锻造最新前沿技术研究综述(下)

文／王以华·上海交通大学

袁秦峰，梁必成·浙江申吉钛业有限股份公司

《锻造最新前沿技术研究综述》(上)见《锻造与冲压》2021 年第1 期

近似超塑性技术

对具有微晶质的材料组织超塑性的研究(晶粒的平均尺寸通常不超过10 ～20μm)，是在提高温度和相对低的变形速度(通常在10-4～10-3s-1) 下进行的。事实上已经确定，任何多晶体材料，包括铝基、钛基、镍基等工业合金都能转变为超塑性组织状态。在许多场合，在金属压力加工时运用超塑性可以保证降低变形力、减少工艺工步数量并提高半成品的力学性能和尺寸精度。在常规锻造条件下，这些金属材料的锻造温度范围比较窄，尤其轧制薄板、高筋和薄壁零件时，坯料的热量很快被工模具吸收，温度迅速下降。不仅需要大幅度地提高设备的吨位，而且也容易造成工模具的开裂。尤其是钛合金更为明显，它对变形温度非常敏感，当变形温度由920℃降到820℃时，变形抗力几乎增加一倍。钛合金超塑性的变形力大约只有普通轧制的1/30 ～1/10。

钛合金广泛用在许多工业领域，包括航空航天、汽车和生物医学。大家知道，许多钛合金工艺塑性低，供货状态下组织不均匀。因此，从这些材料中获得价廉物美、高质量、复杂零件具有迫切现实意义。解决该问题有效途径之一是使用超塑性技术。遗憾的是生产各种合金超细晶粒是困难的，价格也是高昂的。

粗晶超塑性

O.I.Вylyа，Р.L.Вlekvell(Strаthсlyde,Glаsgow 英国斯特拉思·克莱德大学)，Р.А.Васин(俄罗斯国立马里大学机械学院)，M.K.Sаrаndzhi(印度技术教育和研究学院)合作研究了粗晶超塑性。

超塑性压力加工成形主要优点之一是材料能够达到非常大的变形。但是，很多工艺过程不需要100% ～200%的变形量，一般金属锻比达到5，即变形达到75%即可。为了保证零件高的使用性能不总是要求最优的。况且粗晶片状显微组织对抗疲劳裂纹扩张具有更好的稳定性。

为了获得高质量毛坯，首先使用粗晶材料毛坯，这样的材料，它的显微组织不能够保证典型的超塑性晶界滑移变形机理。在该条件下，由于对变形速度敏感性低于材料超塑性条件，材料能够变形软化演示，而显微组织能够在变形过程中实现转变。实验研究指出，这个过程能够称为近似超塑性变形，有的部位晶粒被打碎，能够达到100%～300%相对高的变形。在汽车轮毂热模锻中使用了粗晶钛合金，具有片状(魏氏组织)显微组织的两相(α+β)钛合金具有初始的破碎晶粒β-相约250μkm，α-相薄片平均长度约21μkm，厚度约2μkm。此例模拟了该过程并分析获得结果，证明了近似超塑性技术的可行性。

粗晶超塑性模锻钛合金汽车轮毂成形工步模拟，如图14 所示，为了简单，所有工序模拟采用等温(T=900℃),接触表面具有相同摩擦系数0.5，使用玻璃润滑剂的假设。

图14 高档汽车轮毂用粗晶超塑性成形工步

图15 模拟第一工步——原始锭镦粗

终锻模拟结果，如图15 所示。图中在第一变形工序后明显存在死区，如字母А 所示，镦粗后晶粒变化不大。同时在毛坯中存在В 区，这部分材料在随后变形中将形成轮缘，晶粒尺寸将由80μkm 变化到40 ～50μkm。此处塑性变形量在50%左右。

TC4 轮圈粗晶毛坯变形结果

从轮圈变形观点看3 个工步模锻还是可行的(图16)。不难看出，这个部位在第三工步终了累计塑性变形300%～400%，有的地方超过450%，某些点甚至超过500%。尽管变形结果在第二工步终了显微组织均匀变化到30 ～35μkm，在第三工步终锻终了到20 ～25μkm，具有这样显微组织的试样拉伸伸长出人意料地达到δ=400%～500%。课题模拟能够得出，在锻件所有剧烈变形区域，锻件平均应力是负值(在静液压缩条件下)，也就是说，消除了产生裂纹源或气孔，具有极高使用性能。

低温超塑性

现代航空发动机风扇和压缩机叶片有部分使用碳纤维制造。由于在保证结构强度和可靠性条件下减轻了重量，与钛合金叶片比较有很强的竞争力。但碳纤维叶片最大弱点是冲击韧性太低。在使用过程中，前缘受到砂石和飞鸟撞击会造成机毁人亡的重大事故。为解决这一棘手问题，叶片的前缘借助固定零件或胶水施以高强度钛合金保护套。但是钛合金防护套的制造是非常复杂的课题，因为防护套有不同截面，包括薄的壁和增强的厚重前缘横截面。此外，护套有复杂的空间形状，包括在水平面方向上有曲面形状和直立平面弯曲。

