CN110369669B - 一种基于不锈钢材料的航空压气机叶片的锻造工艺 - Google Patents

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    • B21K3/04Making engine or like machine parts not covered by sub-groups of B21K1/00; Making propellers or the like blades, e.g. for turbines; Upsetting of blade roots

Abstract

本发明提供了一种基于不锈钢材料的航空压气机叶片的锻造工艺,其能解决现有不锈钢航空发动机叶片锻造工艺为普通模锻工艺,需要通过机加工去除叶身型面上的机加余量,不仅加工困难,而且会破坏金属流线的连续性和成品叶片的表面完整性,降低成品叶片的力学性能的问题。其包括下料、表面清理、喷涂玻璃润滑剂、棒料加热、挤压、表面清理、预锻加热、预锻、表面清理、终锻加热、终锻、表面清理、切边、振动光饰、扭弯校正、碱洗、热处理、振动光饰、终检。

Description

一种基于不锈钢材料的航空压气机叶片的锻造工艺
技术领域
本发明涉及叶片的锻造加工领域,具体为一种基于不锈钢材料的航空压气机叶片的锻造工艺。
背景技术
现代不锈钢材料是指拥有高性能抗腐蚀性的合金材料。其材料内主要含铁、碳、稀有金属等材料,应用于条件恶劣的环境中,展现了较强的抗腐蚀性、成形性、环境相容性、高强度、高韧性等特点,在我国的军事工业、轻工业和航空航天等领域应用广泛。不锈钢材料的优点具体表现为:1)耐腐蚀性,这是不锈钢材料最为显著的性能,由于材料内部添加铬元素进行优化,其材料的抗腐蚀性能较强,能够阻隔环境氧气和材料的氧化反应,从而保护材料强度不受影响;2)材料耐热性较强,不锈钢材料的制备工艺包含了合金熔炼和精炼过程,精炼后钢胚经过锻打工艺,成型之后要进行特殊地处理;3)机械性能良好,这也是衡量不锈钢材料质量的重要指标,不锈钢材料具有较强的机械硬度和抗疲劳性能,对于冲击和应力破裂的抵抗能力较强,其材料焊接性能和加工性能适用于不同的工作环境;4)不锈钢材料的生命周期成本较低,其使用寿命较长,对于大规模的钢架工程而言,其相对投资成本较少;不锈钢材料的性价比较高,可以进行完全性回收利用,大大降低了材料成本。
压气机叶片作为航空发动机的关键零件之一,其结构复杂、精度高、加工工艺复杂、数量多,一般来说,叶片的加工工作量占整台发动机加工工作量的30%~40%。压气机叶片必须具有优良的冶金性能、精确的尺寸、优秀的表面完整性,因此压气机叶片制造技术属于制造业中极其复杂的技术之一。
目前,不锈钢航空发动机叶片的制造大多采用普通模锻工艺,锻造后的叶片锻件留有机加余量,需通过机加工去除后得到成品叶片。对于叶片锻件的叶身型面来说,由于型面复杂,通过机加去除余量不仅叶型容易变形,而且手工抛光型面也无法满足叶片设计公差要求,产品合格率和一致性较差,且机械加工型面会破坏金属流线的连续性和成品叶片的表面完整性,进而降低成品叶片的力学性能。
发明内容
针对现有不锈钢航空发动机叶片锻造工艺为普通模锻工艺,需要通过机加工去除叶身型面上的机加余量,不仅加工困难,而且会破坏金属流线的连续性和成品叶片的表面完整性,降低成品叶片的力学性能的技术问题,本发明提供了一种基于不锈钢材料的航空压气机叶片的锻造工艺,其能实现不锈钢航空发动机叶片的精密锻造成型,使叶片锻件的叶型尺寸直接达到成品尺寸,无需再机械加工,保留金属流线的连续性,提高力学性能,表面完整性和金相组织满足设计要求。
其技术方案是这样的:一种基于不锈钢材料的航空压气机叶片的锻造工艺,其特征在于,其包括以下步骤:
步骤1、下料,不锈钢棒料直径规格根据所需零件尺寸要求下料,棒料直径公差控制在±0.1mm以内,棒料重量控制在±2g以内;
步骤2、表面清理,去除棒料表面的污物及表面缺陷;
步骤3、喷涂玻璃润滑剂,采用喷涂工艺将步骤2中的棒料表面喷涂玻璃润滑剂;
步骤4、棒料加热,将步骤3中的棒料装炉进行加热,装炉时的炉温为1000℃~1150℃,保温至棒料受热均匀;
步骤5、挤压,将步骤4中的棒料快速从炉膛中取出放入挤压模具下模内并迅速打击获得挤压件,待挤压件冷却后测量其杆部尺寸和头部高度,检查表面质量无缺陷;
步骤6、表面清理,清除干净挤压件表面残留的玻璃润滑剂以及氧化皮,提高表面粗糙度;
步骤7、预锻加热,将步骤7中的挤压件装炉在保护气氛下进行加热,装炉时的炉温为1000℃~1150℃,保温至挤压件受热均匀;
步骤8、预锻,将步骤7中的挤压件快速从炉膛中取出放入预锻模具下模内并迅速打击获得预锻件,预锻时叶根变形量为10%~35%,叶身变形量为40%~70%,待预锻件冷却后测量其叶身相应位置截面的厚度尺寸,检查表面质量无缺陷;
步骤9、表面清理,清除干净预锻件表面的氧化皮,提高表面粗糙度;
步骤10、终锻加热,将步骤9中的预锻件装炉在保护气氛下进行加热,装炉时的炉温为1000℃~1150℃,保温至预锻件受热均匀;
