TC4合金航空发动机风扇机匣环件全流程精确成形技术：从φ300mm棒材筛选到径轴轧制-胀形成形，再到初生α相35%-45%与450℃拉伸681MPa的组织性能协同

TC4合金是一种中等强度的α+β型两相钛合金，具有优异的综合性能，是制备航空发动机进气和风扇机匣的首选材料。该类型机匣外径尺寸较大，且壁厚较薄，常在加工和服役过程中出现变形情况，严重时甚至导致零件报废。与国外成形技术相比，国内环件材料利用率普遍较低。

针对以上情况，设计异形截面环件，采用径轴双向复合轧制，开发薄壁环件胀形工艺，实现了异形截面环件精确成形，并提高了环件轧制过程变形均匀性和材料利用率，同时调控内部应力分布。结果表明，采用本次设计的工艺生产的锻件显微组织、各项力学性能指标满足技术标准要求。

TC4合金含有6%α稳定元素Al和4%β稳定元素V，兼具了α钛合金和β钛合金部分优点，综合性能优异，且具有良好的加工性能，在航空和航天工业中得到了广泛应用，目前是制作航空发动机进气和风扇机匣的首选材料。

TC4合金进气和风扇机匣外径通常超过1000mm，高度约300mm，且壁厚较薄，在后续零件加工过程中，变形问题突出。与国外环件精确辗轧技术相比，国外环轧机已经实现数字化控制，径轴双向复合轧制技术已经应用成熟，环件尺寸精度达到了环件外径的1‰。国内仍然采用传统的单向辗轧工艺，精度较低，材料利用率不高。

本文以TC4合金机匣为研究对象，进行精化加工余量设计，减少后续机械加工余量，避免大余量加工。开发径轴双向复合轧制技术和胀形工艺，提高环件尺寸精度，同时调控内部应力分布，降低后续变形风险。

试验方案

本文以TC4合金机匣环件为研究对象，对环件进行优化设计，减少环件单边设计余量，降低后续加工成本。结合数值模拟技术，对辗轧过程进行仿真，设计最佳的中间环坯。开发胀形工艺，调控环件内部应力分布，并进一步提高环件尺寸精度，实现异形截面环件精确成形。

试验材料的选用

本次试验采用φ300mm规格的TC4棒材，按照原材料技术标准进行化学成分、显微组织和力学性能检测，其显微组织见图1，化学成分见表1，棒材力学性能见表2。

表1棒材化学成分

表2棒材力学性能

工艺方案的制定

⑴优化锻件结构

本次以TC4合金机匣为研究对象，根据环件最终交付形状、结构和成形特点，对原有的环件进行优化设计，优化前后环件截面对比见图2。

通过对比优化前后环件截面可以发现，优化后的内外环面的加工余量由8mm减少为5mm，在高度方向，加工余量略有增加。在形状设计方面，增加了下端外环面直壁段的高度，有利于提高辗轧过程的稳定性和尺寸测量精度。总体而言，环件重量减少明显，节省了原材料成本。同时大量减少后期的加工工时，其综合经济性较好。

⑵辗轧数值模拟

结合数值模拟技术对辗轧成形过程进行仿真，经过迭代模拟计算，最终确定环坯尺寸为φ770mm×φ660mm×280mm，并选取9个典型位置作为点追踪，其相对位置示意图如图3所示，辗轧成形后环件的等效应变场和温度场分布云图分别见图4和图5。

从图4环件辗轧结束时整体应变分布可以看出，最小应变出现在环件下端底部，应变值分布在0.57~0.67之间，最大应变出现在环件上端内环面的局部小区域，应变值分布在1.87~2.33之间。轧制结束时，环件整体的等效应变分布沿轴向，上端应变最大，越接近下端面，应变越小。各位置点追踪数据显示环件最小变形区域等效应变均在0.5以上，表明环件下端变形量充分。环件轧制结束时，整体等效应变分布大致在0.57~2.33，各区域变形相对均匀，不存在小变形区，填充情况良好。

从图5环件辗轧结束时温度分布云图可以看出，在整个轧制过程中，环件的温度呈整体均匀下降的趋势。轧制结束时，环件整体温度呈现出内高外低的分布，最低温度出现在环件下端与垫板接触区域，在824~846℃之间，最高温度出现在环件心部区域，最高温度为961℃。这对于TC4合金而言，环件各区域整体温度分布相对均匀，且有良好的终锻温度。

⑶胀形数值模拟

环件辗轧结束后进行胀形工艺设计，采用1火次加热，多道次胀形成形方案。利用液压胀形机进行多道次胀形，胀形温度在800~900℃，环件胀形的几何模型如图6所示。

结合有限元数值模拟技术对胀形过程进行仿真，胀形结束时，环件的等效应变分布云图和应力分布云图分别见图7和图8。

从图7中可以看出，环件整体等效应变分布在0.04~0.05之间，进入塑性变形状态，且整个环件应变分布十分均匀。从应力分布也可以看出，环件整体的应力在60~63MPa，降低了后续因内部残余应力不均而导致变形的风险，同时将环件的尺寸精度提高到环件外径的2‰，进一步提高材料利用率，经济效益十分明显。

试验结果

显微组织

按照技术要求，在环件上、中、下部位进行取样检测显微组织，各部位显微组织见图9。环件各区域初生α相含量在35%~45%之间，次生片层α相细小，这对于提高环件的综合性能是十分有利的。

力学性能

按照技术要求在上、中、下区域取样检测，进行室温拉伸、高温拉伸、持久力学性能测试。锻件室温拉伸、400℃高温拉伸和持久检测结果见表3，从表3中可以看出，室温拉伸抗拉强度平均值为1051MPa，高温拉伸的抗拉强度平均值为701MPa，其余各项指标满足技术标准要求，且有较大的富余度。各区域的持久性能均在200h以上。

在环件中部进行取样测试室温冲击、300℃、450℃拉伸、400℃×100h热稳定性能，检测结果见表4。从表4检测结果可以看出，环件各项性能数据未见异常，与同类型产品性能相当。

表3环件力学性能测试结果

表4环件力学性能检测结果

结束语

本次试验选取TC4合金机匣环件作为研究对象，对环件结构进行精化设计，并设计中间环坯，提高环件轧制过程变形的均匀性。并结合有限元数值模拟技术，对环件辗轧、胀形过程进行仿真。成形后环件各部位变形均匀，具有良好的终锻温度。按照技术要求，对环件各部位进行显微组织和力学性能测试，结果表明：

⑴通过精化环件设计余量，减少环件重量，同时降低后续的机械加工工时，降低机械加工成本。采用1火次加热，多道次胀形工艺，调控环件内部应力，使其达到均匀分布，降低后续加工和服役变形风险，同时经过胀形，环件尺寸精度达到环件外径的2‰，进一步提高环件尺寸精度。

⑵结合有限元数值模拟技术，对环件辗轧和胀形过程进行仿真，从变形结束时温度场和应变场可以看出，各部位变形相对均匀，不存在小变形区域，各截面填充良好；变形结束时，环件各区域温度在824~961℃之间，环件终锻温度十分理想。

⑶经过理化测试，试制环件的显微组织、力学性能均满足技术要求，且都有一定富余度。

（注，原文标题：薄壁TC4合金环件精确成形工艺设计）