一种钛合金模锻件的加工方法

技术领域

本发明属于工件模锻领域，具体涉及一种钛合金模锻件的加工方法。

背景技术

钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金，其中，TC11钛合金作为一种高铝当量的马氏体型(α+β)两相热强钛合金，不仅具有密度小、比强度高和耐腐蚀强等优点，还具有良好的高温强度、热稳定性和抗蠕变性能。在500℃以下具有优异的热强性能，主要用于制造航空发动机的压气机盘、叶片、环形件和紧固件等。

采用模锻的锻造方式，可以得到各种形状的锻件，与钢模锻件相比，钛合金模锻要相对困难，这是由于钛合金在高温下的变形抗力比钢件大，同时，在加热、酸洗以及模锻过程中与油等碳氢化合物接触时，容易被氢、氮、氧污染，而且钛合金的热变形温度较窄，金属流动性较差，容易粘模，若模具和生产工艺设计不当，容易造成锻件局部充不满、折叠等质量缺陷。因此，对于一些具有复杂外形和特殊质量要求的钛合金模锻件，必须要对其模具的设计和生产工艺进行适当控制，方可得到质量良好的钛合金模锻产品。

公开号为CN101722259A的专利文件公开了一种飞机用TC11钛合金模锻支架的制造方法，其是通过计算机3D造模及计算机3D模具开发设计等模具加工技术制造出用于模锻支架模具，通过模锻锤初锻、模锻锤二次锻造及双重退火处理等步骤制成飞机用TC11钛合金模锻支架。其是先制作模具再进行锻造，所需的锻件其形状较为复杂，但在锻造过程中并未对放料方式等进行说明限定，很容易导致锻件局部填充不满，造成锻件质量缺陷。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供了一种钛合金模锻件的加工方法。

具体是通过以下技术方案来实现的：

一种TC11钛合金模锻件的加工方法，具体方法如下：

1、分模面设计：根据需方要求，该产品只有面1、面2、面3为加工面，其余均为非加工面。因此，尽管该产品为沿A-A面对称分布的模锻件，若选取A-A面为分模面会比较容易成形，但为了满足需方对产品的非加工面要求，模具设计时不能以A-A面作为分模面来进行平直对称分模，故选取非对称曲面a-b-c为分模面进行分模，拔模角度为5°；

2、锻件成型有限元模拟分析：采用DEFORM-3D有限元分析软件进行模拟分析，锻件的锻造重量为0.88kg，设置模拟基本参数为：坯料规格Φ70×90mm，料重1.55kg，坯料温度980℃，网格数量40000，摩擦系数0.3，上模下压速率7mm/s；

3、模拟结果分析：采用630t摩擦压力机进行模锻成型生产，通过对锻件模锻成形演示过程和上模的时间-压力曲线图进行分析，可以得知，坯料各部位的分料均匀合理，当压力值基本达到压力机的压力上限时，坯料已经基本成形，而且坯料在成形过程中，坯料本体上未出现折叠、缺肉等质量缺陷，锻件成形过程良好，但成形后锻件毛边较大，可进行相应精化，减少原材料用料；从等效应变分布图和典型部位时间-应变曲线图可以看出，在锻造过程中锻件本体上的应变部位主要集中在锻件水平圆柱体和垂直圆柱体相连接的部位以及毛边出料口附近部位，水平圆柱体的上半部位和垂直圆柱体的下半部位的等效应变相对较小。锻件的局部极小应变值为0.26，局部极大应变值为2.58，整体等效应变大部分在0.417～1.04范围内，对应的变形量为34％～64.7％，可以满足钛合金锻造时的变形量要求，确保锻件的组织和性能达到需方的要求；从锻件流线分布图可以看出，按该工艺方案进行模锻的锻件本体流线基本沿锻件外形分布，流线没有明显的切断，也没有明显的穿流和涡流，满足GJB 2744A的锻件低倍流线要求；

