CN104726809B - 叶片的径向锻造式应变诱发半固态整体模锻工艺 - Google Patents
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Abstract
叶片的径向锻造式应变诱发半固态整体模锻工艺，先对用于成形飞机起落架外筒锻件的超高强度钢或钛合金材质的金属棒料进行预热并反复的“镦粗-拔长”以获得存贮畸变能的畸变态金属棒料；再利用余热对该畸变态金属棒料进行径向锻造得到具有阶梯形状的径向锻造畸变态坯料并淬火处理；随后对该径向锻造畸变态第二坯料进行二次重熔以获得固相率在40％～60％之间的叶片半固态坯料；最后对该叶片半固态坯料进行半固态整体模锻以获得叶片成形件，本发明具有工艺简单，成形力小，材料利用率高且产品力学性能好的特点。
Description
技术领域
本发明属于叶片制造技术领域，特别涉及叶片的径向锻造式应变诱发半固态整体模锻工艺。
背景技术
半固态加工是20世纪70年代美国麻省理工学院的Flemings教授提出的一种金属成形方法。所谓半固态加工，就是将金属加热到固相线和液相线之间的温度，保温一定时间，以获得球形或者近球形的晶粒，然后再对其进行成形的工艺技术，球形或者近球形的半固态浆料，具有流动性好、成形力低及成形后的零件性能好等优点，因此该工艺受到越来越多的重视。
在半固态成形过程中，如何获得具有非枝晶细小均匀近球状微观组织的半固态浆料是一个非常关键的环节，该环节直接决定了后续半固态成形的成功与否，到目前为止，虽然人们已经开发了许多制备金属半固态浆料的新工艺和新技术，如电磁搅拌法、机械搅拌法、超声振动法、应变诱发熔化激活法(SIMA)、热处理法、半固态等温转变法、喷射沉积法等，但成功商业应用的球状或粒状初晶半固态金属浆料和连铸坯料生产技术只有电磁搅拌和应变诱发熔化激活法(SIMA)，其中，应变诱发熔化激活法(SIMA)的原理是：首先要铸造出常规铸锭，再对其进行塑性变形使材料产生一定的应变，然后加热到固液两相区以得到金属半固态坯料(组织为球状)，再进行半固态成型。
半固态模锻工艺是指将一定质量的半固态坯料加热至半固态温度后，迅速转移至金属模腔，在机械静压力作用下，使处于半熔融态的金属产生粘性流动、凝固和塑性变形复合，从而获得毛坯或零件的一种金属加工方法。
在航空发动机中，叶片起着能量转换的关键作用，是发动机的“心脏”，同时也是汽轮机和燃气轮机中的关键部件，叶片的质量直接关系到武器装备的作战能力和发电机的工作效率，因此，提高叶片的设计水平和制造水平是一项重要的基础工作。
叶片的品种多、数量大、材料先进、型面复杂、内部质量和外部质量要求高，目前国内外的制造工艺主要为：(1)机加工成形，机加工的叶片精度高、性能好、耐腐蚀，但是加工成本较高，效率低下；(2)铸造成形，采用铸造的方法虽然成形效率高，但是由于铸件容易存在缩松、气孔等缺陷，导致叶片性能不稳定，产品力学性能较差，且难以实现近净成形，后续需要一定的机加工；(3)锻造成形，我国叶片锻造成形的传统工艺是普通模锻，但是普通模锻存在设计余量比较大，生产出来的叶片往往“肥头大耳”，需要经过进一步的机械加工才能获得理想的外管尺寸；(4)精密锻造，英国的Rolls-Royce公司采用叶片精密锻造工艺制造的叶片，除榫头局部进行少量机械加工外，叶面型面、榫头内缘面、叶身阻力凸台都不需要机械加工，保证了完整的锻造金属流线。这种先进叶片锻造技术不仅节省金属材料，减少机加工工时，也大大降低了叶片制造成本，但是仍然存在需要的单位面积锻造成形力大、成品效率低的问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供叶片的径向锻造式应变诱发半固态整体模锻工艺，通过该工艺可以较小的成形力制备出具有非枝晶细小均匀球状微观组织的叶片。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
