- 回首頁
- 機械工業雜誌
機械工業雜誌
購物提醒：當您要離開或跳轉頁面時，請先將您想要購買的文章加入購物車，以便快速紀錄完成購買流程!
摘要
鈦合金葉片以傳統製程鍛造，材料使用率較低，且切斷鍛流線造成疲勞性質不佳。恆溫鍛造製程可開發近淨形之鈦合金葉片，提升抗疲勞強度，減少機加工，可以大幅縮減成本。本研究探討以傳統鍛造進行預成形，以恆溫鍛造製程進行完成鍛，開發近淨形Ti-6Al-4V葉片。首先使用電腦模擬分析軟體 DEFORM來分析鍛造之負荷以及材料流動之情形，並依據最佳之模擬分析的結果，設計、開發模具，進行鍛造驗證。探討製程與模具之可行性。結果顯示，本研究鍛造工序設計為前擠、端部鍛粗預成形與完成鍛。經實際鍛造實驗鍛件表面無缺陷、外形尺寸符合設計要求。經巨觀檢驗，鍛流線為連續且沿軸向分布，鍛件之金相為針狀β與等軸α相，均符合要求。以上結果顯示本研究可將葉片載具成功地開發出來。
Abstract
Titanium blade forged by using the traditional forging process will be low yielding ratio and bad fatigue property due to the flow line cut. The isothermal forging process can forge the near net shape titanium forging blade to elevate its fatigue resistant property and lowering the machining cost dramatically.In this study, the forging process is investigated to develop the near net shape Ti-6Al-4V blade by using the traditional forging process to do the performing and by using the isothermal forging process to do the finishing. First, the DEFORM software is used to investigate the forging load and the flowing of the materials. The tooling is designed and is made feasibility of the process and the tooling are investigated.
The results show the actual forging parts have no defects and its dimensions conform to the requirements by the forging process including the forward extrusion, upsetting and finishing. Through the inspections, the flow line is continuous and longitudinal. The metallographic is acicular βand equiaxedα. The above results show the vehicle blade can be developed successfully in this study.
前言
現代渦輪噴氣發動機主要之零部件包括葉片，轉子，轉軸，殼件等等，其結構分別由進氣段，壓縮段，燃燒段與排氣段組成，如圖1。各個區域都須要有葉片或葉盤做運轉，分別為風扇葉片，低壓壓縮葉片，高壓渦輪葉片與低壓渦輪葉片等。由於發動機運轉時承受高溫與高應力，而各區段的使用環境其溫度與負載有所不同，因此葉片或葉盤設計與所使用的材料亦不相同。發動機前段進氣與壓縮部為冷區，其葉片為風扇葉片與低壓壓縮葉片，材料分別使用Ti-6Al-4V或Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo，後段燃燒與排氣為熱區，葉片為低壓渦輪葉片與高壓渦輪葉片，材料分別使用INCONEL 718或UDIMET 720等耐熱鎳基超合金 [1] [2]。
一般而言，為顧及發動機內部零件之使用壽命與安全性，其製程主要為鍛造製程，而非全機械加工製程。然而，這些合金所具有的高耐熱性，使得該類合金的開胚、鍛造愈加困難，即高溫合金熱加工難度非常高。所以，鈦合金材料與鎳基超合金材料皆屬於難成形金屬材料，傳統上都以熱間鍛造製程成形，因其鍛造溫度高且範圍比較小，塑性成形性較差、高溫變形抵抗能力很高，很難製作精密鍛件。尤其是在鍛造具有薄的腹板、高肋骨和薄壁的零件時，胚料的溫度很快地被模具吸收，即所謂的激冷效應（chilling effect），變形抵抗迅速提升，塑性急劇降低，不僅需要大幅度提高設備能力，也易造成鍛件破裂。因此，不得不增加鍛件厚度，增加機加工餘量，降低了材料利用率，造成製造成本的提升。另一方面，大量之機械加工將材料內部鍛流線（flow line） 切斷，導致零件之強度與耐疲勞性劣化。
因此，自70年代以來，為改善上述之問題點，恆溫鍛造製程技術就被研究開發，並迅速地被發展起來，達到近淨形鍛造之目標[3] [4] [5] [6]。恆溫鍛造有別於傳統鍛造主要有兩個重點，一是模具溫度（TD） 約與工件温度（TP） 近似或相同，即TD/TP=0.90~1.05，減少激冷效應。二是加壓之應變速率低，一般低於0.5 mm/mm/min或加壓速度為0.02~1 mm/sec。降低材料之流動應力與鍛造負荷，提升模具壽命，則可鍛製近淨形精密鍛件。素材與傳統鍛件加工後，材料內部鍛流線被切斷，此將導致耐疲勞性變差，然而恆溫鍛造之精密鍛件則機加工後鍛流線完整，耐疲勞性較好，如圖2。
DOI:10.30256/JIM.202512_（513）.0005
更完整的內容歡迎訂購
2025年12月號
(單篇費用：參考材化所定價)