CN103722108A - 一种钛合金叶片锻造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于钛合金叶片锻造技术领域，公开了一种钛合金叶片锻造方法。该钛合金叶片锻造方法，包括以下步骤：根据钛合金叶片的零件图和设计技术参数，确定对应的锻件加工余量；并设计对应的热锻件图。根据热锻件图，并根据以下公式确定钛合金叶片扭角：θ=（α1+α2）/2，α1为钛合金叶片叶尖的型面弦长线与钛合金叶片弦向之间的夹角，α2为钛合金叶片叶根的型面弦长线与钛合金叶片弦向之间的夹角。根据热锻件图、钛合金叶片扭角，配制终锻模具。根据热锻件图，设计锻件荒型；根据设计的锻件荒型的尺寸、设计的锻件荒型的形状配制胎膜。使用自由锻锤对坯料进行锤上荒型锻造，形成锻件荒型；然后利用终锻模具对锻件荒型进行锤上模锻。

Description

一种钛合金叶片锻造方法

技术领域

本发明属于钛合金叶片锻造技术领域，特别涉及一种钛合金叶片锻造方法。 

背景技术

钛合金叶片在制备荒型及模锻锻造过程中难度较大，具体表现为如下几个方面，第一，若加热温度及保温时间不当，容易导致材料表面变脆，形成微裂纹，使材料的热稳定性下降；第二，钛合金材料的摩擦系数大，比较粘，金属流动性不好，特别是大型钛合金叶片多个部位不易充满，成型困难；第三，锻造过程中容易产生热效应，导致锻件亮线等缺陷的产生。 

发明内容

本发明的目的在于提出一种钛合金叶片锻造方法。该钛合金叶片锻造方法能钛合金叶片荒型制备难和钛合金叶片不易成型的问题，并且避免了钛合金叶片表面亮线的产生。 

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。 

一种钛合金叶片锻造方法，包括以下步骤： 

S1：根据钛合金叶片的零件图和设计技术参数，确定对应的锻件加工余量；并设计对应的热锻件图。 

S2：根据热锻件图，并根据以下公式确定钛合金叶片扭角： 

θ=（α1+α2）/2，其中，α1为钛合金叶片叶尖的型面弦长线与钛合金叶片弦向之间的夹角，α2为钛合金叶片叶根的型面弦长线与钛合金叶片弦向之间 的夹角；如果钛合金叶片为静叶片，则所述钛合金叶片扭角为θ；如果钛合金叶片为动叶片，则所述钛合金叶片扭角为θ-θ1，θ1为3°至5°。 

根据热锻件图、钛合金叶片扭角，配制终锻模具。 

S3：根据热锻件图，设计锻件荒型；根据设计的锻件荒型的尺寸、设计的锻件荒型的形状配制胎膜。 

S4：使用电炉对坯料进行加热，加热至第一设定温度后进行保温；同时对胎膜、以及自由锻锤的锤砧进行预热；然后根据设计的锻件荒型，并使用自由锻锤对坯料进行锤上荒型锻造，形成锻件荒型；所述锤上荒型锻造的锻造火次为1至3，对于其中的第一锻造火次，利用所述胎膜对坯料进行胎膜锻。 

S5：使用电炉对锻件荒型进行加热，加热至第二设定温度后进行保温；同时对终锻模具进行预热；然后利用终锻模具对锻件荒型进行锤上模锻。 

本发明的特点和进一步改进在于： 

在步骤S4中，在使用电炉对坯料进行加热之前，将坯料置于150℃的电炉中预热10～20分钟，然后出炉，出炉后，在坯料表面均匀喷涂防护润滑剂；在步骤S5中，在使用电炉对锻件荒型进行加热之前，将锻件荒型置于150℃的电炉中预热10～20分钟，然后出炉，出炉后，在锻件荒型表面均匀喷涂防护润滑剂。 

在步骤S4中，第一设定温度比所述坯料的相变点低20～60℃，第一设定温度对应的保温时间为90分钟。 

在步骤S5中，第二设定温度比所述锻件荒型的相变点低10～50℃，第二设定温度对应的保温时间为90分钟。 

在步骤S4中，胎膜以及自由锻锤的锤砧的预热温度均大于或等于150℃。 

在步骤S5中，终锻模具的预热温度为350℃，预热时间为12小时。 

在步骤S4中，锤上荒型锻造对应的终止锻造温度大于或等于850℃；在步骤S5中，锤上模锻对应的终止锻造温度大于或等于850℃。 

在步骤S5中，利用终锻模具对锻件荒型进行锤上模锻，对于第一锻造火 次，选取压力机打击能量的25～50%，进行轻击；对于第二锻造火次，选取压力机打击能量的75～100%，重击至叶片成型，最后进行标刻。 

本发明的有益效果为：在配制终端模具时，确定叶片扭角θ，有利于锻件成型，在锻造过程中，严格控制锻造温度和终锻温度，跟踪锻件裂纹的产生，及时打磨排伤，避免了叶片表面缺陷的产生。 