步骤11、终锻,将步骤10中的预锻件快速从炉膛中取出放入终锻模具下模内并迅速打击获得终锻件,终锻时叶根变形量为10%~35%,叶身变形量为30%~50%,待终锻件冷却后,测量其叶身型面尺寸参数,检查表面质量无缺陷;
步骤12、表面清理,清除干净终锻件表面的氧化皮;
步骤13、切边,切边后叶身进排气边位置距成品叶片的余量为2mm~3mm,检查得到满足要求的切边后的终锻件;
步骤14、振动光饰;
步骤15、扭弯校正,在室温下使用精锻叶片校正扳手对步骤14中的终锻件的叶型弯曲、扭角和缘板尺寸进行校正,使终锻件的型面尺寸和缘板尺寸达到所需工艺要求;
步骤16、碱洗,提高终锻件表面清洁度;
步骤17、热处理,根据不同的不锈钢材料对终锻件进行一次或多次热处理,当进行多次热处理时,步骤15和步骤16设置在多次热处理之间进行;
步骤18、振动光饰;
步骤19、终检,按照终检要求,检测叶片的金相及力学性能,并逐一对叶片的表面质量、叶型形状、型面尺寸进行检查,挑选出符合成品叶片图纸要求的锻件,完成锻造加工。
其进一步特征在于:
所述步骤2、所述步骤6、所述步骤9和所述步骤12中的表面清理方法为钢砂抛丸或吹砂。
所述步骤7和所述步骤10之前还设有振动光饰的步骤。
所述步骤3中,喷涂玻璃润滑剂的工艺为:将棒料放入烘箱中,加热温度为100℃~200℃,加热时间设置为30min~90min,然后从烘箱中取出棒料,将配制好的玻璃润滑剂溶液使用喷枪均匀地喷敷在棒料表面,涂层厚度控制在0.03mm~0.05mm,检查表面涂料颜色均匀、无金属原色外漏,喷好后室温下放置1小时以上,得到玻璃润滑剂厚度和表面满足要求的棒料。
所述步骤4、所述步骤7、所述步骤10中的保温时间t按以下公式计算:t= 0.5~0.6min/mm×H+1~2min,其中,H为工件沿热传导方向的最大厚度,单位为mm。
所述步骤5中的挤压比为12~13。
所述步骤5、所述步骤8和所述步骤11中,棒料从炉膛中取出放入挤压阴模内的转移时间、挤压件从炉膛中取出放入预锻模下模内的转移时间、预锻件从炉膛中取出放入终锻模具下模内的转移时间均不得超过7秒。
所述步骤15,扭弯校正过程中使用电感量仪实时测量。
所述步骤7和所述步骤10中的保护气氛为氮气。
所述挤压模具、所述预锻模具和所述终锻模具均需要先行预热,预热温度为160℃~230℃,模具表面喷涂石墨润滑剂。
本发明的有益效果是:
1、本发明的不锈钢航空压气机叶片的锻造工艺,区别于现有普通模锻工艺,通过对挤压、预锻和终锻等主要成型工步以及终锻后的热处理、表面处理工步等的设计,实现叶片的精密锻造成型,使叶片锻件的叶型形状、叶身型面尺寸和表面质量直接达到成品叶片的图纸要求,其一,可以更好满足叶型高精度设计要求,避免传统模锻数控加工叶型变形及手工抛光型面无法满足叶片设计公差要求的困难,更好提高三维设计的高性能压气机叶片的工艺质量,提高产品合格率和一致性;其二:具有更高的材料利用率及更低的成本,仅原材料方面的成本能够降低约30%;更少的加工余量,更高的加工效率,叶片型面能够直接通过精密锻造达到零件设计图纸要求的尺寸精度和表面粗糙度,不需要再进行机械加工,不仅避免了难加工材料、薄型面叶片机械加工的困难,也能更完整地保持金属流线的连续;其三,精锻叶片具有型面表面完整性好和更好的抗疲劳性,更高的强度和承载能力,叶片振动频率偏差小,一致性好,提高了叶片的疲劳寿命,能够提供满足航空发动机对叶片性能和强度提出的高要求;
2、本发明通过严格控制预锻和精锻中叶根、叶身变形量,能够得到具有细小、均匀晶粒的优质锻件,金相组织满足设计要求,提高锻件成品的合格率;
3、本发明的预锻加热和终锻加热均在保护气氛下进行,从而无需在加热前涂覆玻璃润滑剂,避免不锈钢材料涂覆玻璃润滑剂后表面会产生麻点等缺陷,提高工件表面质量;
4、本发明所制得的不锈钢精锻叶片,经检测叶片锻件表面质量,外形完整,无裂纹、无折叠及拉伤痕等表面缺陷;经高倍组织检验,组织均匀,符合规范图谱要求;力学性能达满足使用要求。
附图说明
图1为本发明的实施例1生产的锻件的高倍组织形貌图;
图2为本发明的实施例2生产的锻件的高倍组织形貌图;
图3为本发明的实施例3生产的锻件的高倍组织形貌图。
具体实施方式
本发明的一种基于不锈钢材料的航空压气机叶片的锻造工艺,其包括以下步骤:
步骤1、下料,使用数控车床设备和优质刀具,选用优质的、经检验合格的不锈钢圆棒料,棒料直径规格根据所需零件尺寸要求下料,其直径公差控制在±0.1mm以内,下料件重量控制在±2g以内,下料件使用重量进行控制;
步骤2、表面清理,使用钢砂抛丸或吹砂,对下好的棒料进行表面清理使其表面清洁,去除在下料工序残留的切削冷却液及表面缺陷,为后道喷涂工序做表面准备;
步骤3、喷涂玻璃润滑剂,将棒料放入烘箱中,加热温度为100℃~200℃,加热时间设置为30min~90min,然后从烘箱中取出棒料,将配制好的玻璃润滑剂溶液使用喷枪均匀地喷敷在棒料表面,涂层厚度控制在0.03mm~0.05mm,检查表面涂料颜色均匀、无金属原色外漏,喷好后室温下放置1小时以上,得到玻璃润滑剂厚度和表面满足要求的棒料;
