CN109226750A - 用于带阻尼凸台的粉末钛合金叶片预制坯的快速成形方法 - Google Patents

用于带阻尼凸台的粉末钛合金叶片预制坯的快速成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种用于带阻尼凸台的粉末钛合金叶片预制坯的快速成形方法，该方法的步骤包括粉末锭坯制作、粉末快速成型模具设计及锻造工艺，该方法的特点是将粉末装入包套内直接旋转挤压成型，能够得到组织致密，晶粒均匀、细小的粉末钛合金构件，简化了工艺流程，缩短了研制周期，降低构件制造成本。

Description

用于带阻尼凸台的粉末钛合金叶片预制坯的快速成形方法
技术领域
本发明是一种用于带阻尼凸台的粉末钛合金叶片预制坯的快速成形方法，属于热加工技术领域，涉及粉末钛合金构件制备工艺的改进。
背景技术
粉末钛合金是为了解决铸锻合金高合金化造成的凝固偏析和变形困难而发展起来的材料。高合金化粉末钛合金具有耐高温、高强韧性和低裂纹扩展速率等综合性能优异的优点，可以用来制造高性能、高可靠性、长寿命先进航空发动机用叶片、盘件等耐高温部件。但是，高合金化粉末钛合金一般对温度及其敏感，加工窗口窄，属于难变形合金，导致在工艺执行和组织控制过程中存在一定的困难。粉末钛合金构件主要采用粉末热等静压+锻造的工艺方法制备，其工艺特点是工艺复杂，制备周期长，成本高。
钛合金叶片通常是带有榫头、叶身薄且扭角大、甚至带阻尼凸台特征的复杂形状构件，仅通过模锻工序难以实现叶片锻件的成形，因此锻造叶片通常采用预成形制坯+模锻技术制备。目前叶片预成形制坯多采用挤压+镦粗、自由锻或平锻技术，由于叶片预制坯形状复杂，现有制坯技术存在工序繁杂、制坯效率低、尺寸精度控制差、组织均匀性差和稳定性差等问题，制约着叶片锻件制备的整体性能和成本。
发明内容
本发明正是针对上述现有国内现有技术中存在的不足而设计提供了一种用于粉末钛合金叶片预制坯的快速成形方法，其目的是提高粉末钛合金叶片预制坯的生产效率。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种用于带阻尼凸台的粉末钛合金叶片预制坯的快速成形方法，其特征在于：该方法的步骤是：
步骤一、钛合金粉末锭坯制备
根据构件尺寸制作圆柱形不锈钢包套，将钛合金粉末填装在包套中，对包套内部抽真空后封焊，得到圆柱状的粉末锭坯；
步骤二、制备成形模具
该成形模具由上模1、上外筒2、下外筒4和下模5构成成形模具型腔，其中，上模1、下模5分别固定在压机的上、下工作台上，可以沿轴向上下作动，上外筒2、下外筒4同样分别固定在压机的上、下工作台上，可以绕轴向作圆周旋转运动，以及垂直于轴向作径向进给运动，上模1能够在上外筒2的内腔中上下滑动，下模5能够在下外筒4的内腔中上下滑动；
步骤三、加热钛合金粉末锭坯
将钛合金粉末锭坯加热到800～1000℃，进行保温，保温时间按以下公式计算：
T保温时间＝D粉末锭坯截面直径×1.7min/mm 公式1
式中：D粉末锭坯截面直径是指钛合金粉末锭坯的直径；
步骤四、粉末直接旋转挤压成形
将保温后的钛合金粉末锭坯放入模具型腔内快速成形，钛合金粉末锭坯的转移时间控制在1min以内，上外筒2和下外筒4同步旋转、进给运动，旋转速度为10rad/min～20rad/min，进给速度为10mm/s～20mm/s，在旋转和进给过程中，钛合金粉末锭坯在模具型腔内向四周扩展变形，随着钛合金叶片预制坯的阻尼台部分充满模具型腔，此时，上外筒2和下外筒4停止运动，安装在压机上、下工作台上的上模1和下模5同时分别沿轴向向下和向上运动，直至接触到粉末锭坯，且压力达到300MPa～500MPa，上模1和下模5停止运动，并保压5～60s，然后出模得到粉末锻坯，置于空气中自然冷却；
步骤五、包套去除
粉末锻坯冷却后，吹砂，并采用机械加工的方法去除包套，得到粉末钛合金叶片预制坯。
进一步，制作圆柱形不锈钢包套的材料为不锈钢，牌号为304。
进一步，制备成形模具的钢材料牌号为H13。
本发明技术方案具有的特点和有益效果是：
(1)针对传统钛合金叶片预制坯成形工艺存在锻件制备周期长、制造成本高的技术现状，用粉末直接旋转挤压成形的方法替代原有的粉末热等静压+锻造的方式，缩短了研制周期，降低构件制造成本。
(2)利用粉末良好的流动性，将粉末装入预先设计好的包套内直接锻造成型锻坯，减少了锻坯加工余量，提高了锻件材料利用率。
