20crmo钢的锻造工艺，合金盘试验件β

文/党群，姚彦军·陕西宏远航空锻造有限责任公司

TC17 合金是一种富β 稳定元素的α β 型两相钛合金，其名义成分为Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr。该合金具有强度高、抗断裂韧性好、淬透性高及锻造温度范围宽等一系列优点，在航空发动机风扇、压气机盘件和大截面锻件中得到大量应用。

β 锻造是指在钛合金β 转变温度以上30℃～50℃开始锻造，在相变点以上完成锻造或在两相区也有部分变形的锻造方法。国外TC17 合金已普遍采用β 锻锻造方法，用该方法得到的TC17 合金盘件具有很高的抗断裂韧性和抗疲劳性能，并具备合适的塑性。国内TC17 合金β 锻锻造工艺研究正处于起步阶段，可参考的公开资料较少。国内TC17 合金β锻锻造常见问题主要集中在晶界α 相能否充分破碎，资料显示连续的α 相对低周疲劳影响明显。研究发现通过控制模具温度，保证锻件在相变点上及相变点下都有一定变形量，可以有效破碎晶界α 相。同时研究表明，控制等效应变为-1 左右可以保证晶界内部针状α 相编织更加杂乱，有效提高锻件各项性能指标。

本文以TC17 合金试验件作为研究对象，结合Deform 数值模拟，研究了β 锻锻造工艺对TC17 合金试验件组织性能的影响。

试验材料

⑴原材料熔炼炉号、冶炼方法及规格，见表1。

表1 原材料明细

⑵原材料化学成分，见表2。

表2 化学成分(wt%)

⑶相变点：889℃。

⑷低倍组织：组织正常。

⑸探伤：按材料标准，测定B 级，平均杂波70%～80%，不合格。

⑹力学性能:试样热处理按(820 ～850)℃×4h，空冷；(780～830)℃×4h，水冷；(600 ～640)℃×8h，空冷进行，热处理后力学性能见表3。

表3 原材料力学性能

试制过程锻件成形模拟

锻件采用相变点上成形，经模拟优化确定锻件尺寸为φ595mm×90mm。锻造分为两火完成，第一火压下量30mm～35mm，第二火压下量40mm～50mm。分两段压下，第一段压下30mm，停留10s ～15s，再压至锻件尺寸，模拟结果见图1。从图1 可以看出，预锻应变总体较小，温度分布比较均匀，主要为终锻成形起定位作用。从图2 可以看出第2 火压下量40mm ～50mm 应变、温度模拟预测结果。

图1 第一火应变、温度模拟预测结果

图2 第二火应变、温度模拟预测结果

从图3 可以看出，第2 火变形量分配比较均匀，实现了相变点上、下均有一定变形的目标，具体情况见表4。

表4 变形尺寸

图3 第二火变形量模拟

锻件试制

⑴锻造：相变点上25℃～35℃。

⑵φ470mm×130mm锻造至φ(565±3)mm×(90±3)mm。

⑶锻造变形量约30%左右。

⑷冷却方式：水冷。

⑸低倍组织检查合格，探伤φ1.0mm 平底孔，平均杂波-12dB，局部-12dB，合格。

⑹腐蚀：低倍组织合格。

⑺热处理：固溶：水冷，时效：空冷。固溶温度：800℃×240min，水冷，时效制度：630℃×480min，空冷。

试制结果

⑴低倍：低倍组织正常(图4)。

图4 锻件低倍组织

⑵高倍：高倍组织正常(图5)。

图 5 锻件高倍组织

⑶探伤：按标准，φ1.0mm 平底孔，杂波-12dB，合格。

⑷力学性能(表5)。

表5 力学性能

结果分析

通过相变点上锻造，控制变形量在30%～45%，相变点上成形，在保证低倍组织正常的前提下，有效提高探伤水平至φ1.0mm 平底孔，杂波-12dB。

通过前期Deform 数值模拟，设计合理分配各个阶段变形量，保证最终生产过程各个部位等效应变控制在-1(变形量30% ～45%)左右，保证最终试验件各项性能指标。

通过观察试验件高倍组织，可以看到锻件各部位组织基本一致，说明各个部位变形量基本一致，保证了锻件的组织均匀性。由于相变点上及相变点下均有变形，保证了晶界α 相能够充分破碎，观察锻件高倍组织，可以看到晶界α 相已充分破碎，未出现粗大连续晶界α 相，有效保证锻件低周疲劳性能。

本工艺采用常规模具(5CrNiMo)，生产出的锻件达到标准要求，有效降低了等温锻工艺的模具成本，为今后TC17 合金β 锻造工艺制定提供基础。

结束语

通过试验，低高(相变点上)的锻造方案能够保证低倍组织同时，有效提高探伤水平。利用Deform数值模拟对TC17 合金试验件成形工艺进行模拟优化，指导确定了合适的变形工艺参数，保证各个部位组织变形均匀。采用常规生产的TC17 合金锻件各项性能指标达到要求，对今后生产类似产品有深远意义。

作者简介

党群，质量管理部工程师。主要围绕锻件的生产过程开展质量工作，包括质量前期策划、过程控制、产品最终检验、产品质量改进。

——文章选自《锻造与冲压》2022年第15期

,