航空用TC4/TC17/TC6鈦合金等溫鍛件研制

發布時間： 2021-02-28 20:59:46 瀏覽次數：

1、引言

現代戰爭對武器及裝備提出了許多新的要鈦合金是價格昂貴的金屬材料又屬于難加工求，其中對軍用飛機的要求更高。這使得高比強、中溫性能好，耐腐蝕性能優良的鈦合金成為現代軍用飛機的主要結構材料之一。飛機發動機的回轉體、機匣、飛機框架、傳動部件、起落架部件等都是性能要求高，形狀復雜的零件，因而對加工成此類零件的鈦合金鍛件提出了很高的要求。

(熱加工和機械加工)的類型。采用傳統的鍛造方式，由于變形抗力大，變形溫度高，變形溫度范圍狹窄，普通鍛造只能鍛成比較粗的鍛件。通過大量機加工成型鍛件，大量金屬被機加工切削掉，金屬材料利用率低，機加工成本高，使最終零件價格昂貴。另外，鈦合金對鍛造工藝參數比較敏感，鍛造溫度、變形量以及冷卻速度的改變都會引起鈦合金組織性能的變化。傳統模鍛很難精確控制鍛造的工藝參數，造成鍛件組織和性能波動較大。用等溫鍛造技術生產的鍛件，尺寸精確、性能穩定，組織性能易控制，是一種理想的鈦合金鍛造方法。等溫鍛造技術的出現為航空航天生產精密、優質的鍛件開創了一條重要的途徑。

2、等溫鍛造的基礎

2.1 低變形抗力及高的延伸率

部分金屬或合金在高溫和低應變速度下，塑性異常升高，應力顯著降低的現象即為超塑性，其特點是用低的應力產生大的塑性變形。力學特性符合公式。

o=K·∈^m

式中K是常數，∈是應變速率，m是表示變形應力對應變速度敏感性系數。公式說明M值愈小，應變速率稍微減慢，變形抗力即明顯下降。

TC4鈦合金的變形特性

圖1、圖2是TC4鈦合金的變形特性。從圖1可以看出，在800~950℃范圍內，隨著溫度升高，延伸率最大，可達到1000%以上。變形應力隨溫度升高而降低。從圖2可以看出，不同溫度下變形速率從5.2×10-3降到5.2×10-4，應力明顯下降，可降到20MPa以下。

2.2 變形均勻

在鍛造過程中，模具的致冷作用都強烈影響工件與模具接觸的表面，再加上摩擦力，使工件表面的低溫層變形量特別低，無法破碎原有的粗晶，形成了變形死區。變形死區是鍛造中難于避免的現象，是造成鍛件中組織不均勻現象的重要原因。

常規的鍛造都有明顯的死區，而等溫鍛和熱模鍛的模具溫度與變形工件的溫度處于相同或相近的狀態，這樣消除了工件表面的低溫層也就消除了變形死區。

2.3 鈦合金等溫鍛造的實現

鈦合金等溫精密鍛件實現的條件是鈦合金在某一個較窄溫度范圍，以很慢速度變形，并保持溫度不變。因此，只有模具溫度與變形工件溫度相等或相近才能實現此條件。在等溫鍛造過程中變形工件表面不存在低溫區，鍛造的各種參數如溫度、壓力、速度、壓下量等都能預先設定并自動控制。金屬變形均勻，可以獲得理想的組織和性能，實現鈦合金鍛件的精密鍛造。

3、航空用鈦合金等溫精密鍛件的研制

3.1 鍛件設計及模具設計

航空用鈦合金等溫鍛造精密鍛件，通常設計鍛件的單邊加工余量考慮了超聲波盲區為3-6mm，形狀與零件相近。脫模角0~3°。

鍛件主要采用閉式鍛造法設計模具。在模具成形設計與中間坯設計時，要考慮在成形過程中產生渦流、回流、折疊、缺肉等現象，局部設計一些飛邊倉。

等溫鍛造鈦合金的模具需加熱到950℃左右，且要承受一定的壓力，模具材料在高溫下應有一定的強度。目前模具材料采用鑄造K3高溫合金材料。

3.2 原材料

等溫鍛造所用的原材料化學成分、力學性能必須符合相關的技術條件要求。原材料為各種規格的圓棒，用料尺寸一般采用高寬比2.5~2.7。

3.3 等溫鍛造

基本成型工序：下料→等溫鍛餅超聲波探傷→等溫鍛造→熱處理→精整→檢驗→人庫。

終鍛鍛造溫度、鍛造壓力、鍛后冷卻方式、熱處理制度應根據材料牌號及鍛件所需的組織和性能來決定。為了防止鍛件表面氧化，每次熱加工時工件表面都涂上防氧化潤滑劑。

4、試驗結果

4.1 外形