4、锻造：根据模拟分析结果，调整实际锻造参数为：坯料重量进行减料至规格为Φ70×75mm，料重为1.29kg，坯料温度980℃，网格数量40000，摩擦系数0.3，上模下压速率7-10mm/s，对胚料采用斜放料的方式，经下料、倒角、车端面、喷润滑剂、一次加热、制荒型、一次模压、热切边、喷润滑剂、二次加热、二次模压、热切边、吹砂、双重退火、酸洗、理化、验收后得到锻件。其中，一次加热和二次加热的温度均为(T

综上所述，本发明的有益效果在于：本发明通过采用非对称曲线分模方式和不同的放料方式进行TC11钛合金模锻件的锻造，使材料利用率达到68.3％，锻件整体的变形量基本在34-64.7％的范围内，模具内的型腔填充良好，锻件表面没有出现明显的表面缺陷。

其中，根据需方要求，TC11模锻件03-1只有面1、面2、面3为加工面，其余均为非加工面，因此，尽管该产品为沿A-A面对称分布的模锻件，若选取A-A面为分模面会比较容易成形，但为了满足需方对产品的非加工面要求，模具设计时不能以A-A面作为分模面来进行平直对称分模，采用非对称曲线分模的锻造方式可使需方在后续的机加工序中只需对面1、面2两个加工面进行加工即可达到锻件要求尺寸，可以满足需方对产品非加工面的要求。由于采用曲面非对称分模的锻造方式，下模端面为非平直的平面，故坯料无法采用横放料的放料方式，而如采用立放料的放料方式，则会由于坯料集中在下模垂直腔体部位而导致下模垂直腔体部位出现坯料堆积过多，而水平腔体部位则由于缺料而导致局部填充不满，因而采用斜放料的方式进行锻造，可避免锻件出现局部填充不满的质量问题。采用本方案所得到的锻件强度、塑性和韧性均可达到GJB 2744A要求，锻件显微组织为典型的双态组织(等轴α+条状β转)，初生α含量约为35％，组织形态符合标准要求。流线与模拟结果基本一致，未见缺陷及清晰晶，满足标准要求。采用合理的分模方式，可以满足复杂外形模锻件非加工曲面的加工要求，采用本文的工艺方案生产TC11钛合金模锻件，原材料利用率可以达到68.3％，锻件整体的变形量基本在34％～64.7％范围内，模具内的型腔填充良好，锻件表面没有出现明显的表面缺陷，得到的锻件组织和性能均能达到预期要求。并且，在实际锻造前先采用DEFORM-3D有限元分析软件进行模拟分析，可有效预测锻件成型情况，从而筛选出最佳工艺参数，无需实际筛选，极大减少了筛选实验所造成的物料浪费。

附图说明

图1为TC11模锻件03-1的外形尺寸示意图。

图2为TC11钛合金模锻件有限元数值模拟模型，其中，图a为上模，图b为下模。

图3为模锻件03-1立放料成形模拟图，其中，图c为立放料示意图，图d为模拟成型结果。

图4为模锻件03-1斜放料示意图。

图5为模锻件03-1斜放料模拟成型示意图。

图6为模锻件03-1时间-压力曲线图。

图7为模锻件03-1等效应变分布图。

图8为模锻件03-1典型部位时间-应变曲线图。

图9为模锻件03-1锻件流线分布图。

图10为模锻件03-1高倍照片。

图11为模锻件03-1低倍照片。

图12为模锻件03-1实物图，其中图e为切边前，图f为切边后。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明并不局限于这些实施方式，任何在本实施例基本精神上的改进或代替，仍属于本发明权利要求所要求保护的范围。

实施例1

一种TC11钛合金模锻件的加工方法，具体方法如下：

1、分模面设计：根据需方要求，该产品只有面1、面2、面3为加工面，其余均为非加工面。因此，尽管该产品为沿A-A面对称分布的模锻件，若选取A-A面为分模面会比较容易成形，但为了满足需方对产品的非加工面要求，模具设计时不能以A-A面作为分模面来进行平直对称分模，故选取非对称曲面a-b-c为分模面进行分模，拔模角度为5°；

