杜紅強，張立虎，楊藝林，魏永勝·青海中鈦青鍛裝備制造有限公司

使用多火次自由鍛工藝制備大規(guī)格尺寸（φ400mm）A 級探傷合格原材料，再利用數(shù)字建模、有限元分析模擬模鍛成形情況，設(shè)計合理的荒坯、模具及生產(chǎn)工藝，通過精細的工藝設(shè)計和嚴格的質(zhì)量控制等策略，克服TC4 鈦合金轉(zhuǎn)向架的鍛造難題，獲得滿足設(shè)計要求的鍛件形狀和尺寸，達到技術(shù)指標要求的微觀組織和使用性能的大規(guī)格鈦合金鍛件。實現(xiàn)國內(nèi)首次鈦合金高速動車組轉(zhuǎn)向架模鍛件生產(chǎn)，為高速列車技術(shù)的創(chuàng)新開辟新的領(lǐng)域。

在高速鐵路技術(shù)的快速發(fā)展背景下，轉(zhuǎn)向架作為動車組列車的關(guān)鍵部件，其性能優(yōu)化成為提升列車運行效率與安全性的重要研究方向。鈦合金以其卓越的輕量化特性、高強度及耐腐蝕性能，成為了轉(zhuǎn)向架設(shè)計中實現(xiàn)輕量化與性能優(yōu)化的重要材料。相比于傳統(tǒng)使用的鋼鐵材料，鈦合金具有更高的比強度，即在保持相同強度的情況下，其重量可以顯著減輕，這不僅有助于提高列車的運行效率，降低能源消耗，還能夠提升列車的加速性能和制動效果，從而實現(xiàn)更快速、更平穩(wěn)的運行。此外，鈦合金的耐腐蝕性能優(yōu)異，能夠有效抵御列車在復(fù)雜環(huán)境條件下的腐蝕，延長轉(zhuǎn)向架的使用壽命，降低維護成本。

鍛件分析

TC4 轉(zhuǎn)向架產(chǎn)品如圖1 所示，輪廓尺寸為1640×415×289(mm×mm×mm)，鍛件腹板厚度為44mm，肋板寬度為28.6mm，肋板高寬比3.5，重量423.4kg，鍛件投影面積0.54m2。

圖1 鍛件/零件三維數(shù)模

工藝分析

該鍛件材料為TC4，變形抗力大，導(dǎo)熱性差，粘性和流動性差，腹板薄，肋板寬度小，鍛件尺寸規(guī)格大，模鍛時易出現(xiàn)鍛件充不滿、塌角、表面撕裂等缺陷，鍛造成形力大。

結(jié)合上述情況和公司實際工況、設(shè)備，采用25MN 快鍛機改鍛、制坯，680MN 液壓機模鍛的工藝生產(chǎn)。工序流程為：原材料復(fù)檢→下料→改鍛→檢驗→制坯→模鍛→切邊→熱處理→檢驗→入庫。

模具設(shè)計

根據(jù)鍛件及設(shè)備工裝情況設(shè)計模具(圖2)，上、下模采用鎖扣結(jié)構(gòu)防止模具錯移，添加頂料桿輔助脫模，擋環(huán)用螺栓固定在下模將頂料板、T 形頂料桿封閉在下模，防止脫落，方便模具安裝。

圖2 鍛模示意圖

1-上模 2-T 形頂料桿 3-下模 4-頂料板 5-擋環(huán)

模具型腔設(shè)計：在高筋位置增加壁厚和拔模斜度，高筋位置減小飛邊尺寸，加寬橋口寬度以增加阻力便于鍛件成形。

荒坯設(shè)計

根據(jù)鍛件形狀和方便自由鍛制坯，坯料設(shè)計成帶凸臺狀的臺階式方坯，荒坯各截面面積與模鍛件截面積比為1.1 左右；結(jié)合Deform-3D 不斷迭代模擬得出最終的荒坯形狀(圖3)。

