CN111850441B - 一种双性能钛合金盘的惯性摩擦焊与等温变形复合制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双性能钛合金盘的惯性摩擦焊与等温变形复合制备工艺，首先确定符合双性能钛合金盘工作环境的两种钛合金的结构尺寸，并在低于β转变温度下进行退火处理，然后将两种退火态钛合金进行惯性摩擦焊接，再将焊态双合金盘加热进行等温变形，最后进行梯度热处理获得组织均匀、性能较好的双性能钛合金盘。本发明突破双合金盘连接技术瓶颈问题，最大程度发挥双合金‑双性能盘的结构效益。该双性能钛合金盘的惯性摩擦焊+等温变形复合制备技术能够获得组织细小，强度、塑性较好的双钛合金盘，可用于制备高性能双钛合金整体构件。

Description

一种双性能钛合金盘的惯性摩擦焊与等温变形复合制备工艺

技术领域

本发明属于金属合金的锻造成形技术领域，涉及一种双性能钛合金盘的惯性摩擦焊与等温变形复合制备工艺。

背景技术

发动机盘工作时处于高温高速旋转状态，盘芯部位与盘缘部位的受力和环境状态不同，需要同时满足盘芯和盘缘部位的不同力学性能，即双性能要求。双性能可以通过不同组织对应不同性能的单合金双组织盘来实现或不同合金不同性能的双合金盘来实现。双组织-双性能盘是采用锻造结合热处理工艺来制备同一合金盘缘和盘芯部位的两种组织实现双性能，该工艺成形方法简单、盘件质量易于控制，但双性能极限必然受到单一合金材料自身特性的限制。双合金-双性能盘是将两种合金通过特殊工艺连接起来制成双性能盘，可充分发挥两种合金各自的性能优势，使盘芯和盘缘部位能够在不同的受力和环境状态下工作，在未来高推重比发动机的使用潜力巨大。双合金-双性能盘目前主要采用热等静压+超塑性锻造、异种合金焊接的工艺进行试制，但热等静压+超塑性锻造后的双合金结合区强度并未得到明显提升，且由于双合金熔点相差较大，导致后续热处理困难；异种合金焊接的工艺虽然在一定程度上实现了双合金盘连接过渡，但焊接过渡区内空隙、粗大晶粒、非均匀组织等“弱连接”质量问题却限制了其实际应用。

异种双合金焊接过程中的空隙、粗大晶粒、非均匀组织等“弱连接”问题，易形成使用裂纹源、降低性能。若能消除“弱连接”部位残留缺陷，实现双合金连接的均匀过渡，双合金整体构件的性能则会得到大幅度提升。因此，避免或消除异种双合金焊接处的“弱连接”问题、大力推动异种双合金件的适用范围、进而带动整体装备的发展，一直是国内外研究学者追逐的目标。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种双性能钛合金盘的惯性摩擦焊与等温变形复合制备工艺，突破双合金盘连接技术瓶颈问题，最大程度发挥双合金-双性能盘的结构效益，有效解决双合金-双性能盘结合区的“弱连接”问题，实现双合金-双性能盘制备。

技术方案

一种双性能钛合金盘的惯性摩擦焊与等温变形复合制备工艺，其特征在于步骤如下：

步骤1、结构设计：根据双性能钛合金盘的使用环境需求，选择高温钛合金作为盘缘、高强钛合金作为盘芯，将盘缘设计为内锥度为5～30°的圆环，作为固定旋转端，将盘芯设计为具有相同锥度的内轴，作为移动端，圆环和内轴锥形同心度控制在0.5mm范围内；

步骤2、退火处理：对盘缘圆环和盘芯内轴进行粗加工至0.5～2mm的加工余量，然后分别在电阻炉中进行焊前标准退火处理，退火制度根据材料标准选择，退火后再次进行精加工至设计尺寸；

步骤3、惯性摩擦焊：采用惯性摩擦焊设备上，将盘缘圆环作固定旋转端，盘芯内轴作移动端进行惯性摩擦焊，获得焊态双合金坯；摩擦焊工艺参数设置转速为300～950r/min、顶锻力为400～1600psi、保压时间为5～40s，焊后空冷至室温；