步骤4、棒料加热,将步骤3中的棒料装入转炉进行加热,装炉时的炉温为1000℃~1150℃,保温至棒料受热均匀,转炉温度精度满足行业标准3类炉,炉膛温度均匀性要求±10℃;
步骤5、挤压,使用液压机设备,挤压比在12~13,按照挤压工艺的尺寸要求调试挤压模具的错移和模具闭合高度,挤压模具调试到位后,用钳子将步骤4中的棒料快速从转炉中取出放入已装在液压机上的挤压阴模内,转移时间不得超过7秒,快速按下液压机按钮进行打击,待顶料机构将挤压件顶出后,冷却后测量挤压件的杆部尺寸和头部高度,检查表面质量,得到符合挤压设计要求的挤压件;
步骤6、表面清理,使用钢砂抛丸或吹砂,清除干净挤压件表面残留的玻璃润滑剂、石墨润滑剂、以及氧化皮,提高表面粗糙度;
步骤7、振动光饰,将挤压件放入振动光饰机中,光饰时间为2h~10h,频率设置为40Hz~50 Hz,磨料介质高度不低于光饰机容器边缘以下10cm,光饰磨料介质选择陶瓷介质,光饰结束后使用水清洗零件,去除残余在零件表面的光饰液;
步骤8、预锻加热,将步骤6中的挤压件装入转炉在氮气保护气氛下进行加热,装炉时的炉温为1000℃~1150℃,保温至挤压件受热均匀,转炉温度精度满足行业标准3类炉,炉膛温度均匀性要求±10℃;
步骤9、预锻,使用电动螺旋压力机设备,按照预锻工艺的尺寸要求调试预锻模具的错移和模具闭合高度,预锻模具调试到位后,将步骤8中的挤压件快速从转炉中取出,放在已装在电动螺旋压力机上的预锻模下模定位搭子上,转移时间不得超过7秒,快速按下电动螺旋压力机按钮进行打击获得预锻件,预锻时叶根变形量为10%~35%,叶身变形量为40%~70%,待顶料机构将预锻件顶出后,冷却后测量叶身相应位置截面的厚度尺寸,检查表面质量,得到符合预锻设计要求的预锻件;
步骤10、表面清理,使用钢砂抛丸或吹砂,清除干净预锻件表面的石墨润滑剂、氧化皮,提高表面粗糙度;
步骤11、振动光饰,将预锻件放入振动光饰机中,光饰时间为2h~10h,频率设置为40Hz~50 Hz,磨料介质高度不低于光饰机容器边缘以下10cm,光饰磨料介质选择陶瓷介质,光饰结束后使用水清洗零件,去除残余在零件表面的光饰液;
步骤12、终锻加热,将步骤11中的预锻件装入转炉在氮气保护气氛下进行加热,装炉时的炉温为1000℃~1150℃,保温至预锻件受热均匀,转炉温度精度满足行业标准3类炉,炉膛温度均匀性要求±10℃;
步骤13、终锻,使用电动螺旋压力机设备,按照终锻工艺的尺寸要求调试终锻模具的错移和模具闭合高度,终锻模具调试到位后,将步骤12中的预锻件快速从转炉中取出,放入已装在电动螺旋压力机上的终锻模下模定位凸台内,转移时间不得超过7秒,快速按下电动螺旋压力机按钮进行打击获得终锻件,终锻时叶根变形量为10%~35%,叶身变形量为30%~50%,待顶料机构将终锻件顶出并冷却后,使用三坐标测量机测量终锻件的叶身型面尺寸参数,包含型线厚度、轮廓、扭角、弯曲等特征值,检查表面质量无折叠、拉伸、裂纹、未充满等缺陷,得到符合终锻设计要求的终锻件;
步骤14、表面清理,使用钢砂抛丸或吹砂,清除干净终锻件表面的石墨润滑剂、氧化皮,提高表面粗糙度;
步骤15、切边,使用满足功率要求的激光切边机,按照终锻件切边工艺要求对终锻件进行切边操作,切边后叶身进排气边位置距成品叶片的余量为2mm~3mm,检查得到满足要求的切边后的终锻件;
步骤16、振动光饰,将终锻件放入振动光饰机中,光饰时间为2h~10h,频率设置为40Hz~50 Hz,磨料介质高度不低于光饰机容器边缘以下10cm,光饰磨料介质选择陶瓷介质,光饰结束后使用水清洗零件,去除残余在零件表面的光饰液;
步骤17、扭弯校正,精锻叶片的叶型型面和缘板面高度尺寸及公差是由精锻工艺保证的,且由于叶片是曲面薄壁件,在终锻冷却和热处理过程中很可能会发生变形,所以在电感量仪的实时测量下,采用冷校正的方式,在室温下使用精锻叶片校正扳手对步骤16中的终锻件的叶型弯曲、扭角和缘板尺寸进行校正,校正后的终锻件的叶型弯曲、扭角和缘板尺寸100%在测具上进行测量,使终锻件的型面尺寸和缘板尺寸达到所需工艺要求;
步骤18、碱洗,将终锻件按工艺要求放入配置好的碱洗槽液中,对锻件表面进行清理,提高锻件表面清洁度,用碱洗可以避免不锈钢材料表面出现麻点等缺陷,碱洗工艺为常规工艺;
步骤19、热处理,根据不同的不锈钢材料对终锻件进行一次或多次热处理,如淬火、回火、固溶、时效等,当进行多次热处理时,步骤17和步骤18设置在多次热处理之间进行,将终锻件放入热处理炉中,加热温度及加热时间按不同不锈钢材料来进行常规适当设置;注意,当进行多次热处理时,步骤17和步骤18设置在多次热处理之间进行,这是由于多次热处理后对不锈钢叶片组织进行了强化处理,叶片硬度会提高,将不利于使用工具钳对叶片尺寸的校正;
