摘要：對(duì) TC17合金整體葉盤的鍛件圖、鍛造毛坯的形狀和模具結(jié)構(gòu)及等溫鍛造工藝進(jìn)行了研究。結(jié)果表明采用等溫鍛造工藝可生產(chǎn)出表面光潔、外形尺寸精確的鈦合金整體葉盤等溫鍛件，鍛件將葉盤和葉片作為一個(gè)整體，達(dá)到了設(shè)計(jì)減重的要求。鍛件金屬流線分布合理，組織、性能滿足要求。

　　1.前言

　　航空工業(yè)的主要載體是飛機(jī)，圍繞這一載體可分為飛機(jī)的機(jī)體和發(fā)動(dòng)機(jī)兩大部分，雖然有若干不銹鋼品種被應(yīng)用，但按這兩部分用途，鋼葉盤是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)中的重要部件之一。傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法一類是將盤件部分和葉片部分分別鍛制，加工后再組裝而成。這種方法的缺點(diǎn)是葉片與盤由于采用機(jī)械連接，使重量增加，不利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比。還有一類是采用焊接式連接[1]，增加了焊接工序，整體葉盤的性能和工作可靠性與焊接的精度和焊縫質(zhì)量密切相關(guān)，因此焊接工序只能采用先進(jìn)、精密的焊接工藝，如電子束焊、線形摩擦焊、真空擴(kuò)散連接等。

　　整體葉盤采用葉片和盤作為整體的鍛件加工而成，取消了葉片和盤部分的機(jī)械連接或焊接連接，大大減輕了重量，保證了組織的均勻性，提高了葉盤的工作可靠性。但由此帶來了一個(gè)問題是鍛件尺寸大了許多，還必須保證鍛件的葉片和盤部位都有優(yōu)良的組織和性能，因此生產(chǎn)出合格的鍛件具有較高的難度。

　　研究的TC17鈦合金整體葉盤鍛件是形狀相當(dāng)復(fù)雜、組織和性能要求很高的鍛件，精度要求很高[2]，鍛件直徑大，葉片部分形狀復(fù)雜，屬非對(duì)稱部件，盤和葉形部分要求必須有足夠的變形量，鍛造難度很大。

　　2.鍛件圖的設(shè)計(jì)

　　2.1簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)

　　根據(jù)葉片零件數(shù)據(jù)，得出了葉片部分的三維零件圖，由于整體葉盤葉片部分形狀復(fù)雜且極不規(guī)則，在投影面上互相不重疊，完全按其形狀設(shè)計(jì)則鍛造極其困難，因此對(duì)葉片部分進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

　　2.2精化設(shè)計(jì)

　　在零件圖的基礎(chǔ)上，對(duì)TC17合金整體葉盤鍛件進(jìn)行了精化設(shè)計(jì)，鍛件盤件部分和葉片部分留比較小的余量。從鍛造成形方面考慮，既要保證葉片有足夠的變形量，又要保證葉片部分的充滿和成形，經(jīng)過幾個(gè)方案的比較，完成了鍛件圖的設(shè)計(jì)。

　　3.模具設(shè)計(jì)

　　模具總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想是，模具安裝在液壓機(jī)上，用加熱爐對(duì)模具加熱，水冷板和模座構(gòu)成模架。模具采用開式鍛結(jié)構(gòu)，模座與水冷板用螺釘連接，上下模與模座用螺釘和卡環(huán)連接。上下水冷板有水冷槽，工作時(shí)通水冷卻以保護(hù)液壓機(jī)，并改善操作條件。

　　K3鎳基鑄造高溫合金具有良好的高溫強(qiáng)度、高溫耐磨性及抗氧化能力，適于在800~1000下工作。因此該模具的上下模座均選用K3材料。

　　4. 成形設(shè)計(jì)

　　為縮短試驗(yàn)周期，節(jié)約原材料，為實(shí)際生產(chǎn)提供理論計(jì)算與實(shí)踐的依據(jù)，在進(jìn)行實(shí)物鍛壓之前，對(duì)TC17合金整體葉盤等溫模鍛過程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)有限元模擬。

　　首先進(jìn)行了整體葉盤計(jì)算機(jī)模擬模型的建立。由于整體葉盤零件葉片的軸線以及上下端線與盤體的中心軸不相交，葉片呈非對(duì)稱分布，因此鍛件（如圖1）模擬時(shí)的幾何模型不能簡(jiǎn)化，借助于DEFORM強(qiáng)大的計(jì)算能力和DELL工作站高速的運(yùn)行速度，對(duì)鍛件直接建模并進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，并不對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，以得到較高的模擬精度。

　　根據(jù)TC17高溫應(yīng)力/應(yīng)變曲線，進(jìn)行了材料模型的建立，并用不同的摩擦系數(shù)模擬鍛餅過程，然后用模擬得到的鍛餅形狀與實(shí)際鍛件進(jìn)行對(duì)照，用此間接方法得到TC17和模具之間的摩擦系數(shù)，并在計(jì)算中間簡(jiǎn)化了溫度場(chǎng)模型，認(rèn)為變形過程中模具和鍛件的溫度始終保持不變。[3]

　　整體葉盤模擬的坯料，初次設(shè)計(jì)成圓餅狀，中間有孔起定位作用，從模擬的結(jié)果來看，模具承受的壓力很大，坯料很難鍛壓成預(yù)定的形狀和尺寸，葉型部分很難充滿，經(jīng)過對(duì)模擬結(jié)果分析得知，應(yīng)該減少坯料內(nèi)緣的金屬量，以避免中心孔被充滿而使鍛件繼續(xù)變形所需的壓力超過壓機(jī)的最大載荷。為了保證模具葉型部分能夠被充滿，應(yīng)該加厚坯料外緣的厚度。因此坯料改為中間薄四周厚的形狀。

　　5. TC17合金整體葉盤成形試驗(yàn)

　　在確定了鍛件圖、坯料形狀和等溫鍛造工藝后，在液壓機(jī)上進(jìn)行了TC17合金整體葉盤的鍛壓成形試驗(yàn)，從鍛壓結(jié)果來看，鍛件各部位沒有折疊及其他缺陷，成形良好。與計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果吻合的很好。

　　6.整體葉盤鍛造組織性能控制

　　因?yàn)槿~片部分要求有比較好的疲勞性能，盤件部分要求有好的蠕變性能和斷裂韌性，因此必須研究鍛造工藝使鍛件性能可以兼顧盤和葉片的不同要求。我們根據(jù)成形試驗(yàn)的結(jié)果，制定了成形工藝，得到了良好的組織（見圖2）和性能（見表1）。

　　7.結(jié)論

　　7.1TC17合金整體葉盤鍛件優(yōu)化了盤件和葉片的連接，大大減輕了葉盤的重量，從而可提高飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比。

　　7.2模具設(shè)計(jì)、等溫鍛造工藝設(shè)計(jì)和成形工藝設(shè)計(jì)對(duì)TC17合金整體葉盤的質(zhì)量有重要的影響。

　　7.3通過對(duì)TC17合金整體葉盤鍛件的簡(jiǎn)化、精化設(shè)計(jì)，既使鍛件余量放到最小，又使得整體葉盤鍛造順利進(jìn)行。

　　7.4通過計(jì)算機(jī)模擬，得出了最佳的坯料形狀和成形工藝各參數(shù)，使坯料容易成形和充滿，鍛件外形規(guī)整。采用等溫鍛造工藝鍛出的TC17合金整體葉盤鍛件，組織、性能良好，鍛件金屬流線分布合理。