现代航空发动机的结构设计和制造技术是发 动机研制、发展、使用中的关键环节，为 满足第四代战机用发动机以及未来更高代 战机的性能要求，除采用先进技术减少飞机机体结 构、机载设备的重量外，发动机的推重比达到 10 级 以上也是一项比较关键的技术。整体叶盘是发动机的 一种新型结构部件，而在发动机的风扇、涡轮、压气 机采用整体叶盘结构是一种有效提高发动机推重比 的方式，同时也是一种提高发动机性能、简化结构、 降低重量、减少故障率、提高耐久性与可靠性的重要 措施。
整体叶盘是将叶片和叶盘通过先进的工艺做成一 体，省去常规叶盘使用的榫槽和榫头，使结构大大简 化。为了保证整体叶盘的高强度与耐高温性能，钛合 金可作为整体叶盘的优选材料，但是钛合金高强度、 热加工温度区间窄的问题也是目前钛合金锻压成形工 艺的一个较大难题。
试验材料与锻造方案
试验材料为 TC4 合金 (Ti6Al4V)。TC4 合金是一 种 α+β 双相组织的通用钛合金，具有良好的综合 性能，组织稳定性好，具有良好的韧性、塑性与高温 变形性能，能较好地进行热压力加工。本文中试验材 料采购自西部超导材料科技股份有限公司，其化学成 分如表 1 所示。
表 1 TC4 合金的化学成分
| 元素 | Al | V | Fe | B | Y | C | H | O | N |
| 比例 (%) | 6.46 | 4.18 | 0.018 | <0.001 | <0.001 | 0.0178 | 0.0022 | 0.201 | 0.0012 |
图 1 为整体叶盘的毛坯示意图，整体叶盘是中间带有凹槽的饼状结构，凹槽的中心为通孔。为了锻造 整体叶盘，锻造工艺分成了制坯、粗车、模锻、热处 理及时效等工序。
制坯
制坯主要通过两次镦粗过程实现，为得到钛合金 等轴组织，镦粗过程在 60MN 压力机上实现两相区锻 造，上下平砧。本试验中原始坯料为直径 400mm、 长度 950mm 的棒料。原始坯料在锻压制坯前被加热 至 (959±5)℃ ( 相变点以下 50℃ ) 并保温 4 小时， 加热曲线如图 2 所示。在第一镦粗过程中，开锻温度 880℃，终锻温度 780℃ ( 实测坯料外表面温度 )， 分 3 次镦粗，由 950mm 镦粗至 820mm 停留 15 秒后 继续镦粗至 700mm，翻转 180 度镦粗至 535mm，滚 圆调整至 H=535mm。趁热回炉在 (959±5)℃保温 2 小时。在第二次镦粗过程中，开锻温度 880℃，终锻 温度 830℃ ( 实测坯料外表面温度 )，分 2 次镦粗， 由 535mm 镦粗至 400mm 停留 15 秒后继续镦粗至340mm 滚圆调整至 H=340mm。然后在空气中冷却。 制坯后的坯料如图 3 所示。
粗车
按工艺要求进行粗车，上下端面及圆周面单边车 掉5mm。按GB/T 5168-2020进行对坯料上表面腐蚀， 经过低倍检测，可见区域均为模糊晶，晶粒均匀细小。
模锻
为防止锻件表面温降、增加润滑，模锻之前零件 表面需要预涂一层涂层：坯料预热 120 ～ 150℃，喷 涂 Ti-1 玻璃润滑剂 3 遍，厚度 δ=0.5 ～ 0.6mm， 喷涂后的坯料如图 5 所示。
坯料在加热炉内加热至 960℃保温 4 小时，模具 加热至 450℃并保温 8h 以上再进行模锻。模锻设备 为 500MN 压机，设定恒应变速率 V=0.0455s-1，初始 下压速度 10mm/s；第 1 件锻造始锻温度 950℃，终 锻温度 750℃，转移时间 100s，欠压 12.7mm，压力 489.6MN。模锻结束后，坯料冷却至室温，并用水切 割切边。
实际上，模锻模具是本工序最重要的一个问题。为此，实际模锻之前，DEFORM 有限元模拟首先被用 来进行方案的验证。这里我们设计了三个方案，如图 6所示，分别针对上盲孔、下盲孔、通孔坯料三种方案。
通过模拟上下盲孔及下盲孔方案成形均无问题， 通孔方案考虑到下模定位及内孔折叠问题放弃选择。 软件模拟后用铝合金材料对剩余两种方案进行实物演 练，演练结果发现上下盲孔方案在实际操作时会因微 小错移而导致上模冲头下压时盲孔圆周出现折叠。最 终方案选择下盲孔，既满足坯料定位问题，又无锻造 缺陷产生。实物模拟结果见图 7 所示。
热处理及时效
模锻结束后，为提高锻件性能、得到双态组织， 需要对锻件进行固溶热处理及时效处理。固溶处理的 温度 (969±7)℃ ( 相变点以下 40℃ )，保温 4h，保 温结束后出炉水冷，转移时间≤ 30s。时效处理的温 度设定为 (700±5)℃，保温 4.5h，保温时间结束后 为使锻件冷却均匀，出炉置于料架上空冷。
试验结果与讨论
锻件按粗加工锻件图加工，按 GB/T 5168-2020 中的规定进行低倍检测，检测结果表明，锻件表面晶 粒均匀细小，图 8 是典型的模糊晶组织。取样后进行 性能测试，取样见图 9。
性能测试
1) 理化测试项目见表 2；取样位置示意图见图 10。
表 2 理化检测项目
| 项目 | 数量 | 结果 |
| 低倍组织 | 1 | 合格 (模糊晶) |
| 高倍组织 | 2 | 合格 (双态组织) |
| 室温拉伸 | 2 | 合格 |
| 高温拉伸 (300℃) | 2 | 合格 |
| 氢含量 | 1 | 合格 |
2) 低倍、高倍图片见图 11 ～图 16；
3) 力学性能数据见表 3、表 4、表 5：
表 3 室温拉伸数据
| 抗拉强度 / MPa | 屈服强度 / MPa | 延伸率 /% | 断面收缩率 /% |
| 试验数据 1 | 1027 | 928 | 14 | 43 |
| 试验数据 2 | 1020 | 922 | 14 | 42 |
| 标准要求 | 900~1160 | ≥830 | ≥9 | ≥25 |
表 4 高温拉伸数据（300℃）
| 抗拉强度 / MPa | 屈服强度 / MPa | 延伸率 /% | 断面收缩率 /% |
| 试验数据 1 | 742 | 602 | 17.8 | 64 |
| 试验数据 2 | 736 | 597 | 17.2 | 64 |
| 标准要求 | ≥650 | ≥530 | ≥9 | ≥35 |
表 5 氢含量
结束语
锻造粗车后探伤水平能够达到 AA 级；锻件整体 低倍及解剖件纵向低倍均为均匀的模糊晶组织；高倍组织为双相钛合金典型的双态组织；室温拉伸、高温 拉伸性能远超过标准最低要求。
通过模拟、试验后选定最优锻造方案，充分保证 了方案的可行性及可靠性。而最后理化检测结果也表 明我公司从技术和设备方面完全具备锻造大型钛合金 盘件的能力。
（注，原文标题：钛合金大型风扇叶的锻压技术研究）
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