CN111471944A - 通过预旋转调控高温合金毛坯盘锻件的残余应力的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高温合金领域，公开了一种通过预旋转调控高温合金毛坯盘锻件的残余应力的方法，所述方法包括：S1、确定用于调控所述毛坯盘锻件的残余应力的目标转数，并且确定通过预旋转毛坯盘锻件调控残余应力所需产生塑性变形的目标变形量；S2、以目标转数对毛坯盘锻件进行所述预旋转，监测毛坯盘锻件的变形量，在监测到毛坯盘锻件的变形量达到所述目标变形量时停止预旋转。本发明能够有效调控毛坯盘锻件内部的残余应力并维持毛坯盘锻件的力学性能，可以减缓后期零件加工的变形程度，降低成本；加工后的零件在后期超速试验以及服役过程中不再发生有害变形，从而保证了零件尺寸稳定性；在预旋转后在轮毂处置入压应力，可以有效提高盘件的疲劳寿命。

Description

通过预旋转调控高温合金毛坯盘锻件的残余应力的方法
技术领域
本发明涉及材料领域，具体地涉及通过预旋转调控高温合金毛坯盘锻件的残余应力的方法。
背景技术
航空发动机热端转动部件主要采用高温合金制造，包括高压与低压涡轮盘、压气机盘、篦齿盘等。为了在这些高温合金盘件上获得预定的力学性能，需要采用高度精确控制的热处理制度对锻件毛坯进行组织调控。热处理过程在获取所需力学性能的同时，不可避免地会在盘件毛坯上引入一定的残余应力。锻件毛坯上的热处理应力会在后续的零件加工、表面处理、装机服役过程中逐步释放。
过高的残余应力水平会使盘件在机加工变形偏大，造成难以在零件上获取预定的精确尺寸的问题。同时，过大的、分布不合理的内应力会造成零部件在服役过程中的尺寸稳定性下降，影响发动机的工作效率直至引发故障。因此，对锻件毛坯上的热处理残余应力进行有效的控制和管理，是保障转动件加工服役尺寸稳定性的前提和基础。
发明内容
本发明提出了一种通过对毛坯盘锻件实施高速旋转处理的方法，即利用离心力载荷在毛坯盘锻件上获取预定的微小塑性变形，在不影响毛坯盘锻件后续加工服役性能的前提下，对毛坯盘锻件内应力分布状态进行有效调控。该方法既可以使热处理过程中形成的过高的残余应力得到充分释放，从而避免毛坯盘锻件在后续零件加工过程中出现有害变形；又可以针对毛坯盘锻件服役工况对内应力分布进行优化调控，从而更好地保证毛坯盘锻件在零件超转试验过程中，在115％或120％高应力状态下不发生危害变形，并且在装机服役过程中的长期尺寸稳定性。该方法是在热处理之后、零件加工之前针对毛坯盘锻件实施的旋转操作，因此称为毛坯预旋转，是一种针对毛坯盘锻件的、通过旋转离心力引发毛坯盘锻件产生微量塑性变形从而对内应力进行主动调控的新型技术。
为了实现上述目的，本发明提供一种通过预旋转调控高温合金毛坯盘锻件的残余应力的方法，其中，所述方法包括：S1、确定用于调控所述毛坯盘锻件的残余应力的目标转数，并且确定通过预旋转所述毛坯盘锻件调控残余应力所需产生的塑性变形的目标变形量；S2、以所述目标转数对所述毛坯盘锻件进行所述预旋转，监测所述毛坯盘锻件的变形量，在监测到所述毛坯盘锻件的变形量达到所述目标变形量时停止所述预旋转。
优选地，步骤S1包括：S11、通过模拟计算获得调控所述毛坯盘锻件的残余应力的预测转数；S12、以所述预测转数对所述毛坯盘锻件的毛坯盘锻件进行所述预旋转，监测所述毛坯盘锻件的变形量；S13、根据监测到的所述毛坯盘锻件的变形量调整所述预测转数，以确定所述目标转数。
优选地，步骤S13包括：S131、当以所述预测转数对所述毛坯盘锻件进行所述预旋转时监测到的所述毛坯盘锻件的变形量达到所述目标变形量，则所述预测转数即为所述目标转数；或者，S132、当以所述预测转数对所述毛坯盘锻件进行所述预旋转时监测到的所述毛坯盘锻件的变形量低于所述目标变形量，则逐渐升高所述预旋转的转数，直到以最终转数进行所述预旋转时监测到的所述毛坯盘锻件的变形量达到所述目标变形量，则所述最终转数即为所述目标转数。
优选地，步骤S132包括：当以所述预测转数对所述毛坯盘锻件进行所述预旋转时监测到的所述毛坯盘锻件的变形量低于所述目标变形量，以25-100转每分钟的阶梯逐步升高所述预旋转的转数。
