摘要：對 TC17合金整體葉盤的鍛件圖、鍛造毛坯的形狀和模具結構及等溫鍛造工藝進行了研究。結果表明采用等溫鍛造工藝可生產出表面光潔、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整體，達到了設計減重的要求。鍛件金屬流線分布合理，組織、性能滿足要求。
1.前言
航空工業的主要載體是飛機，圍繞這一載體可分為飛機的機體和發動機兩大部分，雖然有若干不銹鋼品種被應用，但按這兩部分用途，鋼葉盤是渦輪發動機的壓氣機中的重要部件之一。傳統的生產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。這種方法的缺點是葉片與盤由于采用機械連接，使重量增加，不利于提高發動機的推重比。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量密切相關，因此焊接工序只能采用先進、精密的焊接工藝，如電子束焊、線形摩擦焊、真空擴散連接等。
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良的組織和性能，因此生產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復雜、組織和性能要求很高的鍛件，精度要求很高[2]，鍛件直徑大，葉片部分形狀復雜，屬非對稱部件，盤和葉形部分要求必須有足夠的變形量，鍛造難度很大。
2.鍛件圖的設計
2.1簡化設計
根據葉片零件數據，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雜且極不規則，在投影面上互相不重疊，完全按其形狀設計則鍛造極其困難，因此對葉片部分進行了必要的簡化設計。
2.2精化設計
在零件圖的基礎上，對TC17合金整體葉盤鍛件進行了精化設計，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，經過幾個方案的比較，完成了鍛件圖的設計。
3.模具設計
模具總體結構的設計思想是，模具安裝在液壓機上，用加熱爐對模具加熱，水冷板和模座構成模架。模具采用開式鍛結構，模座與水冷板用螺釘連接，上下模與模座用螺釘和卡環連接。上下水冷板有水冷槽，工作時通水冷卻以保護液壓機，并改善操作條件。
K3鎳基鑄造高溫合金具有良好的高溫強度、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. 成形設計
為縮短試驗周期，節約原材料，為實際生產提供理論計算與實踐的依據，在進行實物鍛壓之前，對TC17合金整體葉盤等溫模鍛過程進行了計算機有限元模擬。
首先進行了整體葉盤計算機模擬模型的建立。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，葉片呈非對稱分布，因此鍛件（如圖1）模擬時的幾何模型不能簡化，借助于DEFORM強大的計算能力和DELL工作站高速的運行速度，對鍛件直接建模并進行復雜的運算，并不對其進行簡化，以得到較高的模擬精度。
根據TC17高溫應力/應變曲線，進行了材料模型的建立，并用不同的摩擦系數模擬鍛餅過程，然后用模擬得到的鍛餅形狀與實際鍛件進行對照，用此間接方法得到TC17和模具之間的摩擦系數，并在計算中間簡化了溫度場模型，認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，初次設計成圓餅狀，中間有孔起定位作用，從模擬的結果來看，模具承受的壓力很大，坯料很難鍛壓成預定的形狀和尺寸，葉型部分很難充滿，經過對模擬結果分析得知，應該減少坯料內緣的金屬量，以避免中心孔被充滿而使鍛件繼續變形所需的壓力超過壓機的最大載荷。為了保證模具葉型部分能夠被充滿，應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
在確定了鍛件圖、坯料形狀和等溫鍛造工藝后，在液壓機上進行了TC17合金整體葉盤的鍛壓成形試驗，從鍛壓結果來看，鍛件各部位沒有折疊及其他缺陷，成形良好。與計算機模擬的結果吻合的很好。
6.整體葉盤鍛造組織性能控制
因為葉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。我們根據成形試驗的結果，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.結論
7.1TC17合金整體葉盤鍛件優化了盤件和葉片的連接，大大減輕了葉盤的重量，從而可提高飛機發動機的推重比。
7.2模具設計、等溫鍛造工藝設計和成形工藝設計對TC17合金整體葉盤的質量有重要的影響。
7.3通過對TC17合金整體葉盤鍛件的簡化、精化設計，既使鍛件余量放到最小，又使得整體葉盤鍛造順利進行。
7.4通過計算機模擬，得出了最佳的坯料形狀和成形工藝各參數，使坯料容易成形和充滿，鍛件外形規整。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。