步骤20、振动光饰,将终锻件放入振动光饰机中,光饰时间为2h~10h,频率设置为40Hz~50 Hz,磨料介质高度不低于光饰机容器边缘以下10cm,光饰磨料介质选择陶瓷介质,光饰结束后使用水清洗零件,去除残余在零件表面的光饰液;;
步骤21、终检,按照终检要求,检测叶片的金相及力学性能,并逐一对叶片的表面质量、叶型形状、型面尺寸进行检查,挑选出符合成品叶片图纸要求的锻件,完成锻造加工。
上述步骤4、步骤8、步骤12中的保温时间t按以下公式计算:t=0.5~0.6min/mm×H+1~2min,其中,H为工件沿热传导方向的最大厚度,单位为mm。
对于挤压模具、预锻模具和终锻模具均需要先行预热,预热温度为160℃~230℃,模具表面需要喷涂石墨润滑剂。
锻造加工后转入机加工工序,进行铣进排气边、割叶尖及铣叶根等机加工工序,以得到最终符合客户要求的成品叶片。
本发明方法中,在扭弯校正过程中,使用电感量仪进行实时测量,能够快速和准确的测量出叶片的弯曲、扭角特征值和型面尺寸,极大的提高精锻叶片的生产制造效率。
下面以几个具体实施例详细描述本发明的锻造工艺。
实施例1
一种基于不锈钢材料的航空压气机叶片的锻造工艺,其包括以下步骤:
步骤1、下料,不锈钢材料选用5CrNiCu17-4,下料棒料直径Φ31.75±0.1mm,重量150±2g;
步骤2、表面清理,使用钢砂抛丸,GH120目的钢砂介质,时间为30min,对下料件进行表面清理使其表面清洁,去除下料件表面残留的冷却液及表面缺陷;
步骤3、喷涂玻璃润滑剂,将棒料放入烘箱中,加热温度为100℃,加热时间设置为90min,然后从烘箱中取出棒料,将配制好的玻璃润滑剂溶液使用喷枪均匀地喷敷在棒料表面,涂层厚度控制在0.03mm,检查表面涂料颜色均匀、无金属原色外漏,喷好后室温下放置1小时以上,得到玻璃润滑剂厚度和表面满足要求的棒料;
步骤4、棒料加热,将步骤3中的棒料装入转炉进行加热,装炉时的炉温为1000℃,加热时间为20 min,转炉温度精度满足行业标准3类炉,炉膛温度均匀性要求±10℃;
步骤5、挤压,使用液压机设备,挤压比在12,按照挤压工艺的尺寸要求调试挤压模具的错移和模具闭合高度,模具预热温度为160℃,模具表面喷涂石墨润滑剂,挤压模具调试到位后,用钳子将步骤4中的棒料快速从转炉中取出放入已装在液压机上的挤压阴模内,转移时间不得超过7秒,快速按下液压机按钮进行打击,待顶料机构将挤压件顶出后,冷却后测量挤压件的杆部尺寸和头部高度,检查表面质量,得到符合挤压设计要求的挤压件;
步骤6、表面清理,使用钢砂抛丸,GH120目的钢砂介质,时间为30min,清除干净挤压件表面残留的玻璃润滑剂、石墨润滑剂以及氧化皮,提高表面粗糙度;
步骤7、振动光饰,将挤压件放入振动光饰机中,光饰时间为2h,频率设置为40Hz,磨料介质高度不低于光饰机容器边缘以下10cm,光饰磨料介质选择陶瓷介质,光饰结束后使用水清洗零件,去除残余在零件表面的光饰液;
步骤8、预锻加热,将步骤6中的挤压件装入转炉在氮气保护气氛下进行加热,装炉时的炉温为1000℃,加热时间为16 min,转炉温度精度满足行业标准3类炉,炉膛温度均匀性要求±10℃;
步骤9、预锻,使用电动螺旋压力机设备,按照预锻工艺的尺寸要求调试预锻模具的错移和模具闭合高度,模具预热温度为160℃,模具表面喷涂石墨润滑剂,预锻模具调试到位后,将步骤8中的挤压件快速从转炉中取出,放在已装在电动螺旋压力机上的预锻模下模定位搭子上,转移时间不得超过7秒,快速按下电动螺旋压力机按钮进行打击获得预锻件,预锻时叶根变形量为25%,叶身变形量为47%,待顶料机构将预锻件顶出后,冷却后测量叶身相应位置截面的厚度尺寸,检查表面质量,得到符合预锻设计要求的预锻件;
步骤10、表面清理,使用钢砂抛丸,GH120目的钢砂介质,时间为30min,对预锻件进行表面清理使其表面清洁,达到去除预锻件表面的石墨润滑剂、氧化皮、提高其表面粗糙度;
步骤11、振动光饰,将预锻件放入振动光饰机中,光饰时间为2h,频率设置为40Hz,磨料介质高度不低于光饰机容器边缘以下10cm,光饰磨料介质选择陶瓷介质,光饰结束后使用水清洗零件,去除残余在零件表面的光饰液;
步骤12、终锻加热,将步骤11中的预锻件装入转炉在氮气保护气氛下进行加热,装炉时的炉温为1000℃,加热时间为12 min,转炉温度精度满足行业标准3类炉,炉膛温度均匀性要求±10℃;
步骤13、终锻,使用电动螺旋压力机设备,按照终锻工艺的尺寸要求调试终锻模具的错移和模具闭合高度,模具预热温度为160℃,模具表面喷涂石墨润滑剂,终锻模具调试到位后,将步骤12中的预锻件快速从转炉中取出,放入已装在电动螺旋压力机上的终锻模下模定位凸台内,转移时间不得超过7秒,快速按下电动螺旋压力机按钮进行打击获得终锻件,终锻时叶根变形量为25%,叶身变形量为47%,待顶料机构将终锻件顶出并冷却后,使用三坐标测量机测量终锻件的叶身型面尺寸参数,包含型线厚度、轮廓、扭角、弯曲等特征值,检查表面质量无折叠、拉伸、裂纹、未充满等缺陷,得到符合终锻设计要求的终锻件;