优选地，步骤S11包括：S111、模拟所述毛坯盘锻件的热处理以获得所述毛坯盘锻件的残余应力分布；S112、模拟所述毛坯盘锻件以不同转数进行所述预旋转，以确定所述预测转数，其中，以所述预测转数进行的所述预旋转使得所述毛坯盘锻件的残余应力调控至400MPa以下且使所述毛坯盘锻件的残余变形量为0.05％-1.95％。
优选地，步骤S111包括：通过检测所述毛坯盘锻件的实际残余应力，利用所述实际残余应力校正所述毛坯盘锻件的模拟结果，以得到所述毛坯盘锻件热处理后的残余应力分布。
优选地，包括步骤S3：绘制所述毛坯盘锻件在预旋转后的残余应力分布图，优选地，步骤S3包括：S31、模拟所述毛坯盘锻件以所述目标转数预旋转以获得所述毛坯盘锻件预旋转后的残余应力分布；S32、通过检测所述毛坯盘锻件特征部位的实际残余应力，利用所述实际残余应力校正所述毛坯盘锻件预旋转后的模拟结果，以得到所述毛坯盘锻件预旋转后的残余应力分布。
优选地，所述目标变形量为0.05％-1.95％。
优选地，在进行所述预旋转时，至少在当前转数下保持30秒后监测所述毛坯盘锻件的变形量。
优选地：监测所述毛坯盘锻件的变形量时，以稳定的数值作为监测到所述毛坯盘锻件的变形量；和/或，步骤S2包括：在监测到所述毛坯盘锻件的变形量达到所述目标变形量时，使所述预旋转的转数逐步下降至停止。
优选地，所述高温合金为变形高温合金、粉末高温合金或铸造高温合金。
优选地，所述毛坯盘锻件为预旋转前没有明显应力集中的盘件结构，所述毛坯盘锻件包括环形毛坯盘锻件、压气机盘毛坯盘锻件、涡轮盘毛坯盘锻件。
优选地，所述预旋转操作温度是-50℃～750℃。
优选地，所述方法通过高速旋转试验平台以及用于将所述毛坯盘锻件定位在所述高速旋转试验平台上的配套工装进行所述预旋转。
通过上述技术方案，能够有效调控毛坯盘锻件内部的残余应力，同时维持毛坯盘锻件的力学性能。由此，可以减缓后期零件加工的变形程度，从而减少零件加工周期，降低成本；加工后的零件在后期超速试验以及服役过程中不再发生有害变形，从而保证了零件尺寸稳定性；在预旋转后形成了有利于盘件工况的残余应力分布状态，轮毂处置入压应力，可以有效的提高盘件的疲劳寿命。
附图说明
图1a是毛坯盘锻件为涡轮盘的结构示意图，图1b是毛坯盘锻件为环形盘的结构示意图(为显示截面，图1a和图1b为移除部分的视图，毛坯盘锻件为完整的环状)；
图2a至图2c分别是根据本发明的实施例1模拟在不同热处理工艺参数残余应力分布状态，其中：图2a是较低残余应力水平：毛坯盘锻件剖面中心区域最大拉应力为286MPa；图2b是中等残余应力水平：毛坯盘锻件剖面中心区域最大拉应力为517MPa；图2c是较低残余应力水平：毛坯盘锻件剖面中心区域最大拉应力为681MPa；
图3a至图3d是根据本发明的方法的模拟在0残余应力状态条件下预旋转过程中毛坯盘锻件应力与变形的分布状态，其中：图3a是达到最高转速时，毛坯盘锻件上的Vonmises等效应力分布状态；图3b是停转后毛坯盘锻件上的弦向残余应力分布状态；图3c是停转后毛坯盘锻件上的Vonmises等效塑性应变分布；图3d是停转后残余塑性应变的弦向分量；
图4a至图4f是根据本发明的方法的模拟在叠加热处理残余应力情况下，预旋转处理过程中毛坯盘锻件应力、应变分布情况，其中：图4a是最高转速时，中等热处理应力毛坯盘锻件上的Vonmises等效应力分布；图4b是最高转速时，中等热处理应力毛坯盘锻件上的弦向应力分布；图4c是停转后毛坯盘锻件上的Vonmises等效应力分布；图4d是停转后的弦向应力分量，从内径处-250MPa压应力过渡至外径处150MPa拉应力；图4e是停转后毛坯盘锻件上的Vonmises等效塑性应变分布；图4f是预旋转在毛坯盘锻件的实际零件区域引入了0.05％～0.25％的微小塑性变形；
图5a至图5d是根据本发明的方法在预旋转处理过程中毛坯盘锻件特征部位尺寸的变化规律，其中：图5a是无初始热处理应力(σinitial＝0)条件下，毛坯盘锻件尺寸变化量与预旋转最高转速之间的关系；图5b是热处理应力对毛坯盘锻件外径变化量的影响，初始应力越大，屈服所需的临界转速越低；图5c是预旋转条件不变，毛坯盘锻件尺寸因初始应力的不同而在旋转过程中呈现不同的变化规律；图5d是热处理应力对转速上升过程中已经开始对毛坯盘锻件外径尺寸变化规律产生显著影响；