步骤4、加热：通过机加工去除焊态双合金坯的飞边，然后在电阻炉中加热焊态双合金坯至两种钛合金重叠的锻造变形温度，保温时间t，按照最大厚度h，根据t＝h×(0.6～1.5)min/mm计算，同时将等温变形模具加热至同样温度、热透；

步骤5、等温变形：将加热保温后的焊态双合金坯在等温模具中进行等温变形，得到锻态双合金盘；等温变形工艺参数设置变形速度范围为0.001～20m/s、变形量为15～70％，等温变形后根据合金特性选择空冷、水冷或风冷；

步骤6：梯度热处理：在梯度热处理炉中对锻态双合金盘进行梯度热处理，盘芯和盘缘两种钛合金分别在各自标准热处理制度下进行不同温度和不同保温时间的热处理。

有益效果

本发明提出的一种双性能钛合金盘的惯性摩擦焊与等温变形复合制备工艺，首先确定符合双性能钛合金盘工作环境的两种钛合金的结构尺寸，并在低于β转变温度下进行退火处理，然后将两种退火态钛合金进行惯性摩擦焊接，再将焊态双合金盘加热进行等温变形，最后进行梯度热处理获得组织均匀、性能较好的双性能钛合金盘。本发明突破双合金盘连接技术瓶颈问题，最大程度发挥双合金-双性能盘的结构效益。

本发明中将惯性摩擦焊与等温变形工艺有机结合，步骤1中选择的两种钛合金材料可以分别满足发动机盘芯部位与盘缘部位不同的服役需求，更大程度地发挥双合金材料各自的性能优势；设计的盘缘、盘芯结构，不仅可以实现惯性摩擦焊接，还可以继续进行等温变形强韧化。步骤2两种合金分别在低于β转变温度的α+β两相区进行退火处理，可以有效消除合金中的残余应力，满足双合金惯性摩擦焊工艺需求、使焊后双合金均匀过渡。步骤3惯性摩擦焊接可以使盘缘和盘芯两种钛合金在外机械力作用下进行有效连接，经热力耦合作用后，能有效实现盘缘和盘芯部位异种合金的连接。步骤4对焊后双合金进行加热，在坯料表面喷涂玻璃润滑剂，有利于减小变形过程中焊态双合金盘与模具间的摩擦，两种钛合金重叠的锻造温度下进行加热，可解决双合金锻造温度不一致的难题，实现双合金同时变形。步骤5在两种钛合金重叠的锻造温度下进行等温变形，可有效消除“弱连接”部位残留缺陷，实现双合金连接的均匀过渡，大幅度提升双合金整体构件性能。步骤6梯度热处理可对两种钛合金分别进行较佳的标准热处理，稳定双合金盘组织形态、提升双合金盘性能，进而充分发挥盘缘和盘芯材料的性能优势。

该双性能钛合金盘的惯性摩擦焊+等温变形复合制备技术能够获得组织细小，强度、塑性较好的双钛合金盘，可用于制备高性能双钛合金整体构件。

附图说明

图1：本发明惯性摩擦焊+等温变形复合制备示意图

图2：实施例1的双钛合金盘等温变形后显微组织

图3：实施例2的双钛合金盘等温变形后显微组织

图4：实施例3的双钛合金盘等温变形后显微组织

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

一种双性能钛合金盘的惯性摩擦焊+等温变形复合制备技术，该方法包括以下工艺步骤：

(1)结构设计：根据双合金盘结构尺寸和工作环境，选择高温钛合金作为盘缘、高强钛合金作为盘芯，将盘缘设计为5～30°锥度的圆环，作为固定旋转端，将盘芯设计为具有同样锥度的内轴，作为移动端，圆环和内轴锥形同心度控制在0.5mm范围内，如图1(a)所示；

(2)退火处理：对圆环和内轴两种钛合金进行粗加工至0.5～2mm的加工余量，然后分别在电阻炉(图1(b))中进行惯性摩擦焊前标准退火处理，退火制度根据材料标准选择，退火后再次进行精加工至设计尺寸；

