CN111175127A - 一种基于零件变形程度控制的tc4合金机匣锻件验收方法 - Google Patents

一种基于零件变形程度控制的tc4合金机匣锻件验收方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种以实现零件残余应力变形程度控制为目的TC4钛合金机匣专用验收方法及标准，该方法通过改变现有钛合金机匣通用的环件标准固定在中心部位取样的规定，根据钛合金机匣锻件形状特点，在不同的典型位置处切取试样进行组织性能检测，保证不同位置冶金质量达标的同时满足均匀性评价及其检测取样的要求；同时改变现有钛合金机匣通用的环件标准中力学性能指标为单边控制限、组织区间跨度大的规定，针对机匣锻件的力学性能和高低倍组织提出更为严格的区间要求及均匀性技术指标，从而建立起TC4合金机匣锻件专用的冶金质量验收标准。该方法能够提升航空发动机用机匣锻件的冶金质量及相关零件的制造技术水平。

Description

一种基于零件变形程度控制的TC4合金机匣锻件验收方法
技术领域
本发明属于锻件制造技术领域，特别提供一种基于零件变形程度控制的TC4合金机匣锻件验收方法及验收标准。
背景技术
航空发动机用钛合金机匣毛坯一般为环形锻件，其冶金质量验收要求为钛合金环形锻件通用技术指标。相对于一般环形结构件，机匣类零件具有型面复杂、薄壁、易变形等特点，按照通用技术指标制造的机匣锻件其组织、力学性能均匀性程度低，不同批次间冶金质量水平波动较大，加工过程中时常暴露出由于残余应力释放不当引发零件尺寸变形过大导致报废的问题，严重时可能影响到航空发动机的稳定、可靠服役。以TC4合金进气机匣为典型件，其冶金质量验收执行TC4合金环形锻件标准，主要技术指标如表1及图1、2所示。其中力学性能指标均为单边控制限，高低倍组织要求的区间跨度很大，而且取样数量及位置单一，缺少均匀性控制的相关技术指标要求。
表1 TC4合金环形锻件标准
Figure BDA0002291069180000011
按照表1所示的环形锻件验收标准制造的TC4机匣锻件的冶金质量水平统计如表2所示。可以看出，机匣锻件的硬度、强度及组织水平波动区间均较大，缺乏对于锻件不同部位的组织监控，冶金质量均匀性及稳定性均较低，往往导致锻件残余内应力水平较高且分布不均匀，进一步引起零件加工过程中变形过大乃至超差，零件质量水平不稳定。
表2 TC4机匣锻件的冶金质量水平统计
Figure BDA0002291069180000021
发明内容
本发明提供了一种以实现零件残余应力变形程度控制为目的典型TC4钛合金机匣专用验收方法及标准，该方法能够提升航空发动机用机匣锻件的冶金质量及相关零件的制造技术水平，并填补国内在钛合金机匣类锻件验收标准方面的空白。
本发明技术方案如下：
一种基于零件变形程度控制的TC4合金机匣锻件验收方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)、制定进气机匣锻件取样方案，改变现有钛合金机匣通用的环件标准固定在中心部位取样的规定，根据钛合金机匣锻件形状特点，在不同的典型位置处切取试样进行组织性能检测，保证不同位置冶金质量达标的同时满足均匀性评价及其检测取样的要求：
机匣的室温拉伸、高温拉伸、高温持久力学性能试样取样方案为：取自锻件横截面沿高度方向的小端、中部、大端3个典型区域，每个区域沿锻件弦向切取各2个试样进行检验，即每个检测项目各取6个试样；
机匣的高倍组织、硬度试样取样方案为：锻件横截面的小端端面靠内径、靠外径、距离小端端面1/4高度处、中部、距离大端端面1/4高度处、大端端面靠内径、大端端面靠外径各1个，即高倍组织、硬度各7个试样；检测面为径轴面；
机匣的低倍组织取自环形锻件沿直径的两端各1个，检测面为径轴向的两个横截面；
(2)、对所取试样进行组织性能检测；