图6是根据本发明的实施例1在预旋转过程中应力释放曲线；
图7是根据本发明的实施例1在预旋转前后和以预测转数模拟预旋转的残余应力结果；
图8a和图8b是根据本发明的实施例1在预旋转前后力学性能的变化；
图9a至图9d是根据本发明的实施例2在预旋转处理对高涡盘毛坯的应力状态的调控效果；
图10a和图10b是根据本发明的实施例2在预旋转过程中应力释放曲线以及预旋转前后和以预测转数模拟预旋转的残余应力结果，图10c是实施例2在超速旋转试验过程中尺寸变化情况。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指参考附图所示的上、下、左、右；“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。
本发明提供一种通过预旋转调控高温合金毛坯盘锻件的残余应力的方法，其中，所述方法包括：
S1、确定用于调控所述毛坯盘锻件的残余应力的目标转数，并且确定通过预旋转所述毛坯盘锻件调控残余应力所需产生的塑性变形的目标变形量；
S2、以所述目标转数对所述毛坯盘锻件进行所述预旋转，监测所述毛坯盘锻件的变形量，在监测到所述毛坯盘锻件的变形量达到所述目标变形量时停止所述与旋转。
本发明的方法能够有效调控毛坯盘锻件内部的残余应力，同时维持毛坯盘锻件的力学性能。由此，可以减缓后期零件加工的变形程度，从而减少零件加工周期，降低成本；加工后的零件在后期超速试验以及服役过程中不再发生有害变形，从而保证了零件尺寸稳定性；在预旋转后形成了有利于毛坯盘锻件工况的残余应力分布状态，轮毂处置入压应力，可以有效的提高毛坯盘锻件的疲劳寿命。
具体的，本发明的方法可以通过在高速旋转平台进行预旋转，使整个毛坯盘锻件发生屈服，并产生微小塑性变形，从而调控毛坯盘锻件内部残余应力。
此外，通过调控毛坯盘锻件内部的残余应力，避免了在后期加工时零件翘曲、变形的可能，有利于提高加工的效率以及尺寸精度。
另外，由于采用了无明显应力集中的毛坯盘锻件进行预旋转，为了达到整盘屈服，预旋转的转数要远高于服役状态的转数，调控了残余应力，因而，在后期超速强度试验过程中，在115％或120％高应力状态下能够保证不发生超过设计要求的有害变形；同样在服役过程中也不会再发生有害变形，有利于零件的尺寸控制。
并且，通过停止预旋转，毛坯盘锻件的旋转发生降速，使得沿毛坯盘锻件的径向形成内压外拉的应力分布状态，这种应力分布状态有利于服役时的工况(在盘件轮毂处置入压应力)，从而有效的提高毛坯盘锻件的疲劳寿命。
相对于传统的只经过控制热处理冷速减低毛坯盘锻件内部残余应力的方法，该方法不仅可以解决加工变形的问题，而且由于提前调控了残余应力，可以保证超速强度试验状态以及后期服役过程中不再发生超过设计的有害变形。
本发明中，可以根据适当方式确定用于调控所述毛坯盘锻件的残余应力的目标转数，例如可以通过模拟确定。根据本发明的优选方式，可以根据模拟结果进行校正来获得目标转数。具体的，步骤S1包括：S11、通过模拟计算获得调控所述毛坯盘锻件的残余应力的预测转数；S12、以所述预测转数对所述毛坯盘锻件的毛坯盘锻件进行所述预旋转，监测所述毛坯盘锻件的变形量；S13、根据监测到的所述毛坯盘锻件的变形量调整所述预测转数，以确定所述目标转数。
换言之，本发明的优选实施方式中，首先在步骤S11中确定预测转数，然后通过在步骤S12中以预测转数进行预旋转，最后在步骤S13中根据毛坯盘锻件的变形量调整转数，来校正预测转数，得到目标转数。通过毛坯盘锻件确定目标转数后，即可对与毛坯盘锻件同规格、状态的毛坯盘锻件以确定的目标转数进行预旋转。
步骤S11中，为获得预测转数，可以模拟计算获得毛坯盘锻件的残余应力，并根据需要设定所要调控的目标残余应力。其中，在调控残余应力的同时，为维持毛坯盘锻件的力学性能，还需要控制微小塑性变形的变形量。为此，步骤S11可以包括：S111、模拟所述毛坯盘锻件的热处理以获得所述毛坯盘锻件的残余应力分布；S112、模拟所述毛坯盘锻件以不同转数进行所述预旋转，以确定所述预测转数；其中，以所述预测转数进行的所述预旋转使得所述毛坯盘锻件的残余应力调控至400MPa以下且使所述毛坯盘锻件的变形量为0.05％-1.95％。