2、锻件成型有限元模拟分析：采用DEFORM-3D有限元分析软件进行模拟分析，锻件的锻造重量为0.88kg，设置模拟基本参数为：坯料规格Φ70×90mm，料重1.55kg，坯料温度980℃，网格数量40000，摩擦系数0.3，上模下压速率7mm/s；

3、模拟结果分析：采用630t摩擦压力机进行模锻成型生产，通过对锻件模锻成形演示过程和上模的时间-压力曲线图进行分析，可以得知，坯料各部位的分料均匀合理，当压力值基本达到压力机的压力上限时，坯料已经基本成形，而且坯料在成形过程中，坯料本体上未出现折叠、缺肉等质量缺陷，锻件成形过程良好，但成形后锻件毛边较大，可进行相应精化，减少原材料用料；从等效应变分布图和典型部位时间-应变曲线图可以看出，在锻造过程中锻件本体上的应变部位主要集中在锻件水平圆柱体和垂直圆柱体相连接的部位以及毛边出料口附近部位，水平圆柱体的上半部位和垂直圆柱体的下半部位的等效应变相对较小。锻件的局部极小应变值为0.26，局部极大应变值为2.58，整体等效应变大部分在0.417～1.04范围内，对应的变形量为34％～64.7％，可以满足钛合金锻造时的变形量要求，确保锻件的组织和性能达到需方的要求；从锻件流线分布图可以看出，按该工艺方案进行模锻的锻件本体流线基本沿锻件外形分布，流线没有明显的切断，也没有明显的穿流和涡流，满足GJB 2744A的锻件低倍流线要求；

4、锻造：根据模拟分析结果，调整实际锻造参数为：坯料重量进行减料至规格为Φ70×75mm，料重为1.29kg，坯料温度980℃，网格数量40000，摩擦系数0.3，上模下压速率7mm/s，对胚料采用斜放料的方式，经下料、倒角、车端面、喷润滑剂、一次加热、制荒型、一次模压、热切边、喷润滑剂、二次加热、二次模压、热切边、吹砂、双重退火、酸洗、理化、验收后得到锻件。其中，一次加热和二次加热的温度均为(Tβ-35)℃；一次模压和二次模压均采用摩擦压力机以6.3MN的压力进行模压；双重退火时，第一次退火加热温度为900℃，第二次退火加热温度为550℃。

实施例2

一种TC11钛合金模锻件的加工方法，具体方法如下：

1、分模面设计：根据需方要求，该产品只有面1、面2、面3为加工面，其余均为非加工面。因此，尽管该产品为沿A-A面对称分布的模锻件，若选取A-A面为分模面会比较容易成形，但为了满足需方对产品的非加工面要求，模具设计时不能以A-A面作为分模面来进行平直对称分模，故选取非对称曲面a-b-c为分模面进行分模，拔模角度为5°；

2、锻件成型有限元模拟分析：采用DEFORM-3D有限元分析软件进行模拟分析，锻件的锻造重量为0.88kg，设置模拟基本参数为：坯料规格Φ70×90mm，料重1.55kg，坯料温度980℃，网格数量40000，摩擦系数0.3，上模下压速率7mm/s；

3、模拟结果分析：采用630t摩擦压力机进行模锻成型生产，通过对锻件模锻成形演示过程和上模的时间-压力曲线图进行分析，可以得知，坯料各部位的分料均匀合理，当压力值基本达到压力机的压力上限时，坯料已经基本成形，而且坯料在成形过程中，坯料本体上未出现折叠、缺肉等质量缺陷，锻件成形过程良好，但成形后锻件毛边较大，可进行相应精化，减少原材料用料；从等效应变分布图和典型部位时间-应变曲线图可以看出，在锻造过程中锻件本体上的应变部位主要集中在锻件水平圆柱体和垂直圆柱体相连接的部位以及毛边出料口附近部位，水平圆柱体的上半部位和垂直圆柱体的下半部位的等效应变相对较小。锻件的局部极小应变值为0.26，局部极大应变值为2.58，整体等效应变大部分在0.417～1.04范围内，对应的变形量为34％～64.7％，可以满足钛合金锻造时的变形量要求，确保锻件的组织和性能达到需方的要求；从锻件流线分布图可以看出，按该工艺方案进行模锻的锻件本体流线基本沿锻件外形分布，流线没有明显的切断，也没有明显的穿流和涡流，满足GJB 2744A的锻件低倍流线要求；