步骤14、表面清理,使用钢砂抛丸,GH120目的钢砂介质,时间为30min,对终锻件进行表面清理使其表面清洁,达到去除终锻件表面的石墨润滑剂、氧化皮、提高其表面粗糙度;
步骤15、切边,使用满足功率要求的激光切边机,按照终锻件切边工艺要求对终锻件进行切边操作,切边后叶身进排气边位置距成品叶片的余量为2mm,检查得到满足要求的切边后的终锻件;
步骤16、振动光饰,将终锻件放入振动光饰机中,光饰时间为2h,频率设置为40Hz,磨料介质高度不低于光饰机容器边缘以下10cm,光饰磨料介质选择陶瓷介质,光饰结束后使用水清洗零件,去除残余在零件表面的光饰液;
步骤17、固溶处理,将上述终锻件放入真空热处理炉中,升温,加热温度为1030,保温时间70 min,充氩气冷至60℃以下,然后空冷至室温;
步骤18、扭弯校正,精锻叶片的叶型型面和缘板面高度尺寸及公差是由精锻工艺保证的,且由于叶片是曲面薄壁件,在终锻冷却和热处理过程中很可能会发生变形,所以在电感量仪的实时测量下,采用冷校正的方式,在室温下使用精锻叶片校正扳手对步骤16中的终锻件的叶型弯曲、扭角和缘板尺寸进行校正,校正后的终锻件的叶型弯曲、扭角和缘板尺寸100%在测具上进行测量,使终锻件的型面尺寸和缘板尺寸达到所需工艺要求;
步骤19、碱洗,将终锻件按工艺要求放入配置好的碱洗槽液中,对锻件表面进行清理,提高锻件表面清洁度;
步骤20、时效处理,将上述终锻件放入真空热处理炉中,升温,加热温度为614,保温时间270 min,充氩气冷至60℃以下,然后空冷至室温;
步骤21、振动光饰,将终锻件放入振动光饰机中,光饰时间为2h,频率设置为40Hz,磨料介质高度不低于光饰机容器边缘以下10cm,光饰磨料介质选择陶瓷介质,光饰结束后使用水清洗零件,去除残余在零件表面的光饰液;;
步骤22、终检,检测叶片的金相及力学性能,并使用10倍放大镜对锻件进行100%检查,检查锻件表面无裂纹、折叠、划伤、磕伤、 凹坑、麻点等目视缺陷,检查锻件缘板、弯曲、扭角、轮廓、厚度等尺寸符合符合成品叶片图纸要求,完成锻造加工。
本实施例采用上述工艺步骤成功生产出5CrNiCu17-4不锈钢材料的航空发动机低压压气机二级静子叶片锻件,经100%目视检查,锻件外形完整,表面无裂纹、折叠机压伤等缺陷;从中随机抽取锻件及机械性能试棒进行金相组织以及机械性能检测,结果如下:
高倍组织形貌见图1,其高倍组织晶粒均匀,符合规范图谱要求。
力学性能见表1,明显优于设计要求。
本发明生产的不锈钢航空压气机叶片,其叶型尺寸、表面完整性、力学性能、金相组织完全满足航空发动机压气机叶片设计要求。
实施例2
一种基于不锈钢材料的航空压气机叶片的锻造工艺,其包括以下步骤:
步骤1、下料,不锈钢材料选用5CrNiCu17-4,下料棒料直径Φ31.75±0.1mm,重量150±2g;
步骤2、表面清理,使用钢砂抛丸,GH120目的钢砂介质,时间为30min,对下料件进行表面清理使其表面清洁,去除下料件表面残留的冷却液及表面缺陷;
步骤3、喷涂玻璃润滑剂,将棒料放入烘箱中,加热温度为150℃,加热时间设置为60min,然后从烘箱中取出棒料,将配制好的玻璃润滑剂溶液使用喷枪均匀地喷敷在棒料表面,涂层厚度控制在0.04mm,检查表面涂料颜色均匀、无金属原色外漏,喷好后室温下放置1小时以上,得到玻璃润滑剂厚度和表面满足要求的棒料;
步骤4、棒料加热,将步骤3中的棒料装入转炉进行加热,装炉时的炉温为1075℃,加热时间为18 min,转炉温度精度满足行业标准3类炉,炉膛温度均匀性要求±10℃;
步骤5、挤压,使用液压机设备,挤压比在12.5,按照挤压工艺的尺寸要求调试挤压模具的错移和模具闭合高度,模具预热温度为195℃,模具表面喷涂石墨润滑剂,挤压模具调试到位后,用钳子将步骤4中的棒料快速从转炉中取出放入已装在液压机上的挤压阴模内,转移时间不得超过7秒,快速按下液压机按钮进行打击,待顶料机构将挤压件顶出后,冷却后测量挤压件的杆部尺寸和头部高度,检查表面质量,得到符合挤压设计要求的挤压件;
步骤6、表面清理,使用钢砂抛丸,GH120目的钢砂介质,时间为30min,清除干净挤压件表面残留的玻璃润滑剂、石墨润滑剂以及氧化皮,提高表面粗糙度;
步骤7、振动光饰,将挤压件放入振动光饰机中,光饰时间为6h,频率设置为45Hz,磨料介质高度不低于光饰机容器边缘以下10cm,光饰磨料介质选择陶瓷介质,光饰结束后使用水清洗零件,去除残余在零件表面的光饰液;
步骤8、预锻加热,将步骤6中的挤压件装入转炉在氮气保护气氛下进行加热,装炉时的炉温为1075℃,加热时间为14min,转炉温度精度满足行业标准3类炉,炉膛温度均匀性要求±10℃;
步骤9、预锻,使用电动螺旋压力机设备,按照预锻工艺的尺寸要求调试预锻模具的错移和模具闭合高度,模具预热温度为195℃,模具表面喷涂石墨润滑剂,预锻模具调试到位后,将步骤8中的挤压件快速从转炉中取出,放在已装在电动螺旋压力机上的预锻模下模定位搭子上,转移时间不得超过7秒,快速按下电动螺旋压力机按钮进行打击获得预锻件,预锻时叶根变形量为10%,叶身变形量为40%,待顶料机构将预锻件顶出后,冷却后测量叶身相应位置截面的厚度尺寸,检查表面质量,得到符合预锻设计要求的预锻件;
