【h13锻件】大型铝基复合材料环形锻件等温精密模锻工艺研究

铝基复合材料环形锻件具有特殊复杂的结构形式，未加工的表面较多。

由于先进航空航天飞行器不断追求轻量化、长寿命、高能效、高机动性的发展目标，带动了轻质量、高强度、多功能颗粒增强铝基复合材料的持续发展。提出的低密度、高比强度、高比模量、低膨胀、高可靠性等优异的综合性能要求，传统轻质材料已经很难全面满足要求，如铝合金模量低、线膨胀系数较大；钛合金密度较大、热导率极低；纤维增强树脂基复合材料在空间环境下使用易老化等，这严重制约了新型飞行器的发展需求。颗粒增强铝基复合材料经过30 多年的发展，已在国外航空航天领域得到了规模应用，这充分验证了与铝合金、钛合金、纤维树脂基复合材料等传统材料相比具有的显著性能优势，奠定了颗粒增强铝基复合材料在材料体系中的地位和竞争态势。

近年来国内飞机结构件的铝基复合材料用量不断增多，对于具有环形等复杂形状的铝基复合材料构件，过去常用铝合金普通模锻件毛坯经机械加工而成，其材料利用率往往仅有5％左右，90％以上的材料变为切削废料，机加工周期长且效率低，更是无法满足批量生产的需求。高性能铝基复合材料是实现先进飞行器轻量化的理想材料。美国DWA公司研制的SiCp/Al 结构复合材料规模应用于飞机、直升机等承力关键结构件就证实了这一点。

等温锻造是一种先进优异的锻造工艺，它可以使铝基复合材料等难变形材料在相对恒定的变形温度下，以极低的变形速率，一火次成形出形状复杂的、接近零件形状的精密模锻件。这样的精密模锻件仅需要少量或局部机械加工即可装配使用，材料利用率高，组织性能好，当具有批量生产规模时，可获得显著的经济效益。本文采用等温精密模锻工艺试制某型机旋翼系统铝基复合材料环形锻件，用于摸索铝基复合材料环形件近无余量精密近净成形技术，以推广新型颗粒增强铝基复合材料在航空航天工业中的应用。

试验材料与方法

本试验采用有色研究总院提供的φ 400mm 规格的铝基复合材料坯锭，原材料坯锭号：E1501，其化学成分见表1。化学成分、高低倍、超声波探伤及其他力学性能均满足验收标准对原材料的要求。

表1 原材料化学成分

精密等温锻造全过程在400MN 液压机上完成。400MN 模锻液压机由我国自主设计和制造，液压和控制系统进口于美国Oilgear 公司，系统设计和布局达到了国际先进水平，具有锻造压力大、精度高、速度控制在0.02 ～ 60mm/s、压力及行程可控、工艺适应性广等特点。全过程计算机控制，对执行的工艺可重现，批量一致性好，主要适用于钛合金、高温合金、超高强度钢、铝合金等航空大型模锻件的研制生产。

等温锻造用模具材料选用H13。根据确定的锻件图及设备的装卡结构，合理设计模具结构，并对模具型腔作特殊要求。在等温锻造生产之前，要对模具进行预热，本试验过程采用专用模具预热电炉对模具进行预热，保证模具不同截面处的温差小于50℃。

本试验方法的制定主要工艺流程为：等温锻镦饼→机加饼坯→等温精密模锻→锻件表面清理→热处理→性能检测。

在数值仿真模拟的基础上，结合铝基复合材料自身的特性及400MN 液压机的设备优势，镦饼过程按多火次合理分配变形量，使原材料坯锭的内部组织得到最大改善。经过多次数值模拟，确定最优的饼坯尺寸，在精密模锻前按特定的要求对饼坯进行机加，保证锻件最终的成形质量。为进一步保证锻件表面质量，在模锻前对饼坯用专用润滑剂，对坯料表面进行喷涂润滑。将饼坯在电炉中按200 ～ 250℃加热，保温40 ～ 60min 后，用提前调配好的润滑剂对坯料进行喷涂。

等温精密模锻过程在400MN 液压机上进行，具体工艺参数见表2。

表2 等温精密模锻工艺参数

锻造完成后，用专用设备对锻件表面进行清理、打磨及切除毛边。为了改善和稳定锻件的性能，需要进行合适的锻后热处理，本锻件的热处理方案为：固溶+ 人工时效工艺。由于锻件毛坯已经进行了高温处理，所以固溶处理应该遵循低温时效的原则，以免影响强化效果。

试验结果分析

等温模锻件尺寸及表面质量分析

锻件经后续工序，最终成形锻件如图1所示。

图1 锻件实物

锻件外廓尺寸达φ 100mm×90mm，投影面积达0.25m2，而且四周分布难以成形的支臂，加工余量较小，尺寸精度要求较高。经3D 红外仪扫描检测，锻件尺寸均满足设计数模要求。

本试验研制的等温模锻件，无折叠、回流、穿流、凹陷、穿晶等缺陷，锻件成形饱满，表面质量较好。锻件上下表面设计余量3mm，侧面及支臂表面为非加工面，经打磨抛光处理，表面粗糙度满足设计Ra3.2μm 的要求。

等温模锻件内部组织性能分析

本试验研制的等温模锻件，经典型的固溶+ 时效热处理后，内部质量符合相关型号标准要求。对锻件上下表面进行超声波探伤，无超标信号的内部缺陷，满足标准要求, 等温模锻件内部组织性能分析结果见表3。

表3 等温模锻件内部组织性能分析结果

结论

通过数值模拟并结合400MN液压机的设备特性，制定了合理的等温锻造工艺路线，采取多火次镦饼及一火次模锻的方案，完成了典型锻件的试制，并经试加工鉴定，符合零件设计要求。

—— 来源：《锻造与冲压》2019年第15期