其中，为使获得的毛坯盘锻件的残余应力分布更加精确，可以通过实际检测的毛坯盘锻件的残余应力分布来校正模拟结果。具体的，步骤S111可以包括：通过检测所述毛坯盘锻件的实际残余应力，利用所述实际残余应力校正模拟所述毛坯盘锻件的模拟结果，以得到所述残余应力分布。
本领域技术人员可以理解的，可以采用各种适当的方式来模拟毛坯盘锻件的热处理以及预旋转。例如，可以设定毛坯盘锻件的材质、尺寸、热处理工艺，进行有限元模拟(例如使用ansys软件)来模拟毛坯盘锻件的热处理，例如可以参考《钢的热处理数值模拟研究进展》(天津职业技术师范大学学报，第24卷第3期，2014年9月)来模拟热处理，并且可以在此基础上根据预旋转的转数等参数增加旋转动作来模拟毛坯盘锻件的预旋转。
在不考虑初始热处理应力(σinitial＝0)的条件下，在模拟预旋转处理全过程中以及处理完成停转后，毛坯盘锻件上各位置处的应力应变数值总体上是毛坯盘锻件直径的函数，而与毛坯盘锻件截面的具体几何尺寸特征无关，如图3a至图3d所示。当预旋转处理达到最高转速时，如图3a所示，此时内径Dinner至编号A的等高线之间的区域均已达到屈服点(材料室温屈服强度设定为1150MPa)。在转数升高过程中，塑性变形首先从毛坯盘锻件内径Dinner处首先开始并逐渐向外径方向扩展，相应地，通过精确控制预旋转处理的最高转速，可以精确控制毛坯盘锻件上达到屈服点的范围、获取特定的塑性变形量。由图3c和图3d可知，对于(Douter-Dinner)/Dinner<<1的低涡盘而言，可以将毛坯盘锻件从内径Dinner至外径Douter处，即毛坯盘锻件整体的塑性变形量控制在0.05％～0.25％的小范围内。
图4a至图4f显示了存在热处理应力情况下(即毛坯盘锻件的实际状态)进行预旋转模拟的结果，通过对比可知，在存在热处理残余应力的情况下，毛坯盘锻件在预旋转过程中的应力分布及变形行为与图3a至图3d给出的无初始应力理想状态相比，存在重大的差别。这是因为，由于初始热处理残余应力的存在，对于毛坯盘锻件内部形成拉应力的部位，初始弦向拉应力与预旋转离心力相叠加，使得相应区域达到屈服点所需的预旋转临界转速大大低于无初始应力的情况，如图5b所示。热处理引入的初始弦向拉应力越大，毛坯盘锻件预旋转过程中达到屈服点所需的临界转速就越低。另外，毛坯盘锻件上最早达到屈服点的位置不再是内径Dinner处，而是截面的内部区域由于热处理形成的初始最大拉应力部位。随着转速的升高，达到屈服点的范围由最大拉应力处逐渐向临近区域扩展。在最高转速不变的情况下，随着热处理残余应力的增大，旋转处理后毛坯盘锻件外径的改变量加大，这是由于整体上得到调控的热处理应力越多，毛坯盘锻件各部位由于失去应力约束而恢复的弹性变形量越大。具体来说，随着毛坯盘锻件热处理应力为拉应力的区域通过产生局部塑性变形而将拉应力调控，则与之相互约束处于平衡状态的压应力区域则会因失去约束而同步发生弹性伸长，宏观上的表现就是热处理残余应力越高，毛坯盘锻件外径Douter的数值在预旋转处理后产生永久增长量就越大。图5c给出了最大转速为9750转/min的预旋转处理在加载与卸载的全过程中，毛坯盘锻件外径Douter随转速动态变化的情况。对于一次特定的预旋转处理，毛坯盘锻件在弹性变形阶段与转速的平方成正比关系。对比图5c和图5d可知，毛坯盘锻件开始屈服后外径增长速度加快，而在到达最高转速后的卸载阶段，毛坯盘锻件外径与转速平方仍保持线性关系。随着热处理残余应力的增大，相同预旋转条件下毛坯盘锻件开始屈服的时间更早、卸载后外径永久变形量更大。特别地，图5d为图5c中转速上升阶段的局部放大图表明，热处理残余应力的大小，在转速上升的早期阶段就对毛坯盘锻件的变形行为产生了显著的影响。