(3)惯性摩擦焊：将圆环作固定旋转端、内轴作移动端进行惯性摩擦焊，在惯性摩擦焊设备上进行焊接、获得焊态双合金坯(图1(c))，摩擦焊工艺参数设置转速范围为350～950r/min、顶锻力为500～1600psi、保压时间为10～30s，焊后空冷至室温；

(4)加热：去除双合金焊态飞边、喷涂玻璃润滑剂，然后在电阻炉(图1(d))中加热焊态双合金坯至两种钛合金重叠的锻造变形温度，保温时间按照最大厚度×0.6～1.5min/mm保温系数计算，同时将等温变形模具加热至同样温度、热透；

(5)等温变形：将加热保温后的焊态双合金坯在等温变形模具中进行等温变形，等温变形工艺参数设置变形速度范围为0.001～20m/s、变形量为20～70％，等温变形后根据合金特性选择空冷、水冷或风冷，如图1(e)所示；

(6)热处理：在梯度热处理炉(图1(f))中对等温变形双合金盘进行梯度热处理，盘芯和盘缘两种钛合金分别在各自标准热处理制度下进行不同温度和不同保温时间的热处理。

采用该双性能钛合金盘的惯性摩擦焊+等温变形复合制备工艺方法可以制备出高性能的双钛合金盘，实现双合金连接过渡区的强韧化。

例1：采用本方法步骤1设计IMI834钛合金外环作为盘缘，外环厚度为30mm，外圈直径为120mm，内圈直径为60mm带有12.5°锥度，整个外环作为摩擦焊旋转端，设计Ti6246钛合金内轴作为移动端，内轴直径也为60mm带有12.5°锥度，圆环和内轴锥形同心度公差小于0.2mm；经步骤2对IMI834合金外环和Ti6246合金内轴分别进行退火处理，先将两种合金按照步骤1设计尺寸进行粗加工、保留1mm加工余量，再将两种合金分别放置于SX-10-13型箱式电阻炉中进行1020℃、2h空冷和930℃、1h空冷的标准退火处理，电阻炉温度控制器型号为KSW-40-11，经UJ330-2型数字电位差计校核，温度的误差范围在±5℃，最后将退火态IMI834合金、Ti6246合金分别精加工成步骤1设计的结构；步骤3进行惯性摩擦焊，使用丙酮溶液将IMI834圆环、Ti6246内轴清洗干净，再将被焊圆环、内轴分别固定在150B型惯性摩擦焊机的旋转端和移动端，设定转速为500r/min、顶锻力为900psi、保压时间为20s的工艺参数进行焊接，焊接后空冷至室温，获得惯性摩擦焊态IMI834/Ti6246双合金坯；后经步骤4机加工去除IMI834/Ti6246双合金坯焊接飞边，在100℃的RX3-150/220-12型箱式电阻炉中烘烤10min后，表面均匀喷涂FR5型玻璃润滑剂，再将IMI834/Ti6246双合金坯加热至两种合金重叠的锻造温度975℃，保温30min，同时将等温变形上下模具加热至975℃；经步骤5进行IMI834/Ti6246双合金坯的等温变形，将加热保温后的IMI834/Ti6246双合金坯立即转移至THP10-2000D液压机等温变形平台上进行等温变形，变形速度为0.01m/s，变形量为20％，变形后空冷；最后经步骤6进行梯度热处理，将等温变形后的IMI834/Ti6246双合金件放置于自制梯度热处理炉中进行1000℃，1h，空冷+700℃，2h，空冷(IMI834合金)以及920℃，1h，空冷+595℃，6h，空冷(Ti6246合金)的梯度热处理，最后获得小型IMI834/Ti6246双钛合金盘。

小型IMI834/Ti6246双钛合金盘等温变形后显微组织如图2所示，可以看出，双合金过渡区的微观组织(图2(a)、(b)、(c))为细小再结晶等轴组织，中心焊缝过渡区与两侧热影响区组织过渡均匀。对等温变形后IMI834/Ti6246双钛合金盘进行室温力学性能测试，盘件室温拉伸抗拉强度为1040MPa，屈服强度为979MPa，延伸率和断面收缩率分别为6.9％和24.6％，双合金过渡区性能已与基体相当，说明惯性摩擦焊+等温变形工艺可用于制备高性能双钛合金盘件。

