1　工藝性分析

　　某發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)1～3級(jí)盤材料為鈦合金TC11。TC11是一種綜合性能良好的α＋β型合金，有較好的耐熱性和較高的室溫強(qiáng)度。TC11屬Ti^_Al^_Mo系，名義成分Ti^_6.5Al^_3.5Mo^_2Zr-0.3Si，相轉(zhuǎn)變?chǔ)?ββ溫度為1 000 ℃±20 ℃，鍛造溫度為800～950 ℃。由于TC11的變形抗力對(duì)變形溫度和變形速度非常敏感，若采用一般的模鍛工藝，模具對(duì)坯料的冷卻使鍛坯的實(shí)際溫度往往低于規(guī)范鍛造溫度，變形抗力增大，提高設(shè)備噸位則塑性變低，大大限制了模鍛的變形量。等溫鍛造即把毛坯加熱，放入被加熱到鍛造溫度的恒溫模具中，并以較慢的變形速度變形，不僅可以保持鍛坯溫度，且變形抗力大大減小，降低了設(shè)備的噸位。

2　鍛件設(shè)計(jì)和環(huán)坯尺寸確定

2.1　鍛件設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)鍛件時(shí)要解決以下3個(gè)問(wèn)題。

2.1.1　加工余量

　　為了保證機(jī)加后零件表面的質(zhì)量和粗糙度的要求，加工表面應(yīng)留有加工余量。等溫鍛造工藝余量尚無(wú)資料可查，參考鈦合金模鍛余量，根據(jù)壓氣機(jī)1～3級(jí)盤的零件圖，選擇單面加工余量為2.5 mm。

2.1.2　出模斜度

　　鈦合金模鍛的出模斜度一般為7°，但若在壓力機(jī)上進(jìn)行，模具中設(shè)有頂出裝置，出模斜度可選為1°30′～2°30′。

2.1.3　專留試料

　　壓氣機(jī)盤的鍛件為Ⅰ類鍛件，每爐批鍛件剖切一件分析鍛件的理化性能，且每個(gè)鍛件上要專留試料，以分析該鍛件試料的室溫性能和高倍組織，與剖切件對(duì)比，判斷該鍛件理化性能是否合格。壓氣機(jī)1級(jí)盤鍛件專留試料在尾部，2～3級(jí)盤專留試料在中心處。在鍛件成形和熱處理之后，切割下來(lái)作理化分析用。

2.2　鍛前環(huán)(餅)坯尺寸的確定

　　為了獲得細(xì)小的等軸晶粒，環(huán)(餅)坯必須有足夠大的變形程度。壓氣機(jī)1級(jí)盤環(huán)坯主要考慮能夠放入凹模型腔中，并保證環(huán)坯體積等于鍛件體積，環(huán)坯尺寸確定為270 mm×145 mm×55 mm。這樣，1級(jí)盤等溫鍛造的斷面縮減率ε_F＝28.3%。對(duì)于2，3級(jí)盤等溫鍛造的變形量考慮在50%～80%，為便于管理，2，3級(jí)盤用的餅坯尺寸統(tǒng)一確定為180 mm×55 mm。

3　模具設(shè)計(jì)

3.1　模具總體結(jié)構(gòu)

　　模具安裝在6 300 kN液壓機(jī)上，單體式加熱器對(duì)模具及模座加熱，水冷板和模座構(gòu)成通用模架，壓氣機(jī)1，2，3級(jí)盤模具可安裝在通用模架上。模具采用閉式鍛結(jié)構(gòu)，模座與水冷板用螺釘連接，凸、凹模與模座也用螺釘連接(圖1)。模座與水冷板之間夾有二層石棉板，上、下水冷板開(kāi)有水冷槽，工作時(shí)通水冷卻，以保護(hù)液壓機(jī)和改善操作條件。

圖1　壓氣機(jī)2級(jí)盤等溫鍛造模具

Fig.1　Isothermal forging die of Ⅱ grade disc of the compressor

3.2　模具材料

　　K403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800～1 000 ℃下工作。本模具凸凹模和上、下模座均為K403材料，用2 000 kg半連續(xù)式真空熔煉爐FV132澆注而成，對(duì)安裝面和型腔表面進(jìn)行切削加工，頂桿和螺釘也采用K403精鑄而成。上下水冷板采用45鋼。

3.3　模具型腔尺寸的計(jì)算

　　為了獲得高精度的鍛件，必須考慮加熱對(duì)鈦合金鍛件幾何尺寸和K403模具幾何尺寸的影響。確定模具型腔尺寸的原則是保證鍛件成形后常溫下符合鍛件的尺寸要求。計(jì)算采用以下公式：