具体实施方式

目前，大型燃气轮机压气机叶片的制造属于技术含量较高的领域，燃机压气机叶片工作环境恶劣，需要在高温高压下工作，且在工作中受力复杂，材料性能要求高，因此普通材料难以达到此要求，另外燃汽轮机压气机叶片具有毛坯形状复杂、曲率变化很大、技术要求高、加工检测难度大等特点，使用钛合金代替普通材料生产大型燃气轮机压气机叶片，在很大程度上克服了上述缺陷。 

本发明实施例提出了一种钛合金叶片锻造方法。例如，该钛合金叶片锻造方法为燃气轮机压气机钛合金叶片的锻造方法。本发明实施例中，钛合金叶片的材料为TC11钛合金，其相变点为985℃。本发明实施例的钛合金叶片属于大型钛合金叶片，其叶根形状复杂，叶身型面曲率变化大，且宽而薄，叶片总长360mm，叶根宽200mm，型面弦宽240mm，型面最大厚度仅为5-12mm。本发明实施例中，该钛合金叶片锻造方法包括以下步骤： 

S1：根据钛合金叶片的零件图和设计技术参数，确定对应的锻件加工余量；并设计对应的冷锻件图、热锻件图。 

具体过程如下：根据钛合金叶片的零件图，得出钛合金叶片的尺寸、形状。在此基础上结合钛合金叶片的设计技术参数、设计技术要求、设计技术协议，确定对应的锻件加工余量和冷锻件图：叶根在零件基础上单边包络 5mm，叶身在零件基础上单边包络3mm，进、排气边加放5mm，根据锻件投影面积、锻件成型难易程度确定锻造设备为80000KN螺旋压力机。在设计过程中分别在叶根及小端设计了定位台，保证后续生产定位准确。 

S2：根据热锻件图，并根据以下公式确定钛合金叶片扭角： 

θ=（α1+α2）/2，其中，α1为钛合金叶片叶尖的型面弦长线与钛合金叶片弦向之间的夹角，α2为钛合金叶片叶根的型面弦长线与钛合金叶片弦向之间的夹角；如果钛合金叶片为静叶片，则所述钛合金叶片扭角为θ；如果钛合金叶片为动叶片，该动叶片的不能扭角直接取θ角，否则靠近叶根处叶身进气侧抬起过高，模锻时就不易充满。本发明实施例中，当钛合金叶片为动叶片时，则所述钛合金叶片扭角为θ-θ1，θ1为3°至5°；根据热锻件图、钛合金叶片扭角，配制终锻模具。例如，终锻模具的材料为5CrNiMo钢。 

具体过程为：叶片钛合金叶片扭角的合理选择在整个叶片锻造起着至关重要的因素，对于本发明实施例的钛合金叶片，α1=61.34°，α2=15°，根据上述计算公式，θ=38.17°。当该钛合金叶片为动叶片时，考虑到由于该叶片叶根宽大，如锻造扭角过大，将带来巨大的侧向力，同时叶片扭角过大时，叶根与叶身过渡处进气侧由于抬起过高，锻造时容易造成充不满，造成锻件局部缺肉报废，同时在第一火次锻造摆料时，也带来及大的不便，模块高度尺寸也相应增加，此时将θ1取3°，则该钛合金叶片的扭角确定为35.17° 

S3：根据热锻件图，设计锻件荒型。根据设计的锻件荒型的尺寸、设计的锻件荒型的形状配制胎膜。为提高材料的利用率，且便于荒型锻造，按照设计的锻件荒型的尺寸、设计的锻件荒型的形状确定胎膜的类型以及设计制作胎膜的方案。由于锻件形状复杂，叶片叶根大，叶身宽而薄，因此在荒型锻造时，采用小规格棒料，使用胎膜墩粗的工艺。 

S4：对坯料进行锤上荒型锻造： 

将坯料置于150℃的电炉中预热10～20分钟，然后出炉，出炉后，在坯 料表面均匀喷涂防护润滑剂（例如采用防护润滑剂FR35），使用电炉对坯料进行加热，加热至第一设定温度后进行保温，其中，第一设定温度比上述坯料的相变点低50℃，第一设定温度对应的保温时间为90分钟，由于坯料（其材料为TC11钛合金）的相变点为985℃，则第一设定温度为935℃。 

对要接触坯料的工具（包括胎膜）及自由锻锤的锤砧进行预热，预热的温度均大于或等于150℃。 

然后根据设计的锻件荒型，并使用自由锻锤对坯料进行锤上荒型锻造，形成锻件荒型；本发明实施例中，采用3T自由锻锤进行荒型锻造，对应的坯料转移时间小于或等于15秒，锤上荒型锻造的锻造火次为1至3，对于其中的第一锻造火次，利用上述胎膜对坯料进行胎膜锻；每个锻造火次对应的终止锻造温度大于或等于850℃，如果在每个锻造火次中，当达到对应的终止锻造温度后坯料表面没有出现裂纹，则将坯料加热至锻造温度935℃，保温45分钟后再取出锻造。如果在锤上荒型锻造的过程中，坯料表面出现裂纹，则立即停锻，空冷冷却锻件后，进行打磨排伤。 

