钛合金涡轮盘的超塑锻造

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1. 零件
涡轮盘材料为TC4。直径ϕ101. 6mm， 带有72 个轴向小叶片， 通道间隙1. 8mm， 叶片高度有3. 2mm与6mm 两种。原工艺采用仿形铣床， 用ϕ1. 8mm 的专用铣刀沿通道逐个叶片铣削加工， 每件工时30 ～60h。零件净重125g， 下料重486 ～ 522g， 材料利用率约25%。废品率较高， 刀具消耗量大。由于上述情况， 采用超塑锻造工艺成形。
该件的机械加工难点在叶形部分（占全部机械加工工时的90% 以上）， 所以叶形部分不留加工余量， 锻后喷砂。其余部分， 如叶片顶面、盘体、轴套凸台等部分， 留有适当的余量。

2. 工艺条件
TC4 合金的超塑锻造规范为：
等轴细晶的α + β 双相组织， 晶粒尺寸小于5μm；
在α + β 相区（900 ～950℃） 锻造；锻造速度较低（0. 1 ～1mm/ min）。
在上述条件下， TC4 的单向拉伸伸长率δ 为500% ～1750%， 流动应力σ 为10 ～40MPa。

3. 模具
（1） 模具材料　模具材料选用K3 镍基铸造高温合金， 其Rm、σ0. 2 和持久强度σ100 均为相同条件下TC4 超塑流动应力的3 倍以上， 满足强度要求。
（2） 模具制造　模坯精铸而成， 加工余量1mm左右， 叶形部分用电火花及线切割加工。
（3） 模具结构与尺寸　下图所示为模具结构图， 采用闭式模锻， 模口直接导向， 间隙0. 25 ～0. 35mm。　

模具成形部分的尺寸应考虑收缩值：
Δ = （t2 - t1）（a1 - a2）L
将该条件下TC4 与K3 的线膨胀系数代入上式
后， 可得
Δ = - （0. 3 -0. 4）%
收缩值为负， 说明模具冷尺寸应小于锻件冷尺寸。


模具结构图
1—隔热垫　2—感应圈　3—凸模　4—凹模　5—隔热板
6—水冷板　7—模座　8—工件　9—顶杆　10—水冷板

（4） 加热　采用感应加热，可控硅变频器为100kW/1. 0kHz， 使用功率8 ～50kW 升温， 10 ～12kW保温， 频率360 ～ 480Hz。上下模各用一个多匝感应器加热， 且模具开启时也可加热， 降温少。

4. 设备
成形设备为Y32-200 型四柱液压机， 该机台面大， 封闭高度大， 下液压缸顶出， 工艺性能灵活。

5. 润滑
采用BR-14 润滑剂， 毛坯预热300℃后匀涂。锻后喷砂去除涂层。在模腔内残留物少， 可连续成形20 件不必清理模具。

6. 模锻过程
模锻工艺流程如下：

坯料： TC4 经大变形锻造后， 制成ϕ101.6mm ×7mm的坯料；
喷涂润滑剂： 坯料预热至300℃后， 在专用旋转工装上喷涂；
锻前加热： 900℃， 5min， 氩气保护， 装模后均热5 ～15min 调整模温；
锻造： 速度0. 1 ～1mm/ min， 压力500 ～ 1200kN，保压3 ～6min；
顶出： 顶出力50 ～200kN， 顶出前对易变形部位冷却；
后处理： 在石棉堆中缓冷。喷砂去除涂层。进行稳定化处理。机械加工盘体及叶片顶面。

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这种锻造方法还是第一次接触