叶片的径向锻造式应变诱发半固态整体模锻工艺，包括以下步骤：
1)棒料初步变形：先准备用于成形叶片的高强度钢或钛合金材质的金属棒料1；然后对金属棒料1预热并进行反复的镦粗、拔长，以获得存贮畸变能的畸变态金属棒料2；
2)棒料径向锻造：利用余热对步骤1)中得到的畸变态金属棒料2进行径向锻造并淬火以获得具有阶梯形状的径向锻造畸变态坯料3，该径向锻造畸变态坯料3的大端的径向断面收缩率为40％以上，同时该径向锻造畸变态坯料3的大端长度3-1大于等于最终的叶片成形件5的榫头最大长度5-1，该径向锻造畸变态坯料3的大端径向断面面积3-2大于等于由最终的叶片成形件5的榫头的体积除以榫头的最大长度5-1所得到的榫头等效面积，该径向锻造畸变态坯料3的小端长度3-3大于等于最终的叶片成形件5的叶扇的最大长度5-2，该径向锻造畸变态坯料3的小端径向断面的面积3-4大于等于由最终的叶片成形件5的叶扇的体积除以叶扇的最大长度5-2所得到的叶扇等效面积；
3)二次重熔：将步骤2)中得到的径向锻造畸变态坯料3放入电炉或者中频感应加热炉中进行加热及保温处理，加热温度为金属棒料1的半固态温度区间范围内，保温时间为5～30min，以获得固相分数在40％～60％之间且具有细小、均匀、球状微观组织的叶片半固态坯料4；
4)半固态整体模锻成形：将步骤3)得到的叶片半固态坯料4放入半固态模锻成形的模具型腔，采用半固态模锻工艺成形出叶片成形件5。
相对于现有技术，本发明将径向锻造式应变诱发半固态整体模锻工艺用于制备叶片具有以下优点：
1.本发明利用径向锻造的应变诱发法制备的叶片具有微观组织晶粒细小，分布均匀且不存在缩松、气孔等缺陷，产品力学性能好的特点。
2.本发明对叶片采用的半固态整体模锻成形所需的成形力小，仅为固态精密模锻所需成形力的1/4～1/10左右。
3.与传统叶片的制造工艺相比，本发明为整体成形，材料利用率高、成形件的金属流线完整、力学性能更好。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
图2是本发明中径向锻造畸变态坯料3的三维示意图。
图3是本发明中叶片成形件5的三维示意图。
图4是本发明中采用径向锻造工艺，对畸变态金属棒料2进行初步径向锻造的原理示意图，图(a)为主视图，图(b)为侧视图。
图5是本发明中采用径向锻造工艺，进行第二次径向锻造得到径向锻造畸变态坯料3的原理示意图，图(a)为主视图，图(b)为侧视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细描述。
参照图1，叶片的径向锻造式应变诱发半固态整体模锻工艺，包括以下步骤：
1)棒料初步变形：先准备用于成形叶片的钛合金材质的金属棒料1，所选金属棒料1的材质为钛合金Ti14，其半固态温度区间为990～1480℃；然后将金属棒料1加热至880～940℃进行预热且保证整个金属棒料1均匀热透，并进行反复的镦粗、拔长，以获得存贮畸变能的畸变态金属棒料2；
2)棒料径向锻造：参照图2及图3，利用余热对步骤1)中得到的畸变态金属棒料2进行径向锻造并淬火以获得具有阶梯形状的径向锻造畸变态坯料3，且径向锻造畸变态坯料3的大端的径向断面收缩率达到40％以上，同时该径向锻造畸变态坯料3的大端长度3-1大于等于最终的叶片成形件5的榫头最大长度5-1，该径向锻造畸变态坯料3的大端径向断面面积3-2应大于等于由最终的叶片成形件5的榫头的体积除以榫头的最大长度5-1所得到的榫头等效面积，该径向锻造畸变态坯料3的小端长度3-3大于等于最终的叶片成形件5的叶扇的最大长度5-2，该径向锻造畸变态坯料3的小端径向断面的面积3-4应大于等于由最终的叶片成形件5的叶扇的体积除以叶扇的最大长度5-2所得到的叶扇等效面积；