(3)、按照组织性能均匀性控制要求建立TC4合金机匣锻件专用技术标准并进行锻件的冶金质量判定与验收。改变现有钛合金机匣通用的环件标准中力学性能指标为单边控制限、组织区间跨度大的规定，针对机匣锻件的力学性能和高低倍组织提出更为严格的区间要求及均匀性技术指标，主要包括：1)拉伸强度、硬度、高低倍组织等检测项目技术指标要求的双边控制限；2)拉伸强度、硬度、高倍组织检测结果的波动性差值控制要求，具体为：
a)机匣锻件不同部位的室温拉伸性能技术指标要求：
室温拉伸性能：抗拉强度σb＝895MPa～995MPa，屈服强度σ0.2≥825MPa，断后伸长率δ5≥10％，断面收缩率ψ≥20％；锻件不同部位的强度差值Δσb≤50MPa；
400℃拉伸性能：抗拉强度σb≥615MPa，断后伸长率δ5≥12％，断面收缩率ψ≥40％；锻件不同部位的强度差值Δσb≤50MPa；
b)机匣锻件不同部位的硬度技术指标要求：
布氏硬度HB(d)＝3.30mm～3.60mm；锻件不同部位的硬度差值ΔHB(d)≤0.2mm；
c)机匣锻件不同部位的持久性能技术指标要求：
400℃、570MPa试验条件下，持久试样断裂的持续时间τ≥100h；
d)机匣锻件的低倍组织技术指标要求：
不允许存在裂纹、缩孔、气孔、夹杂、偏析及其他冶金缺陷；低倍组织不允许存在目视可见的清晰晶粒，并应符合GJB 2220-1994中图1所示1～4级图片要求；
e)机匣锻件不同部位的高倍组织技术指标要求：
高倍组织应符合GJB 2220-1994中图3所示1～4级图片要求；锻件不同部位的高倍组织级差不超过2级。
本发明针对钛合金机匣类锻件机械加工过程中残余应力较大且不均匀导致零件尺寸变形大的问题，在钛合金机匣锻件采用的现有钛合金环形锻件通用验收标准的基础上，通过建立起TC4合金机匣锻件专用的冶金质量验收指标，获得组织、力学性能及残余应力分布均匀的锻件，满足零件加工过程中尺寸精度及变形程度要求。该方法已成功应用于航空发动机进气机匣，相应机匣经加工应用验证，变形程度显著降低，满足零件图纸及使用要求。该方法可以推广应用到其它TC4钛合金机匣锻件。
附图说明
图1现有TC4合金锻件低倍组织验收合格图片。
图2现有TC4合金锻件高倍组织验收合格图片。
图3钛合金进气机匣锻件取样位置要求示意图(其中①～⑦表示高倍及硬度取样位置，1#至3#区域为拉伸、持久取样位置)。
图4按照两种环件验收标准制造的锻件残余应力对比图。
具体实施方式
以TC4合金进气机匣锻件验收为例具体说明本发明的实施过程：
(1)、制定进气机匣锻件取样方案(取样位置示意如图3所示，各位置的检测项目如表3所示)：
①机匣的室温拉伸、高温拉伸、高温持久力学性能试样取样方案为：取自锻件横截面沿高度方向的小端、中部、大端3个典型区域，每个区域沿锻件弦向切取各2个试样进行检验，即每个检测项目各取6个试样；
②机匣的高倍组织、硬度试样取样方案为：锻件横截面的小端端面靠内径、靠外径、距离小端端面1/4高度处、中部、距离大端端面1/4高度处、大端端面靠内径、大端端面靠外径各1个，即高倍组织、硬度各7个试样；检测面为径轴面；
③机匣的低倍组织取自环形锻件沿直径的两端各1个，检测面为径轴向的两个横截面；
(2)、按照图3切取试样进行组织性能检测；
(3)、按照组织性能均匀性控制要求建立TC4合金进气机匣锻件专用技术标准并进行锻件的冶金质量判定与验收，如表4所示。
表3 各位置的检测项目
试验项目 取样部位 方向 数量
室温拉伸 1#～3#区域 弦向 每处各2个共6个
高温拉伸 1#～3#区域 弦向 每处各2个共6个
高温持久 1#～3#区域 弦向 每处各2个共6个
低倍组织 两端 径轴 对称各1个
高倍组织 ①～⑦位置 径轴面 7个
硬度 ①～⑦位置 径轴面 7个
表4 TC4合金进气机匣锻件专用技术标准
Figure BDA0002291069180000061
本发明基于零件变形程度控制的钛合金机匣锻件专用验收方法及指标要求，能够保证同一锻件不同位置的组织性能水平均匀性及不同批次锻件的冶金质量稳定性，降低零件加工及使用过程的变形程度，提高航空发动机机匣零件的制造技术水平。以TC4进气机匣为典型件，按照本发明建立的钛合金机匣锻件专用验收方法及指标制造的锻件组织性能如表5所示，与按原有环件验收标准制造的锻件残余应力对比如图4所示，相应零件的变形程度对比如表6所示，可以看出，前者的残余应力及变形程度均相对有所降低，满足零件图纸及使用要求。