4、锻造：根据模拟分析结果，调整实际锻造参数为：坯料重量进行减料至规格为Φ70×75mm，料重为1.29kg，坯料温度980℃，网格数量40000，摩擦系数0.3，上模下压速率9mm/s，对胚料采用斜放料的方式，经下料、倒角、车端面、喷润滑剂、一次加热、一次模压、热切边、喷润滑剂、二次加热、二次模压、热切边、吹砂、双重退火、酸洗、理化、验收后得到锻件。其中，一次加热和二次加热的温度均为(Tβ-35)℃；一次模压和二次模压均采用摩擦压力机以6.3MN的压力进行模压；双重退火时，第一次退火加热温度为980℃，第二次退火加热温度为580℃。

实施例3

一种TC11钛合金模锻件的加工方法，具体方法如下：

1、分模面设计：根据需方要求，该产品只有面1、面2、面3为加工面，其余均为非加工面。因此，尽管该产品为沿A-A面对称分布的模锻件，若选取A-A面为分模面会比较容易成形，但为了满足需方对产品的非加工面要求，模具设计时不能以A-A面作为分模面来进行平直对称分模，故选取非对称曲面a-b-c为分模面进行分模，拔模角度为5°；

2、锻件成型有限元模拟分析：采用DEFORM-3D有限元分析软件进行模拟分析，锻件的锻造重量为0.88kg，设置模拟基本参数为：坯料规格Φ70×90mm，料重1.55kg，坯料温度980℃，网格数量40000，摩擦系数0.3，上模下压速率7mm/s；

3、模拟结果分析：采用630t摩擦压力机进行模锻成型生产，通过对锻件模锻成形演示过程和上模的时间-压力曲线图进行分析，可以得知，坯料各部位的分料均匀合理，当压力值基本达到压力机的压力上限时，坯料已经基本成形，而且坯料在成形过程中，坯料本体上未出现折叠、缺肉等质量缺陷，锻件成形过程良好，但成形后锻件毛边较大，可进行相应精化，减少原材料用料；从等效应变分布图和典型部位时间-应变曲线图可以看出，在锻造过程中锻件本体上的应变部位主要集中在锻件水平圆柱体和垂直圆柱体相连接的部位以及毛边出料口附近部位，水平圆柱体的上半部位和垂直圆柱体的下半部位的等效应变相对较小。锻件的局部极小应变值为0.26，局部极大应变值为2.58，整体等效应变大部分在0.417～1.04范围内，对应的变形量为34％～64.7％，可以满足钛合金锻造时的变形量要求，确保锻件的组织和性能达到需方的要求；从锻件流线分布图可以看出，按该工艺方案进行模锻的锻件本体流线基本沿锻件外形分布，流线没有明显的切断，也没有明显的穿流和涡流，满足GJB 2744A的锻件低倍流线要求；

4、锻造：根据模拟分析结果，调整实际锻造参数为：坯料重量进行减料至规格为Φ70×75mm，料重为1.29kg，坯料温度980℃，网格数量40000，摩擦系数0.3，上模下压速率7-10mm/s，对胚料采用斜放料的方式，经下料、倒角、车端面、喷润滑剂、一次加热、一次模压、热切边、喷润滑剂、二次加热、二次模压、热切边、吹砂、双重退火、酸洗、理化、验收后得到锻件。其中，一次加热和二次加热的温度均为(Tβ-35)℃；一次模压和二次模压均采用摩擦压力机以6.3MN的压力进行模压；双重退火时，第一次退火加热温度为850℃，第二次退火加热温度为530℃。

一、03-1锻件理化性质

对实施例1所得到的TC11模锻件03-1进行性能测试，结果如表1所示。

表1常规性能结果(长横向)

注：L1、L2是在同一试验料上切取的2根试样。