当毛坯盘锻件为图1b所示的低涡盘结构时，具备内孔直径Dinner与外圆直径Douter接近且均较大的尺寸特征，即(Douter-Dinner)/Dinner<<1，因此预旋转处理在毛坯盘锻件截面上形成的应力应变量的梯度均较小，总体分布比较均匀。低涡盘构型的这一特征，为通过毛坯盘锻件预旋转技术实现毛坯盘锻件的完全屈服并获取微量的永久塑性变形成为可能，这一方法可以使热处理造成的“内拉外压式”的残余应力分布状态得到彻底的重构。实际上，所有类似低涡盘这种具备环形特征的转动件构型，都适合采用预旋转处理的方法调控毛坯盘锻件的应力分布状态。
与截面积较小的低涡盘、篦齿盘、挡板类零件相比，当毛坯盘锻件为图1a所示的高涡盘结构时，由于高涡盘毛坯通常具有重量高、轮毂等部位厚度大的特点，因此在热处理过程中往往会在毛坯盘锻件上形成更高水平的残余应力。由于高涡盘零件的总体结构特点是外轮廓比较粗大，具有较高的刚度，因此热处理残余应力在机加工过程中影响零件尺寸的问题往往没有其它薄壁类盘件严重。
然而，在进行超转试验和装机服役过程中，如果热处理残余应力中的拉应力与服役载荷相叠加，可能会使毛坯盘锻件特定部位在大大低于名义载荷的转速范围内就达到屈服点。毛坯盘锻件工作过程中一旦出现残余拉应力区域局部屈服的现象，则会导致热处理残余应力的整体调控，表现为毛坯盘锻件出现超出预期的宏观尺度有害变形。实际上，过高的热处理残余应力，是造成高涡盘服役过程中在远低于设计强度的工况条件下失去尺寸稳定性的主要原因之一。
高涡盘内外径之差较大，即(Douter-Dinner)/Dinner>>1，因此如果采用使高涡盘毛坯整体屈服的转速进行预处理，会导致内径部位塑性变形量过大，影响材料的组织性能。
然而，由于高涡盘轮毂部位特定区域存在很高的热处理拉应力，因此在较低的转速范围，甚至在低于内孔Dinner处出现屈服所需的转速下，毛坯盘锻件上的最大拉应力部位就已经达到屈服点从而使热处理残余应力得到有效的调控。
由图9a和图9b可知，热处理态的高涡盘毛坯上具有很高的残余应力，其内部最大拉应力出现在轮毂内部区域，拉应力最大值高达700～900MPa，相应地，毛坯盘锻件表面最大压应力可达1000MPa以上。若材料室温屈服强度为1200MPa，则服役条件下轮毂部位的工作载荷达到500MPa以上时，轮毂部位实际上就会进入屈服状态，进而导致毛坯盘锻件上残余应力被调控。此时毛坯盘锻件就会在远低于名义屈服强度的工况范围内产生超出预期的有害变形。
与低涡盘预旋转处理可以实现毛坯盘锻件整体屈服不同，为了防止塑性变形量过大，高涡盘在预旋转处理最高转速时通常仅在轮毂部位引入塑性变形，确保轮毂区域的拉应力得到充分的调控。而辐板和轮缘区域在预旋转处理过程中则完全不需要发生塑性变形，因此不会影响到轮缘部位的位错密度等微观组织状态。这样既保证了轮毂部位的屈服强度和疲劳性能得到提升，又保证轮缘部位的高温蠕变持久性能不发生衰减。
通过实施预旋转处理，如图9c和图9d所示，轮毂内部区域的弦向拉应力区域被基本消除，热处理残余应力在毛坯上就得到了有效的调控，同时在内孔开始沿直径方向呈梯度分布的压应力，覆盖了毛坯盘锻件辐板所对应的区域。经过预旋转处理调整后的这种内应力分布状态，特别是在轮毂区域植入的弦向压应力，能够显著提升毛坯盘锻件的疲劳性能。更重要的是，由于消除了轮毂内部过高的弦向拉应力，可以防止毛坯盘锻件在后续服役过程中由于残余拉应力叠加工作应力后过早达到屈服点，进而因残余应力调控导致毛坯盘锻件出现有害变形。因此毛坯盘锻件预旋转处理作为一种有效的应力调控手段，对于保障高涡盘在后续服役过程中的尺寸稳定性具有非常重要的工程应用价值。
另外，在步骤S112中，为合理设定预测转数，可以根据模拟得到的残余应力分布设定所需调控的程度，也就是将预旋转后的毛坯盘锻件的残余应力调控至400MPa以下。具体的，可以设定不同的预旋转转数来模拟预旋转，最终确定的预测转数应使得预旋转后毛坯盘锻件的残余应力调控至400MPa以下。其中，模拟预旋转所确定的预测转数还需使得毛坯盘锻件的变形量为0.05％-1.95％，以免毛坯盘锻件发生过大的塑性变形，影响毛坯盘锻件的力学性能。