S5：对荒型进行锤上模锻： 

将锻件荒型至于150℃的电炉中预热10～20分钟，然后出炉，出炉后，在坯料表面均匀喷涂防护润滑剂（例如采用防护润滑剂FR35），使用电炉对坯料进行加热，加热至第二设定温度后进行保温，其中，第二设定温度比上述坯料的相变点低35℃，第二设定温度对应的保温时间为90分钟，由于坯料（其材料为TC11钛合金）的相变点为985℃，则第二设定温度为950℃。 

对终端模具进行预热，预热温度为350℃，预热时间为12小时。 

利用终锻模具对锻件荒型进行锤上模锻，本发明实施例中，锤上模锻使 用的锻造设备为8000T螺旋压力机，对应的坯料转移时间小于或等于15秒。对于第一锻造火次，选取打击能量的40%，轻击2锤，保证欠压合量不小于10mm，对应终止锻造温度大于或等于850℃，空冷冷却后切削锻件毛边，并打磨排伤。对于第二锻造火次，选取打击能量的80%，重击至叶片成型，最后进行标刻。并且，当打击速度保持在10～20mm/S时，可以同时避免钛合金表面亮线和裂纹的产生。 

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。 

Claims (6)

1.一种钛合金叶片锻造方法，包括以下步骤：S1：根据钛合金叶片的零件图和设计技术参数，确定对应的锻件加工余量；并设计对应的热锻件图；其特征在于，还包括以下步骤：

S2：根据热锻件图，并根据以下公式确定钛合金叶片扭角：

θ=（α1+α2）/2，其中，α1为钛合金叶片叶尖的型面弦长线与钛合金叶片弦向之间的夹角，α2为钛合金叶片叶根的型面弦长线与钛合金叶片弦向之间的夹角；如果钛合金叶片为静叶片，则所述钛合金叶片扭角为θ；如果钛合金叶片为动叶片，则所述钛合金叶片扭角为θ-θ1，θ1为3°至5°；

根据热锻件图、钛合金叶片扭角，配制终锻模具；

S3：根据热锻件图，设计锻件荒型；根据设计的锻件荒型的尺寸、设计的锻件荒型的形状配制胎膜；

S4：使用电炉对坯料进行加热，加热至第一设定温度后进行保温；同时对胎膜、以及自由锻锤的锤砧进行预热；然后根据设计的锻件荒型，并使用自由锻锤对坯料进行锤上荒型锻造，形成锻件荒型；所述锤上荒型锻造的锻造火次为1至3，对于其中的第一锻造火次，利用所述胎膜对坯料进行胎膜锻；

S5：使用电炉对锻件荒型进行加热，加热至第二设定温度后进行保温；同时对终锻模具进行预热；然后利用终锻模具对锻件荒型进行锤上模锻。

2.如权利要求1所述的一种钛合金叶片锻造方法，其特征在于，在步骤S4中，在使用电炉对坯料进行加热之前，将坯料置于150℃的电炉中预热10～20分钟，然后出炉，出炉后，在坯料表面均匀喷涂防护润滑剂；在步骤S5中，在使用电炉对锻件荒型进行加热之前，将锻件荒型置于150℃的电炉中预热10～20分钟，然后出炉，出炉后，在锻件荒型表面均匀喷涂防护润滑剂。

3.如权利要求1所述的一种钛合金叶片锻造方法，其特征在于，在步骤S4中，第一设定温度比所述坯料的相变点低20～60℃，第一设定温度对应的保温时间为90分钟；

在步骤S5中，第二设定温度比所述锻件荒型的相变点低10～50℃，第二设定温度对应的保温时间为90分钟。

4.如权利要求1所述的一种钛合金叶片锻造方法，其特征在于，在步骤S4中，胎膜以及自由锻锤的锤砧的预热温度均大于或等于150℃；

在步骤S5中，终锻模具的预热温度为350℃，预热时间为12小时。

5.如权利要求1所述的一种钛合金叶片锻造方法，其特征在于，在步骤S4中，锤上荒型锻造对应的终止锻造温度大于或等于850℃；在步骤S5中，锤上模锻对应的终止锻造温度大于或等于850℃。

6.如权利要求1所述的一种钛合金叶片锻造方法，其特征在于，在步骤S5中，利用终锻模具对锻件荒型进行锤上模锻，对于第一锻造火次，选取压力机打击能量的25～50%，进行轻击；对于第二锻造火次，选取压力机打击能量的75～100%，重击至叶片成型，最后进行标刻。