PH13-8Mo 钢异形模锻件锻造工艺设计及组织演变规律

文/李伟，杨大伟，林莺莺，林海·中国航发北京航空材料研究院

精密锻造具有生产效率高、成形质量好、产品一致性高等优点，特别是对于非加工的表面或者异形构件，采用精密锻造不仅能够满足其非加工要求，同时可极大地减少机械加工量。结合PH13-8Mo 锻件的设计形状以及性能要求，优化成形过程中制坯流程；采用有限元分析方法对制坯形状进行优化，最终完成锻件的优质高效成形。

PH13-8Mo 马氏体沉淀强化不锈钢以其超高的强度、优良的抗冲击腐蚀性能、较好的断裂韧性、焊接性以及易加工性能，在航空航天领域得到了广泛的关注。但由于其价格昂贵和硬度高，采用传统的机械加工方式生产的PH13-8Mo 零件，不仅大幅度提高了零件的制造成本，同时也增加了其制造周期。

本文介绍了一种PH13-8Mo 钢异形模锻件控形控性一体化成形技术，采用预制坯+锻造方法完成最终锻件成形，利用有限元计算软件对制坯的形状和尺寸进行优化，然后对最终锻件进行组织和性能评价，为异形PH13-8Mo 锻件制坯+锻造成形提供理论依据。

锻件及模具设计

本文中试制的PH13-8Mo 锻件如图1 所示。锻件分为上下结构，锻件上部为带有“T”字形加强筋结构，下部为整体长方体。锻件总高度为125mm，下部长方体高度为82mm，宽度仅为24mm；锻件最大长度为193mm，最大宽度为131mm。设计单边余量3mm，上部斜度为5°，下部斜度为7°，未注明倒角为R3mm。

有限元数值模拟计算边界参数设置

根据设计要求，确定有限元模拟计算过程边界参数如表1 所示。

表1 模拟基本参数

有限元数值模拟计算结果

PH13-8Mo 锻件有限元数值模拟过程如图2、图3 所示，分别采用圆柱形坯料以及预制坯形状坯料进行有限元模拟。

如上述有限元计算结果，直接用圆柱形棒料成形，锻件毛边完全形成后，锻件上部成形完整，锻件下部分长方体顶角处仍然未充满，图2 中红圈部分存在缺肉缺陷。如果继续增大压力，不仅对锻件成形模具形成巨大冲击力，造成模具损坏，同时也增加压力机闷车的风险。而采用预制坯后，在上部分充型完整时，下部也充型完整，整体锻件质量较好，故采用预制坯+模锻方式制造。

预制坯方案设计

根据上述有限元结果，锻件采用预制坯+模锻方式完成最终成形，而模锻过程中因模具型腔限制，变形量比较固定，对最终锻件的组织以及性能无太大影响。故对成形锻件影响比较大的过程在于预制坯制造环节。图4 为不同温度下采用圆棒直接锻造制坯组织变化。

经1100℃自由锻制坯后的晶粒度为3 ～4 级；1050℃制坯后的组织为4 ～5 级；1020℃制坯后的晶粒度为5 ～6 级。为满足晶粒度不粗于5 级的要求，选择制坯温度不大于1020℃。但是从图4也可以看到，经过1020℃制坯后，晶粒度接近5 级，在后续的模锻过程中，极易因锻造变形量不够，造成晶粒长大后粗于5 级。

图5 显示不同制坯方式下的组织变化。在制坯的工艺指导下，不仅考虑制坯工序的组织变化，同时也为后续的模锻组织和性能准备，在直接制坯的基础上，改进了制坯工艺，先镦拔一次后，再进行制坯。

从图5 中可以看到，原始材料的晶粒度约为7 ～8级，1020 ℃直接制坯后，晶粒度约为5 ～6 级，1020℃镦拔一次后制坯，晶粒度约为7 ～8 级，接近原始材料的晶粒度，组织明显好于直接制坯。

工艺方案验证

按照上述工艺方案，采用镦拔+制坯+模锻工艺，生产的锻件如图6 所示。从图中可以看到，采用预制坯成形的锻件充填非常完好，证明了有限元计算软件的可靠性。

图7 为锻件的晶粒度照片，从图中可以看到锻件的晶粒比较均匀，晶粒度约为6 ～7 级。

结论

⑴PH13-8Mo 异形锻件的成形选择镦拔+制坯+模锻成形，为满足晶粒度不粗于5 级要求，制坯及锻造温度选择1020℃。

⑵制坯过程中应先镦拔一次后，再进行制坯。

⑶对PH13-8Mo 锻件进行了有限元数值模拟分析，其结果与锻造结果一致，验证了锻造全流程模拟的可靠性。