步骤10、表面清理,使用钢砂抛丸,GH120目的钢砂介质,时间为30min,对预锻件进行表面清理使其表面清洁,达到去除预锻件表面的石墨润滑剂、氧化皮、提高其表面粗糙度;
步骤11、振动光饰,将预锻件放入振动光饰机中,光饰时间为6h,频率设置为45Hz,磨料介质高度不低于光饰机容器边缘以下10cm,光饰磨料介质选择陶瓷介质,光饰结束后使用水清洗零件,去除残余在零件表面的光饰液;
步骤12、终锻加热,将步骤11中的预锻件装入转炉在氮气保护气氛下进行加热,装炉时的炉温为1075℃,加热时间为10min,转炉温度精度满足行业标准3类炉,炉膛温度均匀性要求±10℃;
步骤13、终锻,使用电动螺旋压力机设备,按照终锻工艺的尺寸要求调试终锻模具的错移和模具闭合高度,模具预热温度为195℃,模具表面喷涂石墨润滑剂,终锻模具调试到位后,将步骤12中的预锻件快速从转炉中取出,放入已装在电动螺旋压力机上的终锻模下模定位凸台内,转移时间不得超过7秒,快速按下电动螺旋压力机按钮进行打击获得终锻件,终锻时叶根变形量为35%,叶身变形量为50%,待顶料机构将终锻件顶出并冷却后,使用三坐标测量机测量终锻件的叶身型面尺寸参数,包含型线厚度、轮廓、扭角、弯曲等特征值,检查表面质量无折叠、拉伸、裂纹、未充满等缺陷,得到符合终锻设计要求的终锻件;
步骤14、表面清理,使用钢砂抛丸,GH120目的钢砂介质,时间为30min,对终锻件进行表面清理使其表面清洁,达到去除终锻件表面的石墨润滑剂、氧化皮、提高其表面粗糙度;
步骤15、切边,使用满足功率要求的激光切边机,按照终锻件切边工艺要求对终锻件进行切边操作,切边后叶身进排气边位置距成品叶片的余量为2.5mm,检查得到满足要求的切边后的终锻件;
步骤16、振动光饰,将终锻件放入振动光饰机中,光饰时间为6h,频率设置为45Hz,磨料介质高度不低于光饰机容器边缘以下10cm,光饰磨料介质选择陶瓷介质,光饰结束后使用水清洗零件,去除残余在零件表面的光饰液;
步骤17、固溶处理,将上述终锻件放入真空热处理炉中,升温,加热温度为1040,保温时间65 min,充氩气冷至60℃以下,然后空冷至室温;
步骤18、扭弯校正,精锻叶片的叶型型面和缘板面高度尺寸及公差是由精锻工艺保证的,且由于叶片是曲面薄壁件,在终锻冷却和热处理过程中很可能会发生变形,所以在电感量仪的实时测量下,采用冷校正的方式,在室温下使用精锻叶片校正扳手对步骤16中的终锻件的叶型弯曲、扭角和缘板尺寸进行校正,校正后的终锻件的叶型弯曲、扭角和缘板尺寸100%在测具上进行测量,使终锻件的型面尺寸和缘板尺寸达到所需工艺要求;
步骤19、碱洗,将终锻件按工艺要求放入配置好的碱洗槽液中,对锻件表面进行清理,提高锻件表面清洁度;
步骤20、时效处理,将上述终锻件放入真空热处理炉中,升温,加热温度为624,保温时间255 min,充氩气冷至60℃以下,然后空冷至室温;
步骤21、振动光饰,将终锻件放入振动光饰机中,光饰时间为6h,频率设置为45Hz,磨料介质高度不低于光饰机容器边缘以下10cm,光饰磨料介质选择陶瓷介质,光饰结束后使用水清洗零件,去除残余在零件表面的光饰液;;
步骤22、终检,检测叶片的金相及力学性能,并使用10倍放大镜对锻件进行100%检查,检查锻件表面无裂纹、折叠、划伤、磕伤、 凹坑、麻点等目视缺陷,检查锻件缘板、弯曲、扭角、轮廓、厚度等尺寸符合符合成品叶片图纸要求,完成锻造加工。
本实施例采用上述工艺步骤成功生产出5CrNiCu17-4不锈钢材料的航空发动机低压压气机二级静子叶片锻件,经100%目视检查,锻件外形完整,表面无裂纹、折叠机压伤等缺陷;从中随机抽取锻件及机械性能试棒进行金相组织以及机械性能检测,结果如下:
高倍组织形貌见图2,其高倍组织晶粒均匀,符合规范图谱要求。
力学性能见表1,明显优于设计要求。
本发明生产的不锈钢航空压气机叶片,其叶型尺寸、表面完整性、力学性能、金相组织完全满足航空发动机压气机叶片设计要求。
实施例3
一种基于不锈钢材料的航空压气机叶片的锻造工艺,其包括以下步骤:
步骤1、下料,不锈钢材料选用5CrNiCu17-4,下料棒料直径Φ31.75±0.1mm,重量150±2g;
步骤2、表面清理,使用钢砂抛丸,GH120目的钢砂介质,时间为30min,对下料件进行表面清理使其表面清洁,去除下料件表面残留的冷却液及表面缺陷;
步骤3、喷涂玻璃润滑剂,将棒料放入烘箱中,加热温度为200℃,加热时间设置为30min,然后从烘箱中取出棒料,将配制好的玻璃润滑剂溶液使用喷枪均匀地喷敷在棒料表面,涂层厚度控制在0.05mm,检查表面涂料颜色均匀、无金属原色外漏,喷好后室温下放置1小时以上,得到玻璃润滑剂厚度和表面满足要求的棒料;
步骤4、棒料加热,将步骤3中的棒料装入转炉进行加热,装炉时的炉温为1150℃,加热时间为15 min,转炉温度精度满足行业标准3类炉,炉膛温度均匀性要求±10℃;