表5 锻件组织性能
Figure BDA0002291069180000071
表6 零件变形程度对比
Figure BDA0002291069180000072
本发明未尽事宜为公知技术。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于零件变形程度控制的TC4合金机匣锻件验收标准，其特征在于，具体标准如下：
a)机匣锻件不同部位的室温拉伸性能技术指标要求：
室温拉伸性能：抗拉强度σb＝895MPa～995MPa，屈服强度σ0.2≥825MPa，断后伸长率δ5≥10％，断面收缩率ψ≥20％；锻件不同部位的强度差值Δσb≤50MPa；
400℃拉伸性能：抗拉强度σb≥615MPa，断后伸长率δ5≥12％，断面收缩率ψ≥40％；锻件不同部位的强度差值Δσb≤50MPa；
b)机匣锻件不同部位的硬度技术指标要求：
布氏硬度HB(d)＝3.30mm～3.60mm；锻件不同部位的硬度差值ΔHB(d)≤0.2mm；
c)机匣锻件不同部位的持久性能技术指标要求：
400℃、570MPa试验条件下，持久试样断裂的持续时间τ≥100h；
d)机匣锻件的低倍组织技术指标要求：
不允许存在裂纹、缩孔、气孔、夹杂、偏析及其他冶金缺陷；低倍组织不允许存在目视可见的清晰晶粒，并应符合GJB 2220-1994中图1所示1～4级图片要求；
e)机匣锻件不同部位的高倍组织技术指标要求：
高倍组织应符合GJB 2220-1994中图3所示1～4级图片要求；锻件不同部位的高倍组织级差不超过2级。
2.一种基于零件变形程度控制的TC4合金机匣锻件验收方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)、制定进气机匣锻件取样方案：
机匣的室温拉伸、高温拉伸、高温持久力学性能试样取样方案为：取自锻件横截面沿高度方向的小端、中部、大端3个典型区域，每个区域沿锻件弦向切取各2个试样进行检验，即每个检测项目各取6个试样；
机匣的高倍组织、硬度试样取样方案为：锻件横截面的小端端面靠内径、靠外径、距离小端端面1/4高度处、中部、距离大端端面1/4高度处、大端端面靠内径、大端端面靠外径各1个，即高倍组织、硬度各7个试样；检测面为径轴面；
机匣的低倍组织取自环形锻件沿直径的两端各1个，检测面为径轴向的两个横截面；
(2)、对所取试样进行组织性能检测；
(3)、按照组织性能均匀性控制要求建立TC4合金机匣锻件专用技术标准并进行锻件的冶金质量判定与验收：
a)机匣锻件不同部位的室温拉伸性能技术指标要求：
室温拉伸性能：抗拉强度σb＝895MPa～995MPa，屈服强度σ0.2≥825MPa，断后伸长率δ5≥10％，断面收缩率ψ≥20％；锻件不同部位的强度差值Δσb≤50MPa；
400℃拉伸性能：抗拉强度σb≥615MPa，断后伸长率δ5≥12％，断面收缩率ψ≥40％；锻件不同部位的强度差值Δσb≤50MPa；
b)机匣锻件不同部位的硬度技术指标要求：
布氏硬度HB(d)＝3.30mm～3.60mm；锻件不同部位的硬度差值ΔHB(d)≤0.2mm；
c)机匣锻件不同部位的持久性能技术指标要求：
400℃、570MPa试验条件下，持久试样断裂的持续时间τ≥100h；
d)机匣锻件的低倍组织技术指标要求：
不允许存在裂纹、缩孔、气孔、夹杂、偏析及其他冶金缺陷；低倍组织不允许存在目视可见的清晰晶粒，并应符合GJB 2220-1994中图1所示1～4级图片要求；
e)机匣锻件不同部位的高倍组织技术指标要求：
高倍组织应符合GJB 2220-1994中图3所示1～4级图片要求；锻件不同部位的高倍组织级差不超过2级。
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