L_gj=L_cj(1+α_jΔt)       (1)

L_gm=L_cm(1+α_mΔt)       (2)

       (3)

式中：L_cm――常溫下模具的名義尺寸，mm；
　　　L_cj――常溫下鍛件的名義尺寸，mm；
　　　L_gm――鍛造溫度下模具的名義尺寸，mm；
　　　L_gj――鍛造溫度下鍛件的名義尺寸，mm；
　　　α_m――鍛造溫度下模具平均熱膨脹系數(shù)，℃^-1；
　　　α_j――鍛造溫度下鍛件平均熱膨脹系數(shù)，℃^-1；
　　　Δt――等溫鍛造溫度與常溫的溫差，℃
　　鈦合金TC11在950 ℃的α_j=10.8×10^-6 ℃^-1，K403模具在950 ℃的α_m＝14．7×10^-6 ℃^-1，Δt=930 ℃。代入(3)式得：L_cm=0.996L_cj。
　　鍛件表面潤(rùn)滑劑的厚度一般取0.3 mm(單邊)。

3.4　加熱器的設(shè)計(jì)

　　模具加熱采用單體式電阻絲加熱器，安裝在上底板上。加熱器總功率39 kW,經(jīng)7～8 h后可將重量為410 kg的3級(jí)盤模具和360 kg的上、下模座加熱到950 ℃±10 ℃。加熱器在加熱、保溫和壓制過(guò)程中使用，在加熱器底部與下水冷板間隙處用硅酸鋁釬維板封堵，減少熱量散失。凸凹模離型面較近處鉆有深度為30 mm的測(cè)溫孔，并裝熱電偶，以測(cè)定凸凹模型面的溫度，用凸模上的熱電偶自動(dòng)控制凸凹模的溫度。

3.5　模具設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

　　模具設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)是通用性好，通過(guò)更換凸模、芯模和凹模可鍛出各種形狀的鍛件。閉式鍛結(jié)構(gòu)可省去鍛件毛邊材料的消耗和毛邊所需的變形功，使流線分布更合理，并提高了鍛件質(zhì)量。電阻加熱器制造簡(jiǎn)單，它靠傳導(dǎo)和輻射來(lái)傳遞熱量，雖然第一件升溫時(shí)間長(zhǎng)，但對(duì)小批量生產(chǎn)的航空鍛件是適用的。

4　液壓機(jī)慢速系統(tǒng)改造方案

　　據(jù)資料報(bào)道，鈦合金Ti^_6Al^_6V^_2Sn在接近β轉(zhuǎn)變溫度范圍、滑塊速度由1.27 m/s降到0.015 m/s時(shí)，其變形抗力由1 100 MPa下降到250 MPa,下降率約為70%。由此可以看出，選擇較低的變形速度，可使餅坯變形過(guò)程中流動(dòng)應(yīng)力降低，從而改善模具的受力狀況，以便用噸位較小的液壓機(jī)鍛造較大的盤件。
　　如圖2所示，為充分發(fā)揮Y32－630型液壓機(jī)的作用，在保留原有功能的基礎(chǔ)上增加等溫鍛造慢速功能(慢速可調(diào))，對(duì)液壓機(jī)慢速機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改造。其原理是在原液壓系統(tǒng)中增加一套裝置，由電磁調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)小流量泵。小流量泵的公稱流量為1.26 L/min，

圖2　6 300 kN液壓機(jī)慢速機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的改造

Fig.2　Reforming principle of hydraulic system of the slow mechanism of 6 300 kN hydraulic press

1.軸向柱塞泵；2.電磁調(diào)速電機(jī)；
3，4.調(diào)壓法蘭；5.單向元件；6.壓力表。

電磁調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)速在125～1 250 r/min范圍內(nèi)可調(diào)。
　　液壓機(jī)經(jīng)改造已達(dá)到設(shè)計(jì)要求，其橫梁工作速度在0.01～0.1 mm/s范圍內(nèi)可調(diào)，經(jīng)過(guò)生產(chǎn)考核，效果較好，滿足了鈦合金等溫鍛造的要求。