(3)将粉末材料加热到再结晶温度以上，在锻造模具内，在较快变形速度和较高应力状态力下，使粉末颗粒产生剧烈塑性变形，相比于热等静压(一般为10％)，变形量大幅度提高至50～60％，促使再结晶发生，从而制备出组织致密且具有细小再结晶晶粒的粉末钛合金构件。
附图说明
图1为本发明技术方案中钛合金粉末锭坯的结构示意图
图2为本发明技术方案的模具与锭坯的装配图
图3为本发明技术方案粉末钛合金叶片预制坯的结构图
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
实施例1
该种用于粉末钛合金叶片预制坯的快速成形方法，其特征在于：该方法的步骤是：
步骤一、钛合金粉末锭坯制备
根据构件尺寸制作圆柱形不锈钢包套，不锈钢材料的牌号为304，将钛合金粉末填装在包套中，对包套内部抽真空后封焊，得到粉末锭坯，如图1所示，该粉末锭坯为圆柱状；
步骤二、制备成形模具
采用牌号为H13的钢材料制备成形模具，该成形模具由上模1、上外筒2、下外筒4和下模5构成成形模具型腔，其中，上模1和下模5分别固定在压机的上、下工作台上，可以沿轴向作上下移动，上外筒2和下外筒4同样分别固定在压机的上、下工作台上，可以绕轴向作圆周旋转运动，以及垂直于轴向作径向进给运动，上模1能够在上外筒2的内腔中上下滑动，下模5能够在下外筒4的内腔中上下滑动；
步骤三、加热钛合金粉末锭坯
将钛合金粉末锭坯加热到900℃，进行保温，保温时间按以下公式计算：
T保温时间＝L粉末锭坯截面宽度×1.7min/mm 公式1
式中：L粉末锭坯截面宽度是指钛合金粉末锭坯的外环直径与内环直径的差；
步骤四、粉末直接旋转挤压成形
将保温后的钛合金粉末锭坯放入模具型腔内快速成形，钛合金粉末锭坯的转移时间控制在1min以内，上外筒2和下外筒4同步旋转、进给运动，上外筒2和下外筒4的旋转速度为10rad/min，进给速度为10mm/s，在旋转和进给过程中，钛合金粉末锭坯在模具型腔内向四周扩展变形，随着钛合金叶片预制坯的阻尼台部分充满上外筒2和下外筒4，此时，上外筒2和下外筒4停止运动，安装在压机上、下工作台上的上模1和下模5同时分别沿轴向向下和向上运动，直至接触到钛合金叶片预制坯，且压力达到300MPa，上模1和下模5停止运动，并保压5～60s，然后将钛合金粉末锭坯出模，置于空气中自然冷却；
步骤五、包套去除
钛合金粉末锭坯冷却后，吹砂，并采用机械加工的方法去除包套，得到粉末钛合金叶片预制坯。
实施例2
该种用于粉末钛合金叶片预制坯的快速成形方法，其特征在于：该方法的步骤是：
步骤一、钛合金粉末锭坯制备
根据构件尺寸制作圆柱形不锈钢包套，不锈钢材料的牌号为304，将钛合金粉末填装在包套中，对包套内部抽真空后封焊，得到粉末锭坯，如图1所示，该粉末锭坯为圆柱状；
步骤二、制备成形模具
采用牌号为H13的钢材料制备成形模具，该成形模具由上模1、上外筒2、下外筒4和下模5构成成形模具型腔，其中，上模1和下模5分别固定在压机的上、下工作台上，可以沿轴向作上下移动，上外筒2和下外筒4同样分别固定在压机的上、下工作台上，可以绕轴向作圆周旋转运动，以及垂直于轴向作径向进给运动，上外筒2的内径表面与上模1的外径表面之间的间隙为5mm，上模1能够在上外筒2的内腔中上下滑动，下外筒4的内径表面与下模5的外径表面之间的间隙为5mm，下模5能够在下外筒4的内腔中上下滑动；
步骤三、加热钛合金粉末锭坯
将钛合金粉末锭坯加热到1000℃，进行保温，保温时间按以下公式计算：
T保温时间＝L粉末锭坯截面宽度×1.7min/mm 公式1
式中：L粉末锭坯截面宽度是指钛合金粉末锭坯的外环直径与内环直径的差；
步骤四、粉末直接旋转挤压成形
将保温后的钛合金粉末锭坯放入模具型腔内快速成形，钛合金粉末锭坯的转移时间控制在1min以内，上外筒2和下外筒4同步旋转、进给运动，上外筒2和下外筒4的旋转速度为20rad/min，进给速度为20mm/s，在旋转和进给过程中，钛合金粉末锭坯在模具型腔内向四周扩展变形，随着钛合金叶片预制坯的阻尼台部分充满上外筒2和下外筒4，此时，上外筒2和下外筒4停止运动，安装在压机上、下工作台上的上模1和下模5同时分别沿轴向向下和向上运动，直至接触到钛合金叶片预制坯，且压力达到500MPa，上模1和下模5停止运动，并保压5～60s，然后将钛合金粉末锭坯出模，置于空气中自然冷却；
步骤五、包套去除钛合金粉末锭坯冷却后，吹砂，并采用机械加工的方法去除包套，得到粉末钛合金叶片预制坯。

