0 引言

钛合金材料是以低密度、高比强度、耐高温性能良好等特点而广泛应用于军工领域。在钛合金零件的成形加工方面虽然取得了一定的进展，钛合金属于难加工材料，锻造温度窄，变形抗力大，充填能力差，原材料成本高，常规的锻造成形方法不利于材料利用率和生产周期的提高，同时难以保证材料的力学性能和组织性能^[1-2]。等温锻造是提高钛合金塑性成形时流动性、降低变形抗力最有效的加工方法之一。等温锻造成形方法生产钛合金锻件，易于成形零件的结构和尺寸，利于保证组织和性能^[3]。

本次研究的叶栅环零件净重0.83 kg，采用传统的自由锻造方法成形时毛坯重约4.5 kg，约80%以上的原材料被机加工掉，造成贵金属的浪费。同时，结合钛合金材料的特性，机加工困难，生产效率低，从而导致该产品的生产制造周期长。本文主要研究了钛合金叶栅环的等温成形技术，通过等温锻造生产出的零件，辅助以少量机加工序，成形最终零件尺寸，保证零件质量的一致性和稳定性。

1 工艺分析及有限元模型

某航天型号发动机上用叶栅环零件如图 1所示，最薄壁厚尺寸为4 mm，最深壁厚高度20 mm，最大厚高比达到5，在锻造工艺中属于典型薄壁件，叶栅环零件等温锻造成形时锻造比大，变形复杂。

TC4叶栅环等温锻造成形的数值模拟模型如图 2所示，坯料为Φ28 mm规格的棒料。采用三维数值模拟技术进行建模分析计算，根据钛合金等温成形工艺及实际生产情况，初步确定边界条件中的始锻温度为920℃，摩擦因子m=0.1，下压速度为0.5 mm/s，模具设定为刚体，和工作同温且与外界隔热。

2 工艺参数对成形影响规律研究

在等温成形过程中，各个工艺参数对叶栅环的成形质量都有着一定的影响，为研究各因素对成形的影响规律，利用DEFORM-3D数值分析软件，选用二分之一镜像结构模型，采用单因素轮换法，对影响成形质量较大的因素：始锻温度、下压速度和摩擦因子三个边界条件进行研究研究，分析各因素的影响规律^[4]。

2.1 锻造温度对等温成形的影响规律

图 3为上模速度为0.5 mm/s，摩擦因子m=0.1下等效应变分布图与载荷行程曲线。由图 3(a)可以看出，随着锻造温度的升高变形均匀化程度逐渐提高，有利于提高制件的整体力学性能的统一性。不同温度的等效应变分布图具有相似的分布，叶栅环颈拐角处变形较大。

由图 3(b)可以看出，在不同的锻造温度下，载荷行程曲线具有相同的变化趋势，载荷均随着行程的增大而增大。但在相同的上模速度和摩擦因子下，880、920、960℃时的终锻载荷分别为2.6、1.3、0.8 MN，载荷降低了69.2%。这是因为较高的温度导致合金热激活作用增加，原子平均动能增大，晶体产生滑移的临界剪切应力相应减小，且随着温度的升高，动态回复和再结晶也更容易的发生，抵消了一部分由于塑性变形造成的加工硬化，因而材料流动应力降低，降低了载荷，有利于零件的成形。提高锻造温度将使得锻件变形更均匀，降低设备吨位的需求，有利于零件的成形和提高模具的使用寿命，但是过高的变形温度也会使锻件组织和性能产生不利影响。

2.2 下压速度对等温成形过程的影响规律

图 4是变形温度为920℃，摩擦因子为0.1时不同上模速度的等效应力分布图与载荷行程曲线。由图 4(a)可以看出，上模速度由2 mm/s减低到0.125 mm/s时最大等效应力由157 MPa降低为89.1 MPa。这表明TC4合金的变形抗力具有非常显著的正应变速率依赖特性，随着应变速率的降低其变形抗力迅速降低。当上模速度较大时，材料内部没有足够的时间进行回复和再结晶，从而导致等效应力迅速提高，与此同时等效应力的差值也随之显著的提高。上模速度的减小，最大等效应力及其差值也随之降低，有利于变形的继续进行。

由图 4(b)可以看出上模速度为2、0.5、0.125 mm/s时，终锻载荷分别为0.18、0.13、0.1 MN、，载荷降低了44.4%。当上模速度较大时，变形时间短，材料没有足够的时间进行回复和再结晶，从而导致等效应力的提高和不均匀。因此，降低上模速度对降低成形载荷，减小设备吨位有较大帮助。

2.3 摩擦条件对等温成形过程的影响规律

图 5为变形温度为920℃，上模速度为0.5 mm/s时不同摩擦条件下的等效应力图与载荷行程曲线。由图 5(a)可以看出，当摩擦因子为0.01时，等效应力为82.8 MPa；而当摩擦因子为0.3时，等效应力增大到188 MPa。可见，随着摩擦因子的增大，等效应力相应增大，其变形抗力也随摩擦因子的增加而增大。

由图 5(b)可以看出，不同摩擦条件下载荷曲线趋势大致相同，当摩擦因子由0.01变为0.3时，前三阶段载荷差别只变化了不到10%，在变形最后阶段载荷才出现了较大差异。在变形末期，摩擦系数由0.3变0.1时，减小了22%，有了较大的减少，但摩擦系数为0.01和0.1时，载荷的差别仍然只有8%，改善不明显。这是由于在成形末期，变形主要集中在较窄的环状模具型腔的填充，摩擦的作用变得明显，造成成形载荷上升。摩擦系数越大，这种作用越明显，故造成了载荷的较大差别。因此，在进行大型零件的锻造时，应该尽可能多的改善模具的润滑条件。考虑到摩擦系数0.01和0.1之间改善不明显，实际锻造中可采用0.1从而降低润滑成本并满足使用要求。

综上所述，锻造温度越低、锻造速度越快及摩擦系数越大时，等效应力越大，等效应变差值越大，终锻载荷就越大，越不利于成形过程。因此，在符合实际生产要求的情况下，应选取尽可能高的温度，尽可能小的速度及尽可能小的摩擦系数，考虑到过随后的机械性能，生产效率的要求、模具材料使用温度及摩擦条件的限制，优化后的参数选定为：锻造温度为920℃，上模下压速度为0.5 mm/s，坯料与模具的摩擦系数为0.1以下。

3 物理实验结果

物理实验的生产工艺流程为：模具炉膛加热—坯料加热—保温—涂润滑剂—压制成形—取件。成形工装模具及锻件如图 6所示。对图 6(b)中实物进行研究检验，锻件部位无缺陷，成形质量完好。对叶栅环进行热处理后取样检测力学性能得到的性能指标如表 1，从表中看出，性能指标满足设计需求。

在物理实验过程中，所选用的氮化硼(BN)是一种在钛合金等温锻造中广泛应用的润滑剂，一般常用钛合金圆滑压缩法测定摩擦系数，TC4在等温锻造条件下选用BN润滑剂时，用圆环压缩法测定的摩擦系数为0.057^[5], 这一系数优于模拟中摩擦系数值所要求的0.1，满足理论要求。

4 结论

(1) 对于高肋薄壁结构的叶栅环零件，通过数值模拟与物理实验的方式开展了等温成形工艺的研究分析。

(2) 通过数值模拟研究，研究了始锻温度、下压速度和摩擦因子对成形过程的影响规律，三者的最佳工艺参数分别为：920℃、0.5 mm/s和0.1以下。

(3) 在数值模拟的基础上，制定了实际生产的成形工艺，最终得到的零件满足设计使用需求。