摘要：对 TC17合金整体叶盘的锻件图、锻造毛坯的形状和模具结构及等温锻造工艺进行了研究。结果表明采用等温锻造工艺可生产出表面光洁、外形尺寸精确的钛合金整体叶盘等温锻件，锻件将叶盘和叶片作为一个整体，达到了设计减重的要求。锻件金属流线分布合理，组织、性能满足要求。
1.前言
航空工业的主要载体是飞机，围绕这一载体可分为飞机的机体和发动机两大部分，虽然有若干不锈钢品种被应用，但按这两部分用途，钢叶盘是涡轮发动机的压气机中的重要部件之一。传统的生产方法一类是将盘件部分和叶片部分分别锻制，加工后再组装而成。这种方法的缺点是叶片与盘由于采用机械连接，使重量增加，不利于提高发动机的推重比。还有一类是采用焊接式连接[1]，增加了焊接工序，整体叶盘的性能和工作可靠性与焊接的精度和焊缝质量密切相关，因此焊接工序只能采用先进、精密的焊接工艺，如电子束焊、线形摩擦焊、真空扩散连接等。
整体叶盘采用叶片和盘作为整体的锻件加工而成，取消了叶片和盘部分的机械连接或焊接连接，大大减轻了重量，保证了组织的均匀性，提高了叶盘的工作可靠性。但由此带来了一个问题是锻件尺寸大了许多，还必须保证锻件的叶片和盘部位都有优良的组织和性能，因此生产出合格的锻件具有较高的难度。
研究的TC17钛合金整体叶盘锻件是形状相当复杂、组织和性能要求很高的锻件，精度要求很高[2]，锻件直径大，叶片部分形状复杂，属非对称部件，盘和叶形部分要求必须有足够的变形量，锻造难度很大。
2.锻件图的设计
2.1简化设计
根据叶片零件数据，得出了叶片部分的三维零件图，由于整体叶盘叶片部分形状复杂且极不规则，在投影面上互相不重叠，完全按其形状设计则锻造极其困难，因此对叶片部分进行了必要的简化设计。
2.2精化设计
在零件图的基础上，对TC17合金整体叶盘锻件进行了精化设计，锻件盘件部分和叶片部分留比较小的余量。从锻造成形方面考虑，既要保证叶片有足够的变形量，又要保证叶片部分的充满和成形，经过几个方案的比较，完成了锻件图的设计。
3.模具设计
模具总体结构的设计思想是，模具安装在液压机上，用加热炉对模具加热，水冷板和模座构成模架。模具采用开式锻结构，模座与水冷板用螺钉连接，上下模与模座用螺钉和卡环连接。上下水冷板有水冷槽，工作时通水冷却以保护液压机，并改善操作条件。
K3镍基铸造高温合金具有良好的高温强度、高温耐磨性及抗氧化能力，适于在800~1000下工作。因此该模具的上下模座均选用K3材料。
4. 成形设计
为缩短试验周期，节约原材料，为实际生产提供理论计算与实践的依据，在进行实物锻压之前，对TC17合金整体叶盘等温模锻过程进行了计算机有限元模拟。
首先进行了整体叶盘计算机模拟模型的建立。由于整体叶盘零件叶片的轴线以及上下端线与盘体的中心轴不相交，叶片呈非对称分布，因此锻件（如图1）模拟时的几何模型不能简化，借助于DEFORM强大的计算能力和DELL工作站高速的运行速度，对锻件直接建模并进行复杂的运算，并不对其进行简化，以得到较高的模拟精度。
根据TC17高温应力/应变曲线，进行了材料模型的建立，并用不同的摩擦系数模拟锻饼过程，然后用模拟得到的锻饼形状与实际锻件进行对照，用此间接方法得到TC17和模具之间的摩擦系数，并在计算中间简化了温度场模型，认为变形过程中模具和锻件的温度始终保持不变。[3]
整体叶盘模拟的坯料，初次设计成圆饼状，中间有孔起定位作用，从模拟的结果来看，模具承受的压力很大，坯料很难锻压成预定的形状和尺寸，叶型部分很难充满，经过对模拟结果分析得知，应该减少坯料内缘的金属量，以避免中心孔被充满而使锻件继续变形所需的压力超过压机的最大载荷。为了保证模具叶型部分能够被充满，应该加厚坯料外缘的厚度。因此坯料改为中间薄四周厚的形状。
5. TC17合金整体叶盘成形试验
在确定了锻件图、坯料形状和等温锻造工艺后，在液压机上进行了TC17合金整体叶盘的锻压成形试验，从锻压结果来看，锻件各部位没有折叠及其他缺陷，成形良好。与计算机模拟的结果吻合的很好。
6.整体叶盘锻造组织性能控制
因为叶片部分要求有比较好的疲劳性能，盘件部分要求有好的蠕变性能和断裂韧性，因此必须研究锻造工艺使锻件性能可以兼顾盘和叶片的不同要求。我们根据成形试验的结果，制定了成形工艺，得到了良好的组织（见图2）和性能（见表1）。
7.结论
7.1TC17合金整体叶盘锻件优化了盘件和叶片的连接，大大减轻了叶盘的重量，从而可提高飞机发动机的推重比。
7.2模具设计、等温锻造工艺设计和成形工艺设计对TC17合金整体叶盘的质量有重要的影响。
7.3通过对TC17合金整体叶盘锻件的简化、精化设计，既使锻件余量放到最小，又使得整体叶盘锻造顺利进行。
7.4通过计算机模拟，得出了最佳的坯料形状和成形工艺各参数，使坯料容易成形和充满，锻件外形规整。采用等温锻造工艺锻出的TC17合金整体叶盘锻件，组织、性能良好，锻件金属流线分布合理。
