杜红强，张立虎，杨艺林，魏永胜·青海中钛青锻装备制造有限公司

使用多火次自由锻工艺制备大规格尺寸（φ400mm）A 级探伤合格原材料，再利用数字建模、有限元分析模拟模锻成形情况，设计合理的荒坯、模具及生产工艺，通过精细的工艺设计和严格的质量控制等策略，克服TC4 钛合金转向架的锻造难题，获得满足设计要求的锻件形状和尺寸，达到技术指标要求的微观组织和使用性能的大规格钛合金锻件。实现国内首次钛合金高速动车组转向架模锻件生产，为高速列车技术的创新开辟新的领域。

在高速铁路技术的快速发展背景下，转向架作为动车组列车的关键部件，其性能优化成为提升列车运行效率与安全性的重要研究方向。钛合金以其卓越的轻量化特性、高强度及耐腐蚀性能，成为了转向架设计中实现轻量化与性能优化的重要材料。相比于传统使用的钢铁材料，钛合金具有更高的比强度，即在保持相同强度的情况下，其重量可以显著减轻，这不仅有助于提高列车的运行效率，降低能源消耗，还能够提升列车的加速性能和制动效果，从而实现更快速、更平稳的运行。此外，钛合金的耐腐蚀性能优异，能够有效抵御列车在复杂环境条件下的腐蚀，延长转向架的使用寿命，降低维护成本。

锻件分析

TC4 转向架产品如图1 所示，轮廓尺寸为1640×415×289(mm×mm×mm)，锻件腹板厚度为44mm，肋板宽度为28.6mm，肋板高宽比3.5，重量423.4kg，锻件投影面积0.54m2。

图1 锻件/零件三维数模

工艺分析

该锻件材料为TC4，变形抗力大，导热性差，粘性和流动性差，腹板薄，肋板宽度小，锻件尺寸规格大，模锻时易出现锻件充不满、塌角、表面撕裂等缺陷，锻造成形力大。

结合上述情况和公司实际工况、设备，采用25MN 快锻机改锻、制坯，680MN 液压机模锻的工艺生产。工序流程为：原材料复检→下料→改锻→检验→制坯→模锻→切边→热处理→检验→入库。

模具设计

根据锻件及设备工装情况设计模具(图2)，上、下模采用锁扣结构防止模具错移，添加顶料杆辅助脱模，挡环用螺栓固定在下模将顶料板、T 形顶料杆封闭在下模，防止脱落，方便模具安装。

图2 锻模示意图

1-上模 2-T 形顶料杆 3-下模 4-顶料板 5-挡环

模具型腔设计：在高筋位置增加壁厚和拔模斜度，高筋位置减小飞边尺寸，加宽桥口宽度以增加阻力便于锻件成形。

荒坯设计

根据锻件形状和方便自由锻制坯，坯料设计成带凸台状的台阶式方坯，荒坯各截面面积与模锻件截面积比为1.1 左右；结合Deform-3D 不断迭代模拟得出最终的荒坯形状(图3)。

图3 荒坯

棒坯生产方案

为了满足锻件最终理化性能，在改锻过程中对坯料的组织、性能、探伤等级进行严格检验和过程控制，改锻生产方案为：钛锭经检验、探伤合格后六火次锻造，三火次在β 相区，三火次在两相区(图4)，每火次换向三镦三拔(图5)，每次镦拔变形量45%～55%，锻后空冷，最后改锻成φ400×1000(mm×mm)棒坯。

图4 加热工艺简图

图5 换向三镦三拔工艺简图

模锻工艺设计

模锻工序采用常规锻造工艺(Tβ-30 ～40℃)生产，用于获得平衡态组织。坯料加热前喷涂Ti-5 防氧化涂料，出炉后覆盖石棉保温，并在模具型腔喷涂水基石墨，覆盖石墨纸润滑模具，Deform-3D 模拟结果见表1。模锻成形力464MN，毛边基本均匀，荒坯及模具设计合理。

表1 模锻边界条件

锻件本体内部最高温度968℃，不会出现过热与过烧现象，温度分布如图6 所示。模锻工序平均变形量约60%，应变分布如图7 所示。

图6 预锻温度分布

图7 预锻工序应变量分布

根据锻件形状、材料流动情况，取2 个截面进行流线分析，各截面流线沿锻件轮廓均匀顺滑分布，未见穿流、涡流等缺陷，截面横向、纵向流线如图8所示。

图8 截面横向、纵向流线

试制结果及分析

棒坯检测结果及分析

棒坯头部切试片进行热处理，在试片R/2 处取样检测径向和弦向的拉伸性能、冲击功，在试片中心、R/2、边缘处取样检测高倍组织。如图9 ～图11 所示，中心位置金相为条杆状α 相+β 相，R/2 位置金相为等轴状、蠕虫状α 相+β 相，边缘位置金相为等轴状、蠕虫状α 相+β 相；棒坯R/2 位置力学性能满足锻件性能要求，见表2；棒坯经过水浸法检测符合AMS-STD-2154 标准中A 级要求。

表2 棒坯力学性能

图9 棒坯中心位置金相

图10 棒坯R/2 位置金相

图11 棒坯边缘位置金相

锻件检测结果及分析

锻件热处理后，在试样区取样检测纵向、横向和高向的拉伸性能、冲击功，以及心部与边缘区的高倍组织。试样1/4 厚度位置力学性能满足锻件性能要求见表3。如图12 ～图15 所示，锻件心部与边缘区各个方向组织均为等轴α 相+β 相，满足产品技术要求；锻件经过接触法检测符合AMS-STD-2154 标准中A 级要求。

表3 锻件力学性能

图12 边缘区横向组织(200×)

图13 边缘区纵向组织(200×)

图14 心部横向组织(200×)

图15 心部纵向组织(200×)

结束语

本工艺共试制生产了5 件，锻件理化性能、形状、尺寸均达到顾客及要求，表明使用多火次自由锻工艺制备大规格尺寸A 级探伤合格原材料、自由锻制坯+模锻成形方法锻造400km 高速动车组列车用TC4钛合金转向架模锻件是完全可行的。