TC1合金壳体锻件模锻成形工艺优化设计

文/李玉凤，李晓婷，洪鑫，郭福民·无锡透平叶片有限公司

TC1合金属于低合金化近α型钛合金，具有中等强度、高塑性、良好的热稳定性和成形性能，多用于飞机蒙皮、帽罩、外壳、支撑机匣等重要部件。壳体锻件属于典型的中小型空心盘类锻件，该类锻件形状简单但模锻成形难度较大，常常通过加大工艺余量、增加锻造火次、增加辅助工序等来获得组织性能良好的锻件。项目组分析产品结构特性和工艺特性后，通过数值模拟优化工艺设计并进行生产验证，从而获得低成本高质量的锻件，为研制类似产品提供了可靠的参考依据和技术支持。

壳体锻件模锻工艺性分析

某发动机用TC1合金壳体模锻件，若采用近净成形方式而设计为环锻件，则需环形坯料进行模锻，环坯制造过程容易产生变形不均匀且增加了工序成本，故考虑将锻件设计为实心盘锻件。在成形过程中，圆饼类锻件中心区域容易形成变形死区导致锻件组织均匀性差，与此同时圆饼类锻件材料利用率低，导致成本增加，综合考虑后，将锻件设计为图1所示的矩形环件，即沿零件外轮廓单边增加5mm的工艺余量，细实线为零件轮廓，高厚比为1.08。

根据锻件的结构特性和质量要求，锻造工艺设计为棒料1火次闭式模锻成形，为保证锻件充分变形、组织均匀且锻造过程坯料定位可靠、操作方便，选用φ200mm的棒料进行生产，后续通过数值模拟评估锻件及工艺可行性。

壳体锻件模锻工艺优化设计

图1 锻件示意图

锻件外缘与中心区域截面变化率高达2.8，截面过渡区域材料流动剧烈，该区域材料应变大，且与温度较低的模具接触容易产生织构或拉裂等缺陷；外缘高厚比达到1.08，外缘下端面填充难度较大。为了准确评估锻件及工艺设计的合理性，采用DEFORM-2D对锻件成形过程进行模拟，图2所示为锻件成形至理论尺寸的温度分布，零件本体区域温度在834℃～905℃之间；图3所示为锻件的应变分布，零件本体区域应变在0.276～0.845之间，最小应变区域位于零件下端面，应变分布均匀性有待提升，且下端面小应变区域原始组织破碎不充分也会影响零件组织整体均匀性。

图2 锻件温度场

图3 锻件应变场

图4 优化前后锻件示意图

综合分析锻件结构和工艺还有优化的空间，为此在原锻件和工艺的基础上对锻件形状和尺寸进行优化，优化后的锻件如图4中点画线所示。

优化后的锻件在原锻件的基础上单边工艺余量减小了1mm，材料利用率提高了约10%，优化前锻件采用闭式模锻，锻件外缘上端面材料流动受阻导致成形载荷高达4970t，优化后的工艺对锻件局部的斜度和圆角进行了调整，并将桥部高度由0mm调整至5mm。

图5为锻件成形工艺优化后的温度场分布，温度在840℃～902℃之间；图6为锻件成形工艺优化后的应变场分布，零件本体区域应变在0.315～0.902之间，与锻件优化前的成形情况相比，应变整体提升且应变场均匀性得以改善。为了进一步验证锻件优化后的成形效果，按图4所示在零件本体区域分别取了9个点，对不同区域的变形情况进行点追踪，图7和图8对比了锻件优化前后温度场和应变场均匀性，蓝色线条展示了优化后的变形情况，温度场和应变场分布均匀性都比优化前好，且载荷降为4380t。因此锻件和工艺经优化后其可行性和适应性更优越，随后按照优化后的锻件和工艺进行生产验证。

图5 优化后锻件成形的温度场

图6 优化后锻件成形的应变场

图7 优化前后锻件温度场均匀性对比图

图8 优化前后锻件应变场均匀性对比图

壳体锻件优化工艺试制验证

按照优化工艺进行试制，其中锻造温度为Tβ-30℃，终锻温度不低于750℃，工装模具预热温度均不低于300℃，变形量大于30%，一火次模锻成形后得到图9所示的锻件，锻件填充良好且表面质量良好。按照标准退火工艺热处理后，锻件轴径截面低倍组织如图10所示，锻件低倍组织均匀性较好。图11是原材料1/2半径位置的高倍组织，组织有明显的方向性；锻件高倍组织见图12，经过模锻后相应位置应变为0.36、温度为890℃，原始条带状组织得以充分破碎，组织均匀性得以明显改善。

图9 锻件实物图

图10 锻件低倍组织

图11 原材料高倍组织

图12 锻件高倍组织

结束语

通过理论分析和数值模拟对比分析，对TC1合金壳体锻件的模锻工艺进行了优化设计，优化后锻件材料利用率提升了10%，实现了锻件的精细化制造；零件本体区域最小应变大于30%，原始组织得以充分破碎，获得了组织均匀性较好的锻件，为研制类似锻件提供了可靠的技术参照依据。