在上述步骤S13中，可以根据监测到的毛坯盘锻件的变形量与目标变形量的对比情况适应性调整预旋转的转数。具体的，步骤S13包括：S131、当以所述预测转数对所述毛坯盘锻件进行所述预旋转时监测到的所述毛坯盘锻件的变形量达到所述目标变形量，则所述预测转数即为所述目标转数；或者，S132、当以所述预测转数对所述毛坯盘锻件进行所述预旋转时监测到的所述毛坯盘锻件的变形量低于所述目标变形量，则逐渐升高所述预旋转的转数，直到以最终转数进行所述预旋转时监测到的所述毛坯盘锻件的变形量达到所述目标变形量，则所述最终转数即为所述目标转数。
步骤S131适用于预测转数较为准确的情况，即，以预测转数进行预旋转即可达到所需的目标变形量。步骤S132适用于预测转数不够准确(即，以预测转数进行预旋转无法达到目标变形量)而进行修正的情况，具体的修正方式即为逐步升高预旋转的转数。为精确确定目标转数，可以合理设置每次升高的转数，优选地，步骤S132包括：当以所述预测转数对所述毛坯盘锻件进行所述预旋转时监测到的所述毛坯盘锻件的变形量低于所述目标变形量，以25-100转每分钟的阶梯逐步升高所述预旋转的转数。
此外，为避免预旋转导致毛坯盘锻件发生过大的塑性变形而影响力学性能，可以合理设置目标变形量，以使毛坯盘锻件仅发生微小的塑性变形，优选地，所述目标变形量为0.05％-1.95％。其中，在监测毛坯盘锻件的变形量时，通常监测毛坯盘锻件上的特定位置(例如外径处)的变形量，但整个毛坯盘锻件上不同位置的变形量会有不同，例如，内径处的变形量大于外径处的变形量，各位置的变形量的范围应保证在目标变形量的范围内。
另外，为精确监测毛坯盘锻件的变形量，优选地，在进行所述预旋转时，至少在当前转数下保持30秒后监测所述毛坯盘锻件的变形量，从而能够确保在预旋转产生的塑性变形已经稳定的情况下进行监测。
此外，在毛坯盘锻件因预旋转而发生塑性变形的过程中，经历了从弹性变形到塑性变形，因此，毛坯盘锻件的变形量会呈现连续变化直至稳定。为精确监测变形量，优选地，监测所述毛坯盘锻件的变形量时，以稳定的数值作为监测到所述毛坯盘锻件的变形量。其中，当监测的变形量在预定时间15s内波动范围在±0.01mm，即可认为达到了稳定的数值。
本发明的方法中，为最终使得沿毛坯盘锻件的径向形成有利于服役时的工况的内压外拉的应力分布状态，步骤S2包括：在监测到所述毛坯盘锻件的变形量达到所述目标变形量时，使所述预旋转的转数逐步下降至停止。具体的，可以使转数以1-200转每秒减速度逐步下降至停止。
本发明的方法适用于残余应力较高的各种高温合金的毛坯盘锻件，其中，所述高温合金为变形高温合金、粉末高温合金或铸造高温合金。
此外，为验证本发明的方法的效果，包括步骤S3：绘制所述毛坯盘锻件在预旋转后的残余应力分布图。通过绘制预旋转后的残余应力分布图，可以更直观地看出本发明的技术效果。其中，可以采用各种适当方式绘制预旋转后的残余应力分布图，例如通过模拟绘制。为提高效率，优选地，步骤S3包括：S31、模拟所述毛坯盘锻件以所述目标转数预旋转以获得所述毛坯盘锻件预旋转后的残余应力分布；S32、通过检测所述毛坯盘锻件特征部位(例如根据模拟结果选择的应力分布波动较小的位置)的实际残余应力，利用所述实际残余应力校正所述毛坯盘锻件预旋转后的模拟结果，以得到所述毛坯盘锻件预旋转后的残余应力分布。
本发明中，可以通过适当方式检测毛坯盘锻件特征部位的实际残余应力，例如可以利用X射线衍射法在毛坯盘锻件特征部位表面0.2mm以下进行测量。
为确保最终效果，本发明中适用的毛坯盘锻件为预旋转前没有明显应力集中的盘件结构，包括但不限于环形毛坯盘锻件、压气机盘毛坯盘锻件、涡轮盘毛坯盘锻件等。另外，本发明中适用的预旋转操作温度是-50℃～750℃，特别的室温条件下进行，具体操作温度主要根据材料的抗拉强度与屈服强度的比值决定。
本发明中，可以采用各种适当的高速旋转设备进行预旋转，需要能够满足毛坯盘锻件进行预旋转所需的转数控制、温度等条件即可，且可以通过适当的设备监测预旋转过程中的变形量，例如采用红外位移检测。
下面通过实施例说明本发明的方法。
实施例1
使用GH4065合金的环形的毛坯低压涡轮盘锻件，结构如图1b所示，内径φ618mm，外径φ829mm，高85mm，重130kg，该毛坯盘锻件经标准热处理后，弦向残余应力为主应力，经采用X射线衍射法在特征部位0.2mm以下进行检测，轮毂处弦向应力为-384MPa，辐板处弦向应力为-641MPa，轮缘处弦向应力为-740MPa，应力水平较高。