Claims (3)

1.一种用于带阻尼凸台的粉末钛合金叶片预制坯的快速成形方法，其特征在于：该方法的步骤是：
步骤一、钛合金粉末锭坯制备
根据构件尺寸制作圆柱形不锈钢包套，将钛合金粉末填装在包套中，对包套内部抽真空后封焊，得到圆柱状的粉末锭坯；
步骤二、制备成形模具
该成形模具由上模(1)、上外筒(2)、下外筒(4)和下模(5)构成成形模具型腔，其中，上模(1)、下模(5)分别固定在压机的上、下工作台上，可以沿轴向上下作动，上外筒(2)、下外筒(4)同样分别固定在压机的上、下工作台上，可以绕轴向作圆周旋转运动，以及垂直于轴向作径向进给运动，上模(1)能够在上外筒(2)的内腔中上下滑动，下模(5)能够在下外筒(4)的内腔中上下滑动；
步骤三、加热钛合金粉末锭坯
将钛合金粉末锭坯加热到800～1000℃，进行保温，保温时间按以下公式计算：
T保温时间＝D粉末锭坯截面直径×1.7min/mm 公式1
式中：D粉末锭坯截面直径是指钛合金粉末锭坯的直径；
步骤四、粉末直接旋转挤压成形
将保温后的钛合金粉末锭坯放入模具型腔内快速成形，钛合金粉末锭坯的转移时间控制在1min以内，上外筒(2)和下外筒(4)同步旋转、进给运动，旋转速度为10rad/min～20rad/min，进给速度为10mm/s～20mm/s，在旋转和进给过程中，钛合金粉末锭坯在模具型腔内向四周扩展变形，随着钛合金叶片预制坯的阻尼台部分充满模具型腔，此时，上外筒(2)和下外筒(4)停止运动，安装在压机上、下工作台上的上模(1)和下模(5)同时分别沿轴向向下和向上运动，直至接触到粉末锭坯，且压力达到300MPa～500MPa，上模(1)和下模(5)停止运动，并保压5～60s，然后出模得到粉末锻坯，置于空气中自然冷却；
步骤五、包套去除
粉末锻坯冷却后，吹砂，并采用机械加工的方法去除包套，得到粉末钛合金叶片预制坯。
2.根据权利要求1所述的用于带阻尼凸台的粉末钛合金叶片预制坯的快速成形方法，其特征在于：制作圆柱形不锈钢包套的材料为不锈钢，牌号为304。
3.根据权利要求1所述的用于带阻尼凸台的粉末钛合金叶片预制坯的快速成形方法，其特征在于：制备成形模具的钢材料牌号为H13。
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