鋁基復合材料環(huán)形鍛件具有特殊復雜結(jié)構(gòu)形狀，而且非加工表面較多。本研究采用等溫精密模鍛工藝成功試制出了鋁基復合材料大型環(huán)形鍛件，鍛件成形質(zhì)量良好，形狀尺寸大大精化，可節(jié)約大量貴重原材料和機加周期。
由于先進航空航天飛行器不斷追求輕量化、長壽命、高能效、高機動性的發(fā)展目標，帶動了輕質(zhì)量、高強度、多功能顆粒增強鋁基復合材料的持續(xù)發(fā)展。提出的低密度、高比強度、高比模量、低膨脹、高可靠性等優(yōu)異的綜合性能要求，傳統(tǒng)輕質(zhì)材料已經(jīng)很難全面滿足要求，如鋁合金模量低、線膨脹系數(shù)較大；鈦合金密度較大、熱導率極低；纖維增強樹脂基復合材料在空間環(huán)境下使用易老化等，這嚴重制約了新型飛行器的發(fā)展需求。顆粒增強鋁基復合材料經(jīng)過30 多年的發(fā)展，已在國外航空航天領(lǐng)域得到了規(guī)模應用，這充分驗證了與鋁合金、鈦合金、纖維樹脂基復合材料等傳統(tǒng)材料相比具有的顯著性能優(yōu)勢，奠定了顆粒增強鋁基復合材料在材料體系中的地位和競爭態(tài)勢。
近年來國內(nèi)飛機結(jié)構(gòu)件的鋁基復合材料用量不斷增多，對于具有環(huán)形等復雜形狀的鋁基復合材料構(gòu)件，過去常用鋁合金普通模鍛件毛坯經(jīng)機械加工而成，其材料利用率往往僅有5％左右，90％以上的材料變?yōu)榍邢鲝U料，機加工周期長且效率低，更是無法滿足批量生產(chǎn)的需求。高性能鋁基復合材料是實現(xiàn)先進飛行器輕量化的理想材料。美國DWA公司研制的SiCp/Al 結(jié)構(gòu)復合材料規(guī)模應用于飛機、直升機等承力關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件就證實了這一點。
等溫鍛造是一種先進優(yōu)異的鍛造工藝，它可以使鋁基復合材料等難變形材料在相對恒定的變形溫度下，以極低的變形速率，一火次成形出形狀復雜的、接近零件形狀的精密模鍛件。這樣的精密模鍛件僅需要少量或局部機械加工即可裝配使用，材料利用率高，組織性能好，當具有批量生產(chǎn)規(guī)模時，可獲得顯著的經(jīng)濟效益。本文采用等溫精密模鍛工藝試制某型機旋翼系統(tǒng)鋁基復合材料環(huán)形鍛件，用于摸索鋁基復合材料環(huán)形件近無余量精密近凈成形技術(shù)，以推廣新型顆粒增強鋁基復合材料在航空航天工業(yè)中的應用。
試驗材料與方法
本試驗采用有色研究總院提供的φ 400mm 規(guī)格的鋁基復合材料坯錠，原材料坯錠號：E1501，其化學成分見表1。化學成分、高低倍、超聲波探傷及其他力學性能均滿足驗收標準對原材料的要求。
精密等溫鍛造全過程在400MN 液壓機上完成。400MN 模鍛液壓機由我國自主設(shè)計和制造，液壓和控制系統(tǒng)進口于美國Oilgear 公司，系統(tǒng)設(shè)計和布局達到了國際先進水平，具有鍛造壓力大、精度高、速度控制在0.02 ～ 60mm/s、壓力及行程可控、工藝適應性廣等特點。全過程計算機控制，對執(zhí)行的工藝可重現(xiàn)，批量一致性好，主要適用于鈦合金、高溫合金、超高強度鋼、鋁合金等航空大型模鍛件的研制生產(chǎn)。
等溫鍛造用模具材料選用H13。根據(jù)確定的鍛件圖及設(shè)備的裝卡結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計模具結(jié)構(gòu)，并對模具型腔作特殊要求。在等溫鍛造生產(chǎn)之前，要對模具進行預熱，本試驗過程采用專用模具預熱電爐對模具進行預熱，保證模具不同截面處的溫差小于50℃。
本試驗方法的制定主要工藝流程為：等溫鍛鐓餅→機加餅坯→等溫精密模鍛→鍛件表面清理→熱處理→性能檢測。
在數(shù)值仿真模擬的基礎(chǔ)上，結(jié)合鋁基復合材料自身的特性及400MN 液壓機的設(shè)備優(yōu)勢，鐓餅過程按多火次合理分配變形量，使原材料坯錠的內(nèi)部組織得到最大改善。經(jīng)過多次數(shù)值模擬，確定最優(yōu)的餅坯尺寸，在精密模鍛前按特定的要求對餅坯進行機加，保證鍛件最終的成形質(zhì)量。為進一步保證鍛件表面質(zhì)量，在模鍛前對餅坯用專用潤滑劑，對坯料表面進行噴涂潤滑。將餅坯在電爐中按200 ～ 250℃加熱，保溫40 ～ 60min 后，用提前調(diào)配好的潤滑劑對坯料進行噴涂。
等溫精密模鍛過程在400MN 液壓機上進行，具體工藝參數(shù)見表2。
鍛造完成后，用專用設(shè)備對鍛件表面進行清理、打磨及切除毛邊。為了改善和穩(wěn)定鍛件的性能，需要進行合適的鍛后熱處理，本鍛件的熱處理方案為：固溶+ 人工時效工藝。由于鍛件毛坯已經(jīng)進行了高溫處理，所以固溶處理應該遵循低溫時效的原則，以免影響強化效果。
試驗結(jié)果分析
等溫模鍛件尺寸及表面質(zhì)量分析
鍛件經(jīng)后續(xù)工序，最終成形鍛件如圖1所示。
鍛件外廓尺寸達φ 100mm×90mm，投影面積達0.25m2，而且四周分布難以成形的支臂，加工余量較小，尺寸精度要求較高。經(jīng)3D 紅外儀掃描檢測，鍛件尺寸均滿足設(shè)計數(shù)模要求。
本試驗研制的等溫模鍛件，無折疊、回流、穿流、凹陷、穿晶等缺陷，鍛件成形飽滿，表面質(zhì)量較好。鍛件上下表面設(shè)計余量3mm，側(cè)面及支臂表面為非加工面，經(jīng)打磨拋光處理，表面粗糙度滿足設(shè)計Ra3.2μm 的要求。
等溫模鍛件內(nèi)部組織性能分析
本試驗研制的等溫模鍛件，經(jīng)典型的固溶+ 時效熱處理后，內(nèi)部質(zhì)量符合相關(guān)型號標準要求。對鍛件上下表面進行超聲波探傷，無超標信號的內(nèi)部缺陷，滿足標準要求, 等溫模鍛件內(nèi)部組織性能分析結(jié)果見表3。
結(jié)論
通過數(shù)值模擬并結(jié)合400MN液壓機的設(shè)備特性，制定了合理的等溫鍛造工藝路線，采取多火次鐓餅及一火次模鍛的方案，完成了典型鍛件的試制，并經(jīng)試加工鑒定，符合零件設(shè)計要求。