通过模拟所述毛坯盘锻件的热处理以获得所述毛坯盘锻件的残余应力分布，如图2c与上述检测结果符合。
然后模拟预旋转。对于(Douter-Dinner)/Dinner<<1的低涡盘而言，可以将毛坯盘锻件从内径Dinner至外径Douter处，即毛坯盘锻件整体的塑性变形量控制在0.05％～0.25％的小范围内。
如图4a至图4f所示，模拟存在热处理应力条件下以不同转数预旋转处理过程中毛坯盘锻件的应力应变分布，确定毛坯盘锻件内部最大弦向拉应力调控到400MPa以下，对应0.15％～0.25％的整体变形的预测转数为9400转/分钟。
以9400转/分钟对所述毛坯盘锻件的毛坯盘锻件进行所述预旋转，保持60秒，如图6所示，监测所述毛坯盘锻件的变形量，测得外径处的残余变形0.75mm，毛坯盘锻件整体对应变形量为0.18～0.24％，达到目标变形量，预测转数即为目标转数。批量同规格毛坯盘锻件可以通过9400转/分钟的预旋转来调控残余应力。
为验证本发明的效果，在预旋转前后采用X射线衍射法对毛坯盘锻件特征部位(例如根据模拟结果，选取应力分布波动较小的区域)表面0.2mm以下进行残余应力测量(结果如图7所示)，测试结果与模拟结果基本一致，最后绘制预旋转后的残余应力分布图，用于后期盘件加工工艺。
通过超声波探伤预旋转后的毛坯盘锻件未发现异常，进一步对盘件解剖，盘件显微组织、各部位力学性能(结果如图8a和图8b所示)与未预旋转盘件差别不大。
实施例2
使用实施例1的方法处理典型粉末高温合金FGH96合金涡轮盘毛坯盘锻件(下文亦称为高涡盘毛坯)，结构如图1a所示，内径φ125mm，外径φ550mm，轮毂高215mm，轮缘高60mm，该毛坯盘锻件经标准热处理后，通过模拟所述毛坯盘锻件的热处理以获得所述毛坯盘锻件的残余应力分布，结果如图9a和图9b所示，盘件内部最大弦向拉应力达到700多MPa，应力水平较高。
模拟所述毛坯盘件以不同转数进行所述预旋转，确定毛坯盘件内部最大弦向拉应力降低到400MPa以下，对应0.15～1.0％的整体变形的预测转数为23500转/分钟。
以23500转/分钟对所述毛坯盘件的测试件进行所述预旋转，保持60秒，监测所述测试件的变形量，测得残余变形0.70mm，对应变形量为0.12～0.88％，无法达到目标变形量。通过每次升转50转，在最终转数为23550转/分钟，残余变形达到0.82mm，达到目标变形量0.15～0.98％，最终转数即为目标转数。批量同规格毛坯盘件可以通过23550转/分钟的预旋转来调控残余应力。
为验证本发明的效果，在预旋转前后对毛坯盘件特征部位表面0.2mm以下进行残余应力测量(结果见图10b)，测试结果与模拟结果一致。通过超声波探伤预旋转后的毛坯盘件并对毛坯盘件进行全面解剖性能测试，未发现明显变化。
另外，为验证本发明在尺寸稳定性方面的效果，进行了预旋转件与未预旋转件超速试验，测试结果如图10c，预旋转后的盘件在122％超速试验中尺寸基本不发生变化。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型。本发明包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种通过预旋转调控高温合金毛坯盘锻件的残余应力的方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、确定用于调控所述毛坯盘锻件的残余应力的目标转数，并且确定通过预旋转所述毛坯盘锻件调控残余应力所需产生的塑性变形的目标变形量；
S2、以所述目标转数对所述毛坯盘锻件进行所述预旋转，监测所述毛坯盘锻件的变形量，在监测到所述毛坯盘锻件的变形量达到所述目标变形量时停止所述预旋转。
2.根据权利要求1所述的通过预旋转调控高温合金毛坯盘锻件的残余应力的方法，其特征在于，步骤S1包括：
S11、通过模拟计算获得调控所述毛坯盘锻件的残余应力的预测转数；