图16 预锻和终锻两个工步模拟

美国有色燃气透平公司(Chromаlloy Gаs Turbine Corporаtion USА)设计并使用钛合金Ti-6Аl-4V 立体毛坯制造护套。毛坯铣削制出内部V 形型腔。接着在模具中挤压成形侧壁，再进行最后的机械加工。挤压温度850 ～900℃，没有保护气体导致表面气体饱和。零件的壁厚只有0.2 ～0.5mm，制造它需要非常困难的机械加工。

本文的目的是设计有效的工艺过程，用金属压力加工的方法制造护套。使用复合挤压工艺，将原始毛坯1 置于模具型腔中，模具型腔由两半模2 和3 以及凸模4 组成。在第一阶段进行正挤压成形，成形护套5 前段加强部分。在此情况下储存材料以用于成形侧壁，第二阶段进行反挤压以成形护套侧壁，如图17所示。

复合挤压之后应该进行弯曲(图18)。

图17 复合挤压不同阶段工步

为了验证所推荐复合挤压工艺可行性采用数字模拟方法。使用软件Deform 3D 建立模拟过程，采用基本假设建立了模型：

——原始毛坯被划分为98000 有限元素；

——模具作为刚性体；

——凸模运动速度为0.5mm/min；

——毛坯与模具间摩擦设为库伦摩擦，μ=0.2；

——在等温条件下金属流动，毛坯温度=650 ℃；

——在成形过程中没有考虑毛坯的各向异性甚至再结晶。

图18 弯曲工步略图

毛坯的初始尺寸：5mm×10mm×270mm。确认毛坯材料采用具有流变学特征从该数据库中采集的钛合金Ti-6Аl-4V。

毛坯在模具中变形时状态以及对应阶段成形影像，如图19 所示。

图19 复合挤压下毛坯成形

模拟结果证明所推荐工艺是可行的，壁的成形均匀，在壁部对数变形程度达到e ≈3。在温度不超过700℃条件下，所推荐工艺过程是有效的，这就降低了制造模具零件的成本。

我们知道钛合金包括TC4(Ti-6Аl-4V)在超细晶粒状态影响低温超塑性效果。毛坯超细晶粒组织的制备包括要用直径φ70mm 棒料、变换轴向载荷、在逐步降低温度条件下多次镦粗，随后在600℃轧制成厚5mm 带材。对数变形程度e ≈3。变形结果平均晶粒度在0.5μm(图20)。

图20 毛坯显微组织

拟定钛合金温度在650 ～950℃，压力加工工艺过程采用如下材料标号涂层：对原始毛坯1 涂上FR-6 玻璃润滑剂。这些涂层防止氧化和饱和气体，甚至能够获得原拟定的在氩气中加工的力学性能。因此，毛坯与模具接触的挤压过程推荐适用涂层作为润滑材料。

护套的形状在水平面上有曲线和垂直平面上有弯曲，挤压前需在相应平面进行矫直。在给定水平面条件下，将毛坯敷设在两半模中挤压。关闭半模使毛坯成形到所需形状，使用U 形凸模进行正反挤压。然后，更换模具用V 形凸模实现弯曲工步。

所有成形工序在数控等温锻造液压机上完成，其主要技术参数为：公称力25MN，具有680kN 压力，在650℃完成，变形速度为0.5mm/min。模具材料为工具钢5Cr3W3MoVSi，模具如图21 所示。

复合挤压之后，锻件符合图纸要求。在外形上无折叠和夹层缺陷。在模拟时，没有观察到壁部扭曲。机械加工后的零件，如图22 所示。

毛坯原始组织因剧烈变形(e ≈3)，使其具有超细晶粒组织而降低工艺过程温度，从护套壁部和前部所剖出的试样显微组织如图23 所示，借助于半透明电子显微镜确定锻件平均晶粒尺寸为0.3 ～0.5μm。晶粒尺寸减小到0.3μm，在反挤压条件下，壁部金属产生了剧烈塑性变形。储存了能量并减小了晶粒尺寸，使材料强度增加20%～30%，各项性能指标达到实际要求。模拟和试验结果证明，可以实施护套零件试验批量生产。

图21 复合挤压和弯曲模具

图22 护套侧面和底面

图23 护套试样显微组织

结束语

本文通过对板锻技术、半等温锻技术和近似超塑性技术的简单介绍，和锻压行业的同仁一起分析，学习。新的技术和工艺是层出不穷的，作为有志锻造的从业者，要创新不停步，开拓不畏险。