5　工藝步驟

　　壓氣機(jī)1～3級(jí)盤等溫鍛造的工藝步驟為：環(huán)(餅)坯進(jìn)廠→復(fù)驗(yàn)→領(lǐng)料→車→檢查環(huán)(餅)坯外形尺寸→吹砂→環(huán)(餅)坯預(yù)熱(預(yù)熱到200～250 ℃，保溫時(shí)間以熱透為宜)→表面涂覆(涂FR-11防護(hù)潤(rùn)滑劑，待防護(hù)潤(rùn)滑劑干后，再涂一層FRM-90脫模劑)→加熱(加熱規(guī)范為950 ℃±10 ℃，1 h，模具溫度950 ℃)→合模→慢速壓制(0．01～0．1 m/s，總壓力為6 300 kN)→開(kāi)模→頂出→空冷→吹砂→真空雙重退火→切試料→理化分析→檢驗(yàn)→入庫(kù)。

6　理化分析

　　壓氣機(jī)1～3級(jí)盤經(jīng)雙重退火處理(950 ℃±10 ℃×1.5 h，空冷+530 ℃±5 ℃×6 h，空冷)，硬度作100%檢查，HBd3.2～3.7。每批鍛件剖切一件，專留試樣每批100%取樣。金相要求作低倍組織、流線和高倍組織檢查。
　　壓氣機(jī)3級(jí)盤鍛件剖切試料的綜合報(bào)告見(jiàn)表1，該鍛件的8個(gè)專留試料高倍組織均為α+β轉(zhuǎn)，其綜合報(bào)告見(jiàn)表2，各項(xiàng)指標(biāo)均符合YJ0054要求。

表1　壓氣機(jī)3級(jí)盤鍛件剖切試料綜合報(bào)告

試驗(yàn)項(xiàng)目		室　溫　力　學(xué)　性　能
		抗拉強(qiáng)度 σb/MPa	屈服強(qiáng)度 σ0.2/MPa	伸長(zhǎng)率 δs/%	斷面收縮率 ψ/%	沖擊值 αku/kJ．m－2	布氏硬度壓痕 直徑/mm (HB10，29.42kN)	缺口敏感 性能指標(biāo)*? (σbH/σb)
YJ0054		1 030～1 225	不　　小　　于
			880	8	23	295	3.2～3．7	≥1．3
實(shí)測(cè) 數(shù)據(jù)	1	1 060	975	18.4	39	389	3.35	1.65
	2	1 060	970	18	42	420	3.35	1.64
試驗(yàn)項(xiàng)目		高　溫　力　學(xué)　性　能
		試驗(yàn)溫度 /℃	高　溫　拉　伸				高　溫　持　久
			σb/MPa	σ0.2/MPa	δs/%	ψ/%	σ/MPa	t/h
YJ0054		500	不　　小　　于
			685	實(shí)測(cè)	12	40	590	≥100
實(shí)測(cè) 數(shù)據(jù)	1	500	758	643	18	55	590	＞100
	2	500	740	667	18.2	64	590	＞100
試驗(yàn)項(xiàng)目		熱　穩(wěn)　定　性　能
		熱　暴　露　條　件			室　溫　拉　伸
		溫度/℃	時(shí)間/h	冷卻方式	σb/MPa	δs/%	ψ/%
YJ0054		500	100	空冷	≥1 030	≥8	≥20
實(shí)測(cè) 數(shù)據(jù)	1	500	100	空冷	1 070	14.8	20
	2	500	100	空冷	1 060	12..8	20
試驗(yàn)項(xiàng)目		低　倍		高　倍		H含量/%
實(shí)測(cè)		流線正常，無(wú)冶金缺陷		α+β轉(zhuǎn)		0.005

*σ_bH――缺口試棒所作的缺口拉伸強(qiáng)度；σ_b――光滑試棒所作的光滑拉伸強(qiáng)度。

表2　壓氣機(jī)3級(jí)盤鍛件專留試料綜合報(bào)告

試驗(yàn)項(xiàng)目	應(yīng)得結(jié)果	試　樣　編　號(hào)　及　試　驗(yàn)　結(jié)　果
		1―1	2―6	2―8	2―16	2―18	3―4	3―9	3―13
σb/MPa	1 030～1 225	1060	1060	1070	1060	1060	1040	1050	1040
σ0.2/MPa	≥880	960	965	995	985	990	965	965	960
δ/%	≥8	15．6	16．4	14．8	14．8	15．6	16	16	19.6
ψ/%	≥23	45．2	43．0	45．4	42．5	42．7	46	42.7	39.1

 　　通過(guò)以上理化分析可知，等溫模鍛后，由于一次變形量大，而且在高溫區(qū)慢速變形，再結(jié)晶完全，晶粒細(xì)化和等軸化，各部位的組織均勻，鍛件獲得細(xì)小等軸α+β轉(zhuǎn)組織，不僅避免了鍛件缺陷的產(chǎn)生，而且還提高了鍛件的機(jī)械性能。