例2：采用本方法步骤1设计Ti60钛合金外环作为盘缘，外环厚度为30mm，外圈直径为120mm，内圈直径为60mm带有12.5°锥度，整个外环作为摩擦焊旋转端，设计Ti6246钛合金内轴作为移动端，内轴直径也为60mm带有12.5°锥度，圆环和内轴锥形同心度公差小于0.2mm；经步骤2对Ti60合金外环和Ti6246合金内轴分别进行退火处理，先将两种合金按照步骤1设计尺寸进行粗加工、保留1mm加工余量，再将两种合金分别放置于SX-10-13型箱式电阻炉中进行1020℃、2h空冷和930℃、1h空冷的标准退火处理，电阻炉温度控制器型号为KSW-40-11，经UJ330-2型数字电位差计校核，温度的误差范围在±5℃，最后将退火态Ti60合金、Ti6246合金分别精加工成步骤1设计的结构；步骤3进行惯性摩擦焊，使用丙酮溶液将Ti60圆环、Ti6246内轴清洗干净，再将被焊圆环、内轴分别固定在150B型惯性摩擦焊机的旋转端和移动端，设定转速为600r/min、顶锻力为1000psi、保压时间为20s的工艺参数进行焊接，焊接后空冷至室温，获得惯性摩擦焊态Ti60/Ti6246双合金坯；后经步骤4机加工去除Ti60/Ti6246双合金坯焊接飞边，在100℃的RX3-150/220-12型箱式电阻炉中烘烤10min后，表面均匀喷涂FR5型玻璃润滑剂，再将Ti60/Ti6246双合金坯加热至两种合金重叠的锻造温度975℃，保温30min，同时将等温变形上下模具加热至975℃；经步骤5进行Ti60/Ti6246双合金坯的等温变形，将加热保温后的Ti60/Ti6246双合金坯立即转移至THP10-2000D液压机等温变形平台上进行等温变形，变形速度为0.01m/s，变形量为20％，变形后空冷；最后经步骤6进行梯度热处理，将等温变形后的Ti60/Ti6246双合金件放置于自制梯度热处理炉中进行1000℃，1h，空冷+700℃，2h，空冷(Ti60合金)以及920℃，1h，空冷+595℃，6h，空冷(Ti6246合金)的梯度热处理，最后获得小型Ti60/Ti6246双钛合金盘。

小型Ti60/Ti6246双钛合金盘等温变形后显微组织如图3所示，可以看出，双合金过渡区不同部位的微观组织(图3(a)、(b)、(c))为细小再结晶等轴组织，中心焊缝过渡区与两侧热影响区组织过渡均匀。对等温变形后IMI834/Ti6246双钛合金盘进行室温力学性能测试，盘件室温拉伸抗拉强度为1023MPa，屈服强度为968MPa，延伸率和断面收缩率分别为6.2％和21.3％，双合金过渡区性能已与基体相当，说明惯性摩擦焊+等温变形工艺可用于制备高性能双钛合金盘件。

