飞机用大型TC4钛合金锻件锻造工艺初探

1、引言

某型号飞机发动机挂架用TC4钛合金锻件尺寸大(单重142 kg，长度1700mm，宽度380mm)，形状复杂，对探伤及性能要求高。采用模锻的方法生产需要的设备吨位大。采用自由锻方法生产，由于锻件的尺寸大，组织很难控制。且国内无此类锻件成熟的生产工艺可供鉴。为此，本实验探讨了在水压机上自由锻制坯、胎模锻成形、锻制TC4合金大型锻件的生产工艺，为航空用大型钛合金锻件的工业化生产提供工艺参考。

2、实验过程

飞机用大型TC4钛合金锻件(图1)，有两个难点：①不仅要求3个面探伤，而且要求达到AA级探伤水平(杂波水平要达到φ1.2mm一9dB)；②锻件形状复杂，各相关尺寸公差小，变截面处有流线要求。

45^#钢坯外购。尺寸为φ720mm、重4t的TC4合金铸锭由宝鸡钛业股份有限公司熔铸厂采用真空自耗电弧炉熔铸，化学成分符合国家标准。自由锻设备为1250 t水压机和3150 t水压机。

依据宝鸡钛业股份有限公司现有设备能力和工艺水平，以及对同规格TC4锻坯探伤摸底，用45^#钢坯进行了预锻工艺试验，初步拟订工艺路线为：铸锭--->棒坯锻造--->自由锻制坯--->胎模锻成形--->热处理--->机加工--->性能检测。

3、实验结果及讨论

3.1 锻造工艺

由于成品锻件最大截面尺寸为380mmx82 mm，而棒坯在自由锻制坯及胎模锻成形过程中变形量小。因此，为了保证整个锻件均达到AA级的探伤水平，在棒坯锻造过程中要对棒坯组织和性能和进行严格控制，以获得均匀良好的双态组织。

自由锻制坯在1250t水压机上完成。由于锻件长为1700mm、局部截面尺寸为380mmx82mm，无法局部镦制，故只能按最大截面选择棒坯尺寸。考虑到横向锻造时，轴向长度也会少量增加，因此棒坯直径为φ270mm。采用上窄、下宽锤头，用偏心轴锻造方法拔长小截面处，以保证底面平整。另外，在锻造过程中要不断整形，矫正金属上下部流动不均匀产生的弯曲。胎模设计要注意：①模腔各变截面处尺寸适当加大，留有机加工余量；②模具没有顶出孔及拔模斜度，利于锻件出模；③模腔四周设有飞边槽，容纳多余的金属，保护模具，增加金属模腔外四周和流动阻力，迫使金属充满模腔。在胎模锻成形过程中，模具需预热到400℃左右，模内加润滑剂，锻坯表面涂玻璃粉，提高锻坯在模内的流动性，使坯料在模腔内能够充满。

3.2 锻件的组织

锻件低倍观察见图2。可见，锻件变截面处流线完整，无任何被切断的痕迹，锻件中部流线不对称。这主要是由于在自由锻初成形过程中，是用圆棒压在长方形锻坯上，用锤头压圆棒压制出圆弧形的细颈部分，再用锤头锤打拔长，保持了流线的完整性；而偏心轴拔长使锻件中部流线不对称。

将锻件分成2个区，并在不同方向各截取3个试样，观察高倍组织，见图3，图4。

图3，图4表明，TC4钛合金锻件高倍组织中，纵向、短横向、长横向差异很小，均为等轴α+β转组织。

3.3 锻件的性能

锻件经过780℃，2h空冷热处理后，在不同方向截取试样，测试了力学性能。结果见表1。

从表1可以看出，采用本实验研究的锻造工艺制备的锻件力学性能良好，完全满足技术条件要求。

3.4 探伤

对整个锻件进行探伤检查。在尺寸为380mm×82mm大截面部分的端面附近杂波达到φ1.2mm-9dB，其它区域均达到φ1.2mm-15dB，均满足φ1.2mm-9dB的技术要求。

3.5 尺寸检查

采用本实验研究的生产工艺共生产了3批次41件，尺寸均达到技术要求。表明采用自由锻制坯、胎模锻成形方法锻制飞机用大型TC4钛合金锻件是完全可行的。

4、结论

采用本实验研究的棒坏锻造--->自由锻制坯--->胎模锻成形--->热处理--->机加工--->检验工艺流程，生产飞机用TC4合金锻件完全可行。主要力学性能指标(抗拉强度为905 MPa，屈服强度为830 MPa，a_k值为38.9J/cm²，室温缺口试验是1170 MPa，7h未断)完全满足技术条件要求，探伤检查除380mm×82mm大截面部分的端面附近杂波达到φ1.2mm-9dB，其它区域均达到φ1.2mm-15dB，满足φ1.2mm-9dB的技术要求；采用本实验工艺共生产了3批次4l件，尺寸均达到锻件用的要求。

参考文献

【1】Yang Zhenheng(杨振恒)．Forging Technology(锻造工艺学)．Xi’an：Northwest Industry University Press，1999

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