步骤5、挤压,使用液压机设备,挤压比在13,按照挤压工艺的尺寸要求调试挤压模具的错移和模具闭合高度,模具预热温度为230℃,模具表面喷涂石墨润滑剂,挤压模具调试到位后,用钳子将步骤4中的棒料快速从转炉中取出放入已装在液压机上的挤压阴模内,转移时间不得超过7秒,快速按下液压机按钮进行打击,待顶料机构将挤压件顶出后,冷却后测量挤压件的杆部尺寸和头部高度,检查表面质量,得到符合挤压设计要求的挤压件;
步骤6、表面清理,使用钢砂抛丸,GH120目的钢砂介质,时间为30min,清除干净挤压件表面残留的玻璃润滑剂、石墨润滑剂以及氧化皮,提高表面粗糙度;
步骤7、振动光饰,将挤压件放入振动光饰机中,光饰时间为10h,频率设置为50Hz,磨料介质高度不低于光饰机容器边缘以下10cm,光饰磨料介质选择陶瓷介质,光饰结束后使用水清洗零件,去除残余在零件表面的光饰液;
步骤8、预锻加热,将步骤6中的挤压件装入转炉在氮气保护气氛下进行加热,装炉时的炉温为1150℃,加热时间为12 min,转炉温度精度满足行业标准3类炉,炉膛温度均匀性要求±10℃;
步骤9、预锻,使用电动螺旋压力机设备,按照预锻工艺的尺寸要求调试预锻模具的错移和模具闭合高度,模具预热温度为230℃,模具表面喷涂石墨润滑剂,预锻模具调试到位后,将步骤8中的挤压件快速从转炉中取出,放在已装在电动螺旋压力机上的预锻模下模定位搭子上,转移时间不得超过7秒,快速按下电动螺旋压力机按钮进行打击获得预锻件,预锻时叶根变形量为35%,叶身变形量为70%,待顶料机构将预锻件顶出后,冷却后测量叶身相应位置截面的厚度尺寸,检查表面质量,得到符合预锻设计要求的预锻件;
步骤10、表面清理,使用钢砂抛丸,GH120目的钢砂介质,时间为30min,对预锻件进行表面清理使其表面清洁,达到去除预锻件表面的石墨润滑剂、氧化皮、提高其表面粗糙度;
步骤11、振动光饰,将预锻件放入振动光饰机中,光饰时间为10h,频率设置为50Hz,磨料介质高度不低于光饰机容器边缘以下10cm,光饰磨料介质选择陶瓷介质,光饰结束后使用水清洗零件,去除残余在零件表面的光饰液;
步骤12、终锻加热,将步骤11中的预锻件装入转炉在氮气保护气氛下进行加热,装炉时的炉温为1150℃,加热时间为8min,转炉温度精度满足行业标准3类炉,炉膛温度均匀性要求±10℃;
步骤13、终锻,使用电动螺旋压力机设备,按照终锻工艺的尺寸要求调试终锻模具的错移和模具闭合高度,模具预热温度为230℃,模具表面喷涂石墨润滑剂,终锻模具调试到位后,将步骤12中的预锻件快速从转炉中取出,放入已装在电动螺旋压力机上的终锻模下模定位凸台内,转移时间不得超过7秒,快速按下电动螺旋压力机按钮进行打击获得终锻件,终锻时叶根变形量为10%,叶身变形量为30%,待顶料机构将终锻件顶出并冷却后,使用三坐标测量机测量终锻件的叶身型面尺寸参数,包含型线厚度、轮廓、扭角、弯曲等特征值,检查表面质量无折叠、拉伸、裂纹、未充满等缺陷,得到符合终锻设计要求的终锻件;
步骤14、表面清理,使用钢砂抛丸,GH120目的钢砂介质,时间为30min,对终锻件进行表面清理使其表面清洁,达到去除终锻件表面的石墨润滑剂、氧化皮、提高其表面粗糙度;
步骤15、切边,使用满足功率要求的激光切边机,按照终锻件切边工艺要求对终锻件进行切边操作,切边后叶身进排气边位置距成品叶片的余量为3mm,检查得到满足要求的切边后的终锻件;
步骤16、振动光饰,将终锻件放入振动光饰机中,光饰时间为10h,频率设置为50Hz,磨料介质高度不低于光饰机容器边缘以下10cm,光饰磨料介质选择陶瓷介质,光饰结束后使用水清洗零件,去除残余在零件表面的光饰液;
步骤17、固溶处理,将上述终锻件放入真空热处理炉中,升温,加热温度为1050,保温时间60 min,充氩气冷至60℃以下,然后空冷至室温;
步骤18、扭弯校正,精锻叶片的叶型型面和缘板面高度尺寸及公差是由精锻工艺保证的,且由于叶片是曲面薄壁件,在终锻冷却和热处理过程中很可能会发生变形,所以在电感量仪的实时测量下,采用冷校正的方式,在室温下使用精锻叶片校正扳手对步骤16中的终锻件的叶型弯曲、扭角和缘板尺寸进行校正,校正后的终锻件的叶型弯曲、扭角和缘板尺寸100%在测具上进行测量,使终锻件的型面尺寸和缘板尺寸达到所需工艺要求;
步骤19、碱洗,将终锻件按工艺要求放入配置好的碱洗槽液中,对锻件表面进行清理,提高锻件表面清洁度;
步骤20、时效处理,将上述终锻件放入真空热处理炉中,升温,加热温度为634,保温时间240 min,充氩气冷至60℃以下,然后空冷至室温;
步骤21、振动光饰,将终锻件放入振动光饰机中,光饰时间为10h,频率设置为50Hz,磨料介质高度不低于光饰机容器边缘以下10cm,光饰磨料介质选择陶瓷介质,光饰结束后使用水清洗零件,去除残余在零件表面的光饰液;;
步骤22、终检,检测叶片的金相及力学性能,并使用10倍放大镜对锻件进行100%检查,检查锻件表面无裂纹、折叠、划伤、磕伤、 凹坑、麻点等目视缺陷,检查锻件缘板、弯曲、扭角、轮廓、厚度等尺寸符合符合成品叶片图纸要求,完成锻造加工。
