c4盘件高温面辗压成形形状变化和微观组织分布

c4盘件高温面辗压成形形状变化和微观组织分布

盘的双向压裂形成是一种新的工艺工具，以产生更多的柔性和局部塑料积分。与整体锻造相比其成形载荷低,不需要模具,程序控制成形过程,产品性能稳定。对于盘型件双面辗压成形工艺,辗压头的姿态及其运动轨迹决定了工件最终形状和组织性能,它们之间的相互关系是其工艺设计的基础。以前的研究者已经建立了根据盘型件形状确定辗压头姿态和运动的方法,编制了控制辗压头运动的软件,根据软件编制的程序进行了实验验证和算法修正。金泉林等利用数值模拟和实验验证的方式研究了6061铝合金在350~500℃时晶粒尺寸演化规律,指出盘件变形和组织演化主要源于辗压头对盘件表面的环向剪切。李彤等利用铅试样盘件进行辗压成形实验,描述了辗压后盘件主要特征,研究了影响这些特征的主要因素。这些研究成果都是基于数值模拟结果和铸铅或铝合金辗压实验结果。盘型件双面辗压工艺主要应用于涡轮盘成形,成形涡轮盘材料大都是难变形材料,例如钛合金和高温合金,需要在高温下成形。通过实验确认高温辗压的盘件微观组织分布以及形状特征与以前获得的铅盘规律是否一致是一件重要工作。为此本文对TC4盘件进行了高温双面辗压成形,观察成形后的TC4盘件形状以及微观组织分布情况。1压压机及加热系统图1为自行研制的双面辗压实验机,该机包括成形机械和感应加热两个系统。成形机械系统由机架、4个辗压头、辗压头转动和进给驱动、辗压头进给程序控制台组成。辗压成形时,进给电机提供辗压头对盘件的压力,辗压头驱动盘件转动和辗压变形。程序控制台控制辗压头运动参数。加热系统包括感应加热电源、感应线圈、红外测温仪、温度调节器、支架等。加热系统操作过程为:设置加热温度、加热速度、红外测温仪发射率;把红外测温仪对准即将加热的盘件,开启感应加热电源对盘件进行加热,红外测温仪与温度调节器联合控制盘件温度。2盘件思路与实验过程盘型件双面辗压实验的钛合金TC4盘坯如图2所示,其尺寸为Φ181mm×23.5mm。该盘坯由圆棒材加工而成。图3为盘坯纵向剖面金相照片。可以看出,这是典型的α+β双相组织,其中α相体积分数约为70%,成片分布,大多数α晶粒呈近等轴形,大约20~30μm,最小晶粒约为10μm,晶粒边界不整齐,类似锯齿形状,在α组织之间夹有β组织,β组织中还有细小针状α组织。根据TC4钛合金的高温性能,确定辗压成形温度为930℃。用感应加热方法加热盘坯,测温点在辗压区域内。将室温盘坯放在感应圈内,开启感应加热电源,辗头以2r·min-1转速带动盘坯转动。5min后盘坯温度达到930℃,再保温5min使盘件温度沿厚度方向一致,即可开始盘件辗压成形。盘件升温过程数据如表1所示。盘件温度稳定以后对盘件不同部位进行测温,测温结果如表2所示。图4为实验用辗压头形状尺寸,其锥台母线长16.5mm,前端面直径Φ25mm,锥顶角50°。本文辗压实验的目的是成形出一个双面对称的单槽,槽内侧半径r为60mm,槽深4.75mm,槽宽等于辗头母线长度。辗压采用厚向进给和辗压同时进行,从盘件r=60mm位置开始辗压,总共对盘件进行了3道次辗压。各道次辗压工艺参数如表3所示。第1次辗压:厚向丝杠进给量6mm,进给速度0.1mm·s-1,辗压头转速4r·min-1,辗压时间约300s。第1次辗压后将盘件温度降到室温,然后按表1所示的加热过程重新加热,温度达到930℃以后进行第2次辗压。第2次辗压的工艺参数为:厚向每道次丝杠进给量3mm,进给速度0.1mm·s-1,辗压头转度4r·min-1,辗压时间约为300s。第3次辗压过程的操作与第2次相同。3盘件撬压过程微观组织的典型位置辗压成形后,将钛合金TC4盘件空冷到室温。然后沿径向切割出多个金相试样在光学显微镜下观察盘件辗压过程中所产生的微观组织变化。为了方便分析温度和变形对微观组织变化的影响,本文选择了4个典型位置进行金相观察。这4个位置是:靠近盘件中心,盘件外缘,辗压槽厚度中心,辗压槽表面。