S12、以所述预测转数对所述毛坯盘锻件的毛坯盘锻件进行所述预旋转，监测所述毛坯盘锻件的变形量；
S13、根据监测到的所述毛坯盘锻件的变形量调整所述预测转数，以确定所述目标转数。
3.根据权利要求2所述的通过预旋转调控高温合金毛坯盘锻件的残余应力的方法，其特征在于，步骤S13包括：
S131、当以所述预测转数对所述毛坯盘锻件进行所述预旋转时监测到的所述毛坯盘锻件的变形量达到所述目标变形量，则所述预测转数即为所述目标转数；或者，
S132、当以所述预测转数对所述毛坯盘锻件进行所述预旋转时监测到的所述毛坯盘锻件的变形量低于所述目标变形量，则逐渐升高所述预旋转的转数，直到以最终转数进行所述预旋转时监测到的所述毛坯盘锻件的变形量达到所述目标变形量，则所述最终转数即为所述目标转数。
4.根据权利要求3所述的通过预旋转调控高温合金毛坯盘锻件的残余应力的方法，其特征在于，步骤S132包括：当以所述预测转数对所述毛坯盘锻件进行所述预旋转时监测到的所述毛坯盘锻件的变形量低于所述目标变形量，以25-100转每分钟的阶梯逐步升高所述预旋转的转数。
5.根据权利要求2所述的通过预旋转调控高温合金毛坯盘锻件的残余应力的方法，其特征在于，步骤S11包括：
S111、模拟所述毛坯盘锻件的热处理以获得所述毛坯盘锻件的残余应力分布；
S112、模拟所述毛坯盘锻件以不同转数进行所述预旋转，以确定所述预测转数，其中，以所述预测转数进行的所述预旋转使得所述毛坯盘锻件的残余应力调控至400MPa以下且使所述毛坯盘锻件的残余变形量为0.05％-1.95％。
6.根据权利要求5所述的通过预旋转调控高温合金毛坯盘锻件的残余应力的方法，其特征在于，步骤S111包括：通过检测所述毛坯盘锻件的实际残余应力，利用所述实际残余应力校正所述毛坯盘锻件的模拟结果，以得到所述毛坯盘锻件热处理后的残余应力分布。
7.根据权利要求1所述的通过预旋转调控高温合金毛坯盘锻件的残余应力的方法，其特征在于，包括步骤S3：绘制所述毛坯盘锻件在预旋转后的残余应力分布图，优选地，步骤S3包括：
S31、模拟所述毛坯盘锻件以所述目标转数预旋转以获得所述毛坯盘锻件预旋转后的残余应力分布；
S32、通过检测所述毛坯盘锻件特征部位的实际残余应力，利用所述实际残余应力校正所述毛坯盘锻件预旋转后的模拟结果，以得到所述毛坯盘锻件预旋转后的残余应力分布。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的通过预旋转调控高温合金毛坯盘锻件的残余应力的方法，其特征在于，所述目标变形量为0.05％-1.95％。
9.根据权利要求1-7中任意一项所述的通过预旋转调控高温合金毛坯盘锻件的残余应力力的方法，其特征在于，在进行所述预旋转时，至少在当前转数下保持30秒后监测所述毛坯盘锻件的变形量。
10.根据权利要求1-7中任意一项所述的通过预旋转调控高温合金毛坯盘锻件的残余应力的方法，其特征在于：
监测所述毛坯盘锻件的变形量时，以稳定的数值作为监测到所述毛坯盘锻件的变形量；和/或，
步骤S2包括：在监测到所述毛坯盘锻件的变形量达到所述目标变形量时，使所述预旋转的转数逐步下降至停止。
11.根据权利要求1-7中任意一项所述的通过预旋转调控高温合金毛坯盘锻件的残余应力的方法，其特征在于，所述高温合金为变形高温合金、粉末高温合金或铸造高温合金。
12.根据权利要求1-7中任意一项所述的通过预旋转调控高温合金毛坯盘锻件的残余应力的方法，其特征在于，所述毛坯盘锻件为预旋转前没有明显应力集中的盘件结构，所述毛坯盘锻件包括环形毛坯盘锻件、压气机盘毛坯盘锻件、涡轮盘毛坯盘锻件。
13.根据权利要求1-7中任意一项所述的通过预旋转调控高温合金毛坯盘锻件的残余应力的方法，其特征在于，所述预旋转操作温度是-50℃～750℃。
14.根据权利要求1-7中任意一项所述的通过预旋转调控高温合金毛坯盘锻件的残余应力的方法，其特征在于，所述方法通过高速旋转试验平台以及用于将所述毛坯盘锻件定位在所述高速旋转试验平台上的配套工装进行所述预旋转。
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