例3：采用本方法步骤1设计Ti60高温钛合金外环作为盘缘，外环厚度为30mm，外圈直径为120mm，内圈直径为60mm带有12.5°锥度，整个外环作为摩擦焊旋转端，设计Ti6246高强钛合金内轴作为移动端，内轴直径也为60mm带有12.5°锥度，圆环和内轴锥形同心度公差小于0.2mm；经步骤2对Ti60合金外环和Ti6246合金内轴分别进行退火处理，先将两种合金按照步骤1设计尺寸进行粗加工、保留1mm加工余量，再将两种合金分别放置于SX-10-13型箱式电阻炉中进行1020℃、2h空冷和930℃、1h空冷的标准退火处理，电阻炉温度控制器型号为KSW-40-11，经UJ330-2型数字电位差计校核，温度的误差范围在±5℃，最后将退火态Ti60合金、Ti6246合金分别精加工成步骤1设计的结构；步骤3进行惯性摩擦焊，使用丙酮溶液将Ti60圆环、Ti6246内轴清洗干净，再将被焊圆环、内轴分别固定在150B型惯性摩擦焊机的旋转端和移动端，设定转速为500r/min、顶锻力为900psi、保压时间为20s的工艺参数进行焊接，焊接后空冷至室温，获得惯性摩擦焊态Ti60/Ti6246双合金坯；后经步骤4机加工去除Ti60/Ti6246双合金坯焊接飞边，在100℃的RX3-150/220-12型箱式电阻炉中烘烤10min后，表面均匀喷涂FR5型玻璃润滑剂，再将Ti60/Ti6246双合金坯加热至两种合金重叠的锻造温度975℃，保温30min，同时将等温变形上下模具加热至975℃；经步骤5进行Ti60/Ti6246双合金坯的等温变形，将加热保温后的Ti60/Ti6246双合金坯立即转移至THP10-2000D液压机等温变形平台上进行等温变形，变形速度为0.01m/s，变形量为20％，变形后空冷；最后经步骤6进行梯度热处理，将等温变形后的Ti60/Ti6246双合金件放置于自制梯度热处理炉中进行1000℃，1h，空冷+700℃，2h，空冷(Ti60合金)以及920℃，1h，空冷+595℃，6h，空冷(Ti6246合金)的梯度热处理，最后获得小型Ti60/Ti6246双钛合金盘。

小型Ti60/Ti6246双钛合金盘等温变形后显微组织如图4所示，可以看出，双合金过渡区不同部位的微观组织(图4(a)、(b)、(c))为细小再结晶等轴组织，中心焊缝过渡区与两侧热影响区组织过渡均匀。对等温变形后Ti60/Ti6246双钛合金盘进行室温力学性能测试，盘件室温拉伸抗拉强度为1015MPa，屈服强度为950MPa，延伸率和断面收缩率分别为5.8％和19.1％，双合金过渡区性能已与基体相当，说明惯性摩擦焊+等温变形工艺可用于制备高性能双钛合金盘件。

Claims (3)

1.一种双性能钛合金盘的惯性摩擦焊与等温变形复合制备工艺，其特征在于步骤如下：

步骤1、结构设计：根据双性能钛合金盘的使用环境需求，选择IMI834钛合金作为盘缘、Ti6246钛合金作为盘芯，将盘缘设计为内锥度为5～30°的圆环，作为固定旋转端，将盘芯设计为具有相同锥度的内轴，作为移动端，圆环和内轴锥形同心度控制在0.5mm范围内；

步骤2、退火处理：对盘缘圆环和盘芯内轴进行粗加工至0.5～2mm的加工余量，然后分别在电阻炉中进行焊前标准退火处理，退火制度为1020℃、2h空冷和930℃、1h空冷，退火后再次进行精加工至设计尺寸；

步骤3、惯性摩擦焊：采用惯性摩擦焊设备上，将盘缘圆环作固定旋转端，盘芯内轴作移动端进行惯性摩擦焊，获得焊态双合金坯；摩擦焊工艺参数设置转速为300～950r/min、顶锻力为400～1600psi、保压时间为5～40s，焊后空冷至室温；

步骤4、加热：通过机加工去除焊态双合金坯的飞边，然后在电阻炉中加热焊态双合金坯至两种钛合金重叠的锻造变形温度，保温时间t，按照最大厚度h，根据t＝h×(0.6～1.5)min/mm计算，同时将等温变形模具加热至同样温度、热透；

步骤5、等温变形：将加热保温后的焊态双合金坯在等温模具中进行等温变形，得到锻态双合金盘；等温变形工艺参数设置变形速度范围为0.001～20m/s、变形量为15～70％，等温变形后根据合金特性选择空冷、水冷或风冷；

步骤6：梯度热处理：将等温变形后的IMI834/Ti6246双合金件放置于自制梯度热处理炉中，IMI834合金热处理制度为1000℃，1h，空冷+700℃，2h，空冷；Ti6246合金热处理制度为920℃，1h，空冷+595℃，6h，空冷，最后获得小型IMI834/Ti6246双钛合金盘。