3)二次重熔：将步骤2)中得到的径向锻造畸变态坯料3放入电炉或者中频感应加热炉中进行加热及保温处理，且加热温度为金属棒料1的半固态温度区间范围内，保温时间为5～30min，以获得固相分数在40％～60％之间且具有细小、均匀、球状微观组织的叶片半固态坯料4；
4)半固态整体模锻成形：将步骤3)得到的叶片半固态坯料4放入半固态模锻成形的模具型腔，采用半固态模锻工艺成形出叶片成形件5。
本发明中利用余热对步骤1)中得到的畸变态金属棒料2进行径向锻造并淬火以获得具有阶梯形状的径向锻造畸变态坯料3的工艺为：
首先，初步径向锻造，利用径向锻机在坯料周围对称分布的四个锤头6，对畸变态金属棒料2沿径向进行高频率往复锻打，同时利用机械手带动畸变态金属棒料2边做旋转运动边做轴向进给运动，使坯料在多头螺旋式延伸变形情况下拔长变细，且当该畸变态金属棒料2的径向端面收缩率达到40％以上，且其径向断面面积大于等于由最终的叶片成形件5的榫头的体积除以榫头的最大长度5-1所得到的榫头等效面积时，完成初步径向锻造；接着，进行第二次径向锻造得到径向锻造畸变态坯料3，具体为在初步径向锻造的基础上，利用径向锻机在坯料周围对称分布的四个锤头6，对经过初步径向锻造的畸变态金属棒料2沿径向进行高频率往复锻打，同时利用机械手带动经过初步径向锻造的畸变态金属棒料2边做旋转运动边做轴向进给运动，且第二次径向锻造分为非径向锻造部分3-5和径向锻造部分3-6，其中，非径向锻造部分3-5即就是得到的径向锻造畸变态料3的大端，径向锻造部分3-6即就是得到的径向锻造畸变态坯料3的小端，此外，在进行第二次径向锻造的过程中，需要保证该径向锻造畸变态坯料3的大端长度3-1大于等于最终的叶片成形件5的榫头最大长度5-1，该径向锻造畸变态坯料3的小端长度3-3大于等于最终的叶片成形件5的叶扇的最大长度5-2，该径向锻造畸变态坯料3的小端径向断面的面积3-4应大于等于由最终的叶片成形件5的叶扇的体积除以叶扇的最大长度5-2所得到的叶扇等效面积，参照图2、图3、图4及图5所示。
Claims (1)
1.叶片的径向锻造式应变诱发半固态整体模锻工艺，其特征在于：包括以下步骤：
1)棒料初步变形：先准备用于成形叶片的高强度钢或钛合金材质的金属棒料(1)；然后对金属棒料(1)预热并进行反复的镦粗、拔长，以获得存贮畸变能的畸变态金属棒料(2)；
2)棒料径向锻造：利用余热对步骤1)中得到的畸变态金属棒料(2)进行径向锻造并淬火以获得具有阶梯形状的径向锻造畸变态坯料(3)，该径向锻造畸变态坯料(3)的大端的径向断面收缩率为40％以上，同时该径向锻造畸变态坯料(3)的大端长度(3-1)大于等于最终的叶片成形件(5)的榫头最大长度(5-1)，该径向锻造畸变态坯料(3)的大端径向断面面积(3-2)大于等于由最终的叶片成形件(5)的榫头的体积除以榫头的最大长度(5-1)所得到的榫头等效面积，该径向锻造畸变态坯料(3)的小端长度(3-3)大于等于最终的叶片成形件(5)的叶扇的最大长度(5-2)，该径向锻造畸变态坯料(3)的小端径向断面的面积(3-4)大于等于由最终的叶片成形件(5)的叶扇的体积除以叶扇的最大长度(5-2)所得到的叶扇等效面积；
3)二次重熔：将步骤2)中得到的径向锻造畸变态坯料(3)放入电炉中进行加热及保温处理，加热温度为金属棒料(1)的半固态温度区间范围内，保温时间为5～30min，以获得固相分数在40％～60％之间且具有细小、均匀、球状微观组织的叶片半固态坯料(4)；
4)半固态整体模锻成形：将步骤3)得到的叶片半固态坯料(4)放入半固态模锻成形的模具型腔，采用半固态模锻工艺成形出叶片成形件(5)。
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