，减少人为及其它影响锻件变形的不利因素，提高产品品质稳定性与批次一致性。 根据我公司生产实际，相对于辗轧工艺，辗轧+胀形组合工艺有以下优点： 有效消除椭圆、喇叭口等成形缺陷； 提高环件成形后尺寸精度，降低材耗； 环件周向应力趋于一致；提高产品品质稳定性。我公司对原工艺存在的一些问题进行了改进和优化(具体情况见表1)。 表1 工艺改进措施
工序问题措施目的冲孔造成批次锻件内孔尺寸不一致。规定冲头尺寸。使批次锻件内孔尺寸一致。成形变形分配不合理。增加预轧、胀形工序。消除内应力，增加锻件成形精度。使变形量分配合理，锻件变形均匀。 3锻件生产 采用原工艺和优化工艺各生产1件TC25钛合金某机匣锻件。 原工艺主要生产工序为下料加热镦粗加热冲孔、胀孔加热终轧热处理机加探伤理化测试。 优化工艺主要生产工序为下料加热镦粗、冲孔加热预轧加热终轧加热胀形热处理机加探伤理化测试。 4锻件理化分析 对锻件进行理化测试后，分析原工艺和优化工艺对锻件产品组织、性能、残余应力等方面的影响。 热处理后，检验锻件两端面周向均布4点位置的硬度值，结果如表2所示。相对于原工艺，优化工艺两端面硬度值差值小，硬度分布均匀。 表2 锻件工艺优化前后硬度对比
硬度值HB(d)同一端面最大差值不同端面最大差值原工艺端面A3．333．443．483．500．17端面B3．403．503．553．600．200．27优化工艺端面A3．333．323．243．330．09端面B3．333．253．233．270．100．10 锻件按图1要求取样，进行理化测试。 原工艺锻件低倍未见缺陷及清晰晶，符合技术要求4级，如图2所示；优化工艺锻件低倍未见缺陷及清晰晶，符合技术要求3级，如图3所示。原工艺锻件高倍组织为两相区加工组织，组织形态符合技术条件要求2级，如图4所示；优化工艺锻件高倍组织为两相区加工组织，组织形态符合技术条件要求2级，如图5所示。
图1 锻件理化取样位置图
图2 原工艺低倍照片
图3 优化工艺低倍照片
图4 原工艺高倍照片
图5 优化工艺高倍照片 原工艺与优化工艺常温力学性能、高温力学性能、热稳定性对比分别如表3、表4、表5。此外优化前后的锻件500℃、550℃高温持久性能皆合格。 表3 锻件工艺优化前后常温力学性能
试样Rm/MPaA/%Z/%HB/dAk/J原 工 艺1上103820．5433．44572上101719．5503．44621中104121．0513．40482中101721．5473．38501下101619．5443．40542下103519．5453．4050优化工艺1上107817．5243．30422上106618．5413．32401中105717．5423．30382中106919．0433．28401下106816．0413．30402下106919．5463．3048指标≥980≥7≥153．2～3．7≥29．4 表4 锻件工艺优化前后高温力学性能
项目试样500℃高温瞬时强度Rm/MPaA/%Z/%550℃高温瞬时强度Rm/MPaA/%Z/%原 工 艺1上71523．062．570023．565．52上71524．064．070523．066．51中74519．562．569026．569．52中72024．061．570521．567．51下73020．059．568522．568．02下72021．561．571022．066．5优化工艺1上77022．556．074022．063．52上78023．553．572023．061．01中79521．553．072523．058．02中77021．552．074525．558．51下77521．056．572021．060．02下78020．052．573524．559．5指标≥735实测实测≥686实测实测 表5 锻件工艺优化前后热稳定性
综上可知，相对于原工艺，优化工艺低倍组织更细，优化工艺高倍组织初生α相等轴化程度更高，且组织分布均匀；常温力学性能、高温力学性能、热稳定性提高、塑性下降。高温瞬时强度，原工艺不合格，优化工艺强度合格。优化工艺锻件各位置的各项性能差值较小，分布均匀。 5残余应力测试分析 将锻件按小孔法进行残余应力测试，分别测试锻件上下端面和内环面各8个点，上下端面和内环面的各个点一一对应，点与点之间的角度为45°，8点位置平均分布。测试点分布如图6。 经检测，锻件工艺优化前后残余应力如表6、表7、表8所示。工艺优化后，优化锻件内环面、外端面1、外端面2残余应力均值皆小于原工艺锻件，优化工艺锻件内环面、外端面1残余应力极差皆小于原工艺锻件，优化工艺锻件外端面2残余应力极差稍大于原工艺锻件。综上所述，工艺优化后，锻件各处残余应力值均小于原工艺，分布更加均匀。
图6 测试点分布图 表6 锻件内环面工艺优化前后残余应力 表7 锻件外端面1工艺优化前后残余应力对比 表8 锻件外端面2工艺优化前后残余应力对比 6结论 1) 采用优化工艺生产的TC25钛合金某机匣锻件，力学性能、高低倍组织检测，指标均符合技术条件。 2) 采用优化工艺生产的锻件的残余应力大小和均匀性皆取得了明显提高，优化工艺效果明显，基本实现了残余应力和组织状态有效管理。 小编学非该专业，内容以原文为准。 |
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