圖3 荒坯

棒坯生產(chǎn)方案

為了滿足鍛件最終理化性能，在改鍛過程中對坯料的組織、性能、探傷等級進行嚴格檢驗和過程控制，改鍛生產(chǎn)方案為：鈦錠經(jīng)檢驗、探傷合格后六火次鍛造，三火次在β 相區(qū)，三火次在兩相區(qū)(圖4)，每火次換向三鐓三拔(圖5)，每次鐓拔變形量45%～55%，鍛后空冷，最后改鍛成φ400×1000(mm×mm)棒坯。

圖4 加熱工藝簡圖

圖5 換向三鐓三拔工藝簡圖

模鍛工藝設(shè)計

模鍛工序采用常規(guī)鍛造工藝(Tβ-30 ～40℃)生產(chǎn)，用于獲得平衡態(tài)組織。坯料加熱前噴涂Ti-5 防氧化涂料，出爐后覆蓋石棉保溫，并在模具型腔噴涂水基石墨，覆蓋石墨紙潤滑模具，Deform-3D 模擬結(jié)果見表1。模鍛成形力464MN，毛邊基本均勻，荒坯及模具設(shè)計合理。

表1 模鍛邊界條件

鍛件本體內(nèi)部最高溫度968℃，不會出現(xiàn)過熱與過燒現(xiàn)象，溫度分布如圖6 所示。模鍛工序平均變形量約60%，應(yīng)變分布如圖7 所示。

圖6 預(yù)鍛溫度分布

圖7 預(yù)鍛工序應(yīng)變量分布

根據(jù)鍛件形狀、材料流動情況，取2 個截面進行流線分析，各截面流線沿鍛件輪廓均勻順滑分布，未見穿流、渦流等缺陷，截面橫向、縱向流線如圖8所示。

圖8 截面橫向、縱向流線

試制結(jié)果及分析

棒坯檢測結(jié)果及分析

棒坯頭部切試片進行熱處理，在試片R/2 處取樣檢測徑向和弦向的拉伸性能、沖擊功，在試片中心、R/2、邊緣處取樣檢測高倍組織。如圖9 ～圖11 所示，中心位置金相為條桿狀α 相+β 相，R/2 位置金相為等軸狀、蠕蟲狀α 相+β 相，邊緣位置金相為等軸狀、蠕蟲狀α 相+β 相；棒坯R/2 位置力學(xué)性能滿足鍛件性能要求，見表2；棒坯經(jīng)過水浸法檢測符合AMS-STD-2154 標準中A 級要求。

表2 棒坯力學(xué)性能

圖9 棒坯中心位置金相

圖10 棒坯R/2 位置金相

圖11 棒坯邊緣位置金相

鍛件檢測結(jié)果及分析

鍛件熱處理后，在試樣區(qū)取樣檢測縱向、橫向和高向的拉伸性能、沖擊功，以及心部與邊緣區(qū)的高倍組織。試樣1/4 厚度位置力學(xué)性能滿足鍛件性能要求見表3。如圖12 ～圖15 所示，鍛件心部與邊緣區(qū)各個方向組織均為等軸α 相+β 相，滿足產(chǎn)品技術(shù)要求；鍛件經(jīng)過接觸法檢測符合AMS-STD-2154 標準中A 級要求。

表3 鍛件力學(xué)性能

圖12 邊緣區(qū)橫向組織(200×)

圖13 邊緣區(qū)縱向組織(200×)

圖14 心部橫向組織(200×)

圖15 心部縱向組織(200×)

結(jié)束語

本工藝共試制生產(chǎn)了5 件，鍛件理化性能、形狀、尺寸均達到顧客及要求，表明使用多火次自由鍛工藝制備大規(guī)格尺寸A 級探傷合格原材料、自由鍛制坯+模鍛成形方法鍛造400km 高速動車組列車用TC4鈦合金轉(zhuǎn)向架模鍛件是完全可行的。