根据实验观测和对辗压过程数值模拟的分析,这4个位置的温度和变形状态如表4所示。4结果与讨论4.1盘件撬压成形图5为双面辗压成形后的钛合金TC4盘件照片,可以看到一个辗压成形的沟槽,沟槽深度为4.75mm,在沟槽内有两个对称的椭圆形浅坑,这是辗压头的压下痕迹。说明辗压成形的沟槽深度小于辗压头的压下深度。这个浅坑的深度等于辗压头压下深度与实际沟槽深度之差,通常将这个浅坑的深度称为甩高。这是盘件辗压成形的一个重要特征,已有的研究证明,“甩高”大小与摩擦系数、辗压头尺寸和盘件尺寸有关。沟槽的辗压成形改变了盘件的尺寸。变形后的盘件尺寸为:直径Φ197mm,外缘厚度24mm,中心厚度23.7mm,槽内侧边缘厚度24.1mm,槽外侧边缘厚度25mm。与原始盘坯尺寸相比,盘件直径增加16mm,外缘厚度增加0.5mm,中心厚度增加0.2mm,槽内侧边缘厚度增加0.6mm,槽外侧边缘厚度增加1.5mm。在沟槽两侧盘件厚度增加受控于辗压沟槽时材料的流动状态,与沟槽大小、位置、盘件尺寸有关。上述实验现象说明,在本实验的几何条件下,向盘件外缘流动的材料更多一些。材料局部堆积现象也是盘件辗压不可忽视的变形特征。在TC4盘件高温辗压成形时所观察到的这些变形特征与李彤等室温辗压成形铸铅盘件时所观察到的变形特征基本一致。这说明在铅盘室温辗压实验时所得到的变形规律也可以用于钛合金盘件高温辗压成形的工艺分析。4.2盘中心—辗压后盘件的组织分布图6给出了辗压变形后TC4盘件不同取样位置上的金相照片。图6a显示出盘中心位置的微观组织为α+β双相组织。盘中心远离辗压头,变形很小,约为10-2量级。盘中心位置在感应圈外边,其温度低于控制温度930℃,在910~920℃范围内。由图6a可以看出,盘中心α晶粒有近等轴和长条形两种形状,最小等轴α晶粒直径为10μm,长条形的α晶粒长轴为50μm,短轴为10μm,有些长条形α晶粒,中间小两头较大,似乎有分离的趋势。α组织边界比较齐整,初始时的锯齿形状已经消失。β晶粒夹在α晶粒之间。α相体积分数为65%,与原始组织相比α相体积分数略有减少,这是因为盘中心温度较低,α组织转变为β组织的数量较少。图6b为盘外缘的微观组织。盘外缘的变形也很小,约为10-2量级,但是温度较高,超过960℃,高于盘件成形的控制温度930℃。从图6b可以看到盘外缘区域主要是β相组织,没有近等轴或长条形状α晶粒。与原始组织相比,β相中间的针状α组织更加明显,相互交错排列。这是因为盘外缘温度接近(α+β)到β的相变点温度,造成大部分α组织转变成β组织。图6c显示了槽中心区域的微观组织为α+β双相组织。槽中心处于辗压区域,变形量较大,在10-1~100范围内,温度为930℃,属于α+β双相区。与图3盘坯原始微观组织相比,槽中心区初生α组织数量减少,形状不规则,α相的体积分数减少到约为30%,β相明显增多。温度和变形的双重因素促进了初生α组织向β组织的转变。图6d显示了槽表面微观组织为α+β双相组织。槽表面处于辗压区,直接与辗压头接触,槽表面变形最大,其等效应变比槽中心区域高出两个数量级。槽表面温度在930℃,槽表面处于α+β双相温度区。与图6c相比,槽表面区域内有更多的α组织转变成β组织,α相的体积分数减少到10%左右,相应的β组织增多,有明显的针状α组织夹在β组织之间。虽然槽表面和槽中心都处于辗压区域,温度相同,但是槽表面α组织比槽中心少得多,这说明α组织向β组织转变除了受温度影响还受到变形的影响,较大塑性变形对α组织到β组织的转变有很大推动作用。在盘件的辗压过程中,利用感应加热可以实现非均温成形。不同温度、不同的应变速率和不同的变形量会形成不同的微观组织变化。由以上分析可知,远离辗压头的盘中心和盘外缘区域,应变速率接近零,变形量很小,微观组织的变化主要受温度控制。这使得盘中心处于α+β双相组织,盘外缘处于β相区。在盘件沟槽辗压区域,槽中心和槽表面的温度相同,变形量差别很大,这两个区域的微观组织差别主要由塑性变形决定,