2.一种双性能钛合金盘的惯性摩擦焊与等温变形复合制备工艺，其特征在于步骤如下：

步骤1、结构设计：根据双性能钛合金盘的使用环境需求，选择Ti60钛合金作为盘缘、Ti6246钛合金作为盘芯，将盘缘设计为内锥度为5～30°的圆环，作为固定旋转端，将盘芯设计为具有相同锥度的内轴，作为移动端，圆环和内轴锥形同心度控制在0.5mm范围内；

步骤2、退火处理：对盘缘圆环和盘芯内轴进行粗加工至0.5～2mm的加工余量，然后分别在电阻炉中进行焊前标准退火处理，退火制度为1020℃、2h空冷和930℃、1h空冷，退火后再次进行精加工至设计尺寸；

步骤3、惯性摩擦焊：采用惯性摩擦焊设备上，将盘缘圆环作固定旋转端，盘芯内轴作移动端进行惯性摩擦焊，获得焊态双合金坯；摩擦焊工艺参数设置转速为600r/min、顶锻力为1000psi、保压时间为20s，焊后空冷至室温；

步骤4、加热：通过机加工去除焊态双合金坯的飞边，然后在电阻炉中加热焊态双合金坯至两种钛合金重叠的锻造变形温度，保温时间t，按照最大厚度h，根据t＝h×(0.6～1.5)min/mm计算，同时将等温变形模具加热至同样温度、热透；

步骤5、等温变形：将加热保温后的焊态双合金坯在等温模具中进行等温变形，得到锻态双合金盘；等温变形工艺参数设置变形速度范围为0.001～20m/s、变形量为15～70％，等温变形后根据合金特性选择空冷、水冷或风冷；

步骤6：梯度热处理：将等温变形后的Ti60/Ti6246双合金件放置于自制梯度热处理炉中，Ti60合金热处理制度为1000℃，1h，空冷+700℃，2h，空冷；Ti6246合金热处理制度为920℃，1h，空冷+595℃，6h，空冷，最后获得小型Ti60 /Ti6246双钛合金盘。

3.一种双性能钛合金盘的惯性摩擦焊与等温变形复合制备工艺，其特征在于步骤如下：

步骤1、结构设计：根据双性能钛合金盘的使用环境需求，选择Ti60钛合金作为盘缘、Ti6246钛合金作为盘芯，将盘缘设计为内锥度为5～30°的圆环，作为固定旋转端，将盘芯设计为具有相同锥度的内轴，作为移动端，圆环和内轴锥形同心度控制在0.5mm范围内；

步骤2、退火处理：对盘缘圆环和盘芯内轴进行粗加工至0.5～2mm的加工余量，然后分别在电阻炉中进行焊前标准退火处理，退火制度为1020℃、2h空冷和930℃、1h空冷，退火后再次进行精加工至设计尺寸；

步骤3、惯性摩擦焊：采用惯性摩擦焊设备上，将盘缘圆环作固定旋转端，盘芯内轴作移动端进行惯性摩擦焊，获得焊态双合金坯；摩擦焊工艺参数设置转速为500r/min、顶锻力为900psi、保压时间为20s，焊后空冷至室温；

步骤4、加热：通过机加工去除焊态双合金坯的飞边，然后在电阻炉中加热焊态双合金坯至两种钛合金重叠的锻造变形温度，保温时间t，按照最大厚度h，根据t＝h×(0.6～1.5)min/mm计算，同时将等温变形模具加热至同样温度、热透；

步骤5、等温变形：将加热保温后的焊态双合金坯在等温模具中进行等温变形，得到锻态双合金盘；等温变形工艺参数设置变形速度范围为0.001～20m/s、变形量为15～70％，等温变形后根据合金特性选择空冷、水冷或风冷；

步骤6：梯度热处理：将等温变形后的Ti60/Ti6246双合金件放置于自制梯度热处理炉中，Ti60合金热处理制度为1000℃，1h，空冷+700℃，2h，空冷；Ti6246合金热处理制度为920℃，1h，空冷+595℃，6h，空冷，最后获得小型Ti60 /Ti6246双钛合金盘。

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