本实施例采用上述工艺步骤成功生产出5CrNiCu17-4不锈钢材料的航空发动机低压压气机二级静子叶片锻件,经100%目视检查,锻件外形完整,表面无裂纹、折叠机压伤等缺陷;从中随机抽取锻件及机械性能试棒进行金相组织以及机械性能检测,结果如下:
高倍组织形貌见图3,其高倍组织晶粒均匀,符合规范图谱要求。
力学性能见表1,明显优于设计要求。
本发明生产的不锈钢航空压气机叶片,其叶型尺寸、表面完整性、力学性能、金相组织完全满足航空发动机压气机叶片设计要求。
表1 本发明3个实施例制得的叶片的力学性能

Claims (7)

1.一种基于不锈钢材料的航空压气机叶片的锻造工艺,其特征在于:其包括以下步骤:
步骤1、下料,不锈钢棒料直径规格根据所需零件尺寸要求下料,棒料直径公差控制在±0.1mm以内,棒料重量公差控制在±2g以内;
步骤2、表面清理,去除棒料表面的污物及表面缺陷;
步骤3、喷涂玻璃润滑剂,采用喷涂工艺将步骤2中的棒料表面喷涂玻璃润滑剂;
步骤4、棒料加热,将步骤3中的棒料装炉进行加热,装炉时的炉温为1000℃~1150℃,保温至棒料受热均匀;
步骤5、挤压,将步骤4中的棒料在7秒内从炉膛中取出放入挤压模具下模内并迅速打击获得挤压件,待挤压件冷却后测量其杆部尺寸和头部高度,检查表面质量无缺陷;
步骤6、表面清理,清除干净挤压件表面残留的玻璃润滑剂以及氧化皮,提高表面粗糙度;
步骤7、预锻加热,将步骤6中的挤压件装炉在保护气氛下进行加热,装炉时的炉温为1000℃~1150℃,保温至挤压件受热均匀;
步骤8、预锻,将步骤7中的挤压件在7秒内从炉膛中取出放入预锻模具下模内并迅速打击获得预锻件,预锻时叶根变形量为10%~35%,叶身变形量为40%~70%,待预锻件冷却后测量其叶身相应位置截面的厚度尺寸,检查表面质量无缺陷;
步骤9、表面清理,清除干净预锻件表面的氧化皮,提高表面粗糙度;
步骤10、终锻加热,将步骤9中的预锻件装炉在保护气氛下进行加热,装炉时的炉温为1000℃~1150℃,保温至预锻件受热均匀;
步骤11、终锻,将步骤10中的预锻件在7秒内从炉膛中取出放入终锻模具下模内并迅速打击获得终锻件,终锻时叶根变形量为10%~35%,叶身变形量为30%~50%,待终锻件冷却后,测量其叶身型面尺寸参数,检查表面质量无缺陷;
步骤12、表面清理,清除干净终锻件表面的氧化皮;
步骤13、切边,切边后叶身进排气边位置距成品叶片的余量为2mm~3mm,检查得到满足要求的切边后的终锻件;
步骤14、振动光饰;
步骤15、扭弯校正,在室温下使用精锻叶片校正扳手对步骤14中的终锻件的叶型弯曲、扭角和缘板尺寸进行校正,使终锻件的型面尺寸和缘板尺寸达到所需工艺要求;
步骤16、碱洗,提高终锻件表面清洁度;
步骤17、热处理,根据不同的不锈钢材料对终锻件进行一次或多次热处理,当进行多次热处理时,步骤15和步骤16设置在多次热处理之间进行;
步骤18、振动光饰;
步骤19、终检,按照终检要求,检测叶片的金相及力学性能,并逐一对叶片的表面质量、叶型形状、型面尺寸进行检查,挑选出符合成品叶片图纸要求的锻件,完成锻造加工;
所述步骤3中,喷涂玻璃润滑剂的工艺为:将棒料放入烘箱中,加热温度为100℃~200℃,加热时间设置为30min~90min,然后从烘箱中取出棒料,将配制好的玻璃润滑剂溶液使用喷枪均匀地喷敷在棒料表面,涂层厚度控制在0.03mm~0.05mm,检查表面涂料颜色均匀、无金属原色外漏,喷好后室温下放置1小时以上,得到玻璃润滑剂厚度和表面满足要求的棒料;
所述步骤4、所述步骤7、所述步骤10中的保温时间t按以下公式计算:t= 0.5~0.6min/mm×H+1~2min,其中,H为工件沿热传导方向的最大厚度,单位为mm。
2.根据权利要求1所述的一种基于不锈钢材料的航空压气机叶片的锻造工艺,其特征在于:所述步骤2、所述步骤6、所述步骤9和所述步骤12中的表面清理方法为钢砂抛丸或吹砂。
3.根据权利要求1所述的一种基于不锈钢材料的航空压气机叶片的锻造工艺,其特征在于:所述步骤7和所述步骤10之前还设有振动光饰的步骤。
4.根据权利要求1所述的一种基于不锈钢材料的航空压气机叶片的锻造工艺,其特征在于:所述步骤5中的挤压比为12~13。
5.根据权利要求1所述的一种基于不锈钢材料的航空压气机叶片的锻造工艺,其特征在于:所述步骤15,扭弯校正过程中使用电感量仪实时测量。
6.根据权利要求1所述的一种基于不锈钢材料的航空压气机叶片的锻造工艺,其特征在于:所述步骤7和所述步骤10中的保护气氛为氮气。
7.根据权利要求1或6所述的一种基于不锈钢材料的航空压气机叶片的锻造工艺,其特征在于:所述挤压模具、所述预锻模具和所述终锻模具均需要先行预热,预热温度为160℃~230℃,模具表面喷涂石墨润滑剂。
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