锻造工艺对TC4风扇叶片动态性能的影响.doc

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1、锻造工艺对TC4风扇叶片动态性能的影响裴传虎，李臻熙，丁建山，黄旭(北京航空材料研究院先进钛合金航空科技重点实验室，北京100095)摘要：采用不同的制坯和模锻工艺，研究了锻造工艺对TC4钛合金风扇叶片锻件的组织和动态力学性能的影响。结果表明：在Tβ-30℃~Tβ-50℃锻造温度范围内，初生a相含量越多，材料在局域化变形区域的协调变形能力越好，绝热剪切敏感性越小，动态强度相当，而动态塑性更高。制坯温度高于模锻温度时，在锻件中会产生两套初生a相，在初生a相总含量相当时，此种组织在高应变率下的协调变形能力较常规双态组织差，即动态力学性能较差。因此，

2、对于TC4风扇叶片锻件，应保证制坯温度低于模锻温度的前提下，采用较低的模锻温度，进而获得抗动态冲击能力最好的组织。关键词：TC4钛合金风扇叶片；锻造工艺；绝热剪切敏感性；动态力学性能中图法分类号：TG146.2+3文献标识码：A文章编号：1002-185X(2017)S1-118-06TC4钛合金具有较高的比强度、断裂韧性、疲劳强度、抗动态冲击等优良的综合性能，因此大量应用于航空发动机风扇叶片。大尺寸TC4钛合金风扇叶片在服役过程中需承受较大的离心力和振动疲劳载荷，还需承受外物的高应变率冲击等。而钛合金具有低导热及低应变硬化的特性，使其在高应变

3、率加载下易发生局域化变形，进而导致绝热剪切失效。国内外针对钛合金导弹战斗部、坦克装甲等在高应变率下的动态性能进行过一定的研究[1-3]，这些工作主要是通过调整热处理和加工工艺来改善钛合金的微观组织，进而提高其动态性能。目前，国内针对风扇叶片用钛合金抗外物冲击时损伤能力和高应变率下的局域化变形和失效特征研究较少[4,5]。因此，本实验采用Hopkinson压杆试验装置，针对目前国内最大的航空发动机用TC4钛合金风扇叶片，研究了4种锻造工艺对其微观组织、动态性能和绝热剪切失效的影响，以期为风扇叶片的选材和工艺优化提供一定的理论支撑。1实验方法采用两

4、相区锻造研制的Ф100mm的TC4棒材，棒材显微组织如图1所示，研究4种不同的锻造工艺对TC4风扇叶片锻件组织和动态力学性能的影响。锻件研制工艺如表1所示。采用4种工艺研制的TC4叶片锻件，沿叶身受外物冲击方向，取样加工动态压缩试样。在分离式Hopkinson压杆（SHPB）上进行动态力学性能试验，其试验装置和试验原理可以参阅相关文献[6]。由应力表1TC4风扇叶片的锻造工艺Table1ForgingprocessingofTC4fanbladeNo.Billetmaking/℃Die-forging/℃Heattreatment1#95095

5、0800℃/2h/AC2#950940800℃/2h/AC3#950930800℃/2h/AC4#930940800℃/2h/AC50µm图1TC4棒材显微组织Fig.1MicrostructureofTC4bar波理论，3种波形的宽度(Δt)均由打击杆的长度决定，如公式（1）所示。(1)式中：L为撞击杆长度，C0为SHPB杆中弹性纵波波速。对马氏体时效钢，C0取5.19km/s，本试验所用打击杆长度为200mm，因此，正常加载脉冲宽度约为80μs。2结果及讨论2.1TC4叶片锻件的绝热剪切敏感性采用SHPB装置，针对不同锻造工艺研制的TC4叶

6、片锻件试样，在4个应变率下（1500，2000，2500，3000s-1）动态加载，并得到试样在高应变率下的动态应力-时间曲线如图2所示，承载时间如表2所示。其中每条曲线和数据均为5个试样在相同状态下的平均值，保证了动态力学性能数据的重复性。4种叶片锻件试样在各个应变率下动态压缩变形后的宏观形貌如图3所示，试样绝热剪切局域化变形区（轴向解剖后45º角）的微观组织形貌如图4~图6所示。在SHPB冲击实验中，此种单轴冲击加载过程中试样的正应力方向同加载方向一致，而最大剪切应力的方向则与正应力成45º角，因此以试样的失效特征可判断断裂沿着最大剪应力面

7、发生，为典型的剪切断裂失效[7]。材料在高应变、高应变速率下的变形由两个互相竞争的因素决定：一是由于应变增加导致的加工硬化效应，二是由于绝热温升而引起的热软化效应。随应变率的提高，材料的绝热温升提高，热软化超过了应变硬化和应变率硬化的总和，使材料的热粘塑性本构失稳过程加快并表现为材料的高度局域化，最终形成绝热剪切破坏[8,9]。应力-时间曲线表征了材料从动态加载开始到产生绝热剪切带破坏的承载时间，承载时间越长，说明材料对绝热剪切越不敏感，反之则越敏感[10]。图2TC4叶片在不同应变率下的应力-时间曲线Fig.2Stress-timecurve

8、sofTC4fanbladeatdifferentstrainrates:(a)1500s-1,(b)2000s-1,(c)2500s-1,and(d