CN112122524A - 一种镍基高温合金航空发动机转子叶片热模锻工艺 - Google Patents
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Abstract
一种镍基高温合金航空发动机转子叶片热模锻工艺，属于航空发动机叶片锻造技术领域。工艺步骤如下：下料、光饰、挤压加热、挤压、浸油吹砂、涂润滑剂、预锻加热、预锻、涂润滑剂、终锻加热、终锻、热处理及终检。经本发明锻造工艺锻造的发动机叶片，叶片锻件外形完整，表面无裂纹、折叠及压伤等缺陷；力学性能、金相组织满足设计要求。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机叶片锻造技术领域，具体涉及一种镍基高温合金材料的航空发动机叶片的热模锻新工艺。
背景技术
某种航空发动机用压气机转子叶片选用的GH4720Li合金是一种组织和性能对锻造参数敏感的镍基高温合金。此种合金中Al+Ti的质量分数达到了7.5％，基体中的γ’相的含量达到40-50％，650℃时的强度达到1400MPa以上，极高的合金化程度在提高该合金的高温强度的同时也大幅度降低了塑性，工艺难度极大。目前国内仅有少数开坯方面的工艺研究以及部分等温成型方面的小批生产，尚无成熟的压气机转子叶片热模锻锻造工艺。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明利用我公司的挤压设备及工艺，提供一种切实可行的GH4720Li合金转子叶片的锻造工艺流程和相关工艺参数。
本发明方法包括以下工艺步骤：
(1)下料：选用合格的GH4720Li棒料，坯料尺寸根据所需零件尺寸要求下料，其长度公差控制在±0.5mm内，坯料一端圆角不小于R10，另一端不小于R2；
(2)光饰：将所下坯料放入震动光饰机中进行光饰，至表面粗糙度接近Ra1.6；
(3)挤压加热：将光饰后的坯料放置在高温合金卷制的加热器中，浸泡在钡盐炉的熔融盐液中，因GH4720Li合金最佳塑性区间较窄，挤压加热炉温为1100℃±10℃，保温温度为1100℃±10℃，保温时间为5-10min；
(4)挤压：将加热器和坯料一同从钡盐炉中取出，再从加热器中取出坯料，进行一次挤压成型，达到所需工艺要求尺寸，停锻温度不低于1000℃；因GH4720Li合金塑性差，挤压成型的挤压比应小于3.5，避免在挤压件杆部尾端至1/2处产生垂直于挤压方向的裂纹群；挤压工作带前的转接圆角需不小于R8，避免在挤压件杆部侧面产生45°斜裂纹群；模具温度不高于180℃，避免加重所述两种开裂现象；
(5)浸油吹砂：在机油中浸泡30-60min后吹砂，目视检查挤压件表面裂纹并将其打磨去除；
(6)涂润滑剂：将清理干净后挤压件放入烘箱中，按涂玻璃润滑剂工艺中加热要求加热至80-120℃后，在通风箱中喷涂Qxylub-719润滑剂；其中，润滑剂的厚度需控制在0.1-0.15mm之间；
(7)预锻加热：把涂完润滑剂的挤压件放入炉温为1120℃±10℃的电炉中加热，挤压件在炉内的保温温度为1120℃±10℃，保温时间为30-60min；
(8)预锻：从电炉中取出挤压件至曲柄压力机进行预锻，为保持挤压件1120℃±10℃的温度，整个转运时间应小于5s，通过一次打击达到工艺规程要求尺寸及变形量，停锻温度不低于950℃，变形量介于15-45％之间；
(9)涂润滑剂：将预锻件放入烘箱中，按涂玻璃润滑剂工艺中加热要求加热至80-120℃，保温时间为30-60min，从烘箱中取出预锻件，在通风箱中喷涂Qxylub-719润滑剂；其中，润滑剂的厚度需控制在0.1-0.15mm之间；
(10)终锻加热：把涂完润滑剂的预锻件放入炉温为1120℃±10℃的电炉中加热，预锻件在炉内的保温温度为1120℃±10℃，保温时间为20-50min；GH4720Li合金模锻加热温度允许高于挤压加热温度20-40℃，但当模锻加热温度超过1130℃时，晶粒度开始降低，因此优选1120℃作为模锻加热温度；
(11)终锻：从电炉中取出预锻件至曲柄压力机进行终锻，通过一次打击达到所需锻件尺寸工艺设计要求及变形量，停锻温度不低于950℃，变形量介于15-45％之间；
(12)热处理：按标准MAS7079进行热处理，空冷时采用风扇辅助，加快冷却速度；
(13)终检：按终检工序要求，检测锻造好的发动机叶片锻件尺寸，叶片锻件表面质量，叶片锻件截面透光度，以及其金相组织、力学性能；表面质量要求为：叶片锻件外形完整，表面无裂纹、折叠及压伤等缺陷；金相组织要求为：叶身中部及安装板中部横向晶粒度优于11级；力学性能要求为：硬度≥38HRC；677℃、828MPa条件下拉断时间≥30h，断后伸长率≥2％；400℃、30min保温后抗拉强度≥1517MPa，屈服强度≥1103MPa，断后伸长率≥11％，断面收缩率≥11.5％；650℃、30min保温后抗拉强度≥1345MPa，屈服强度≥966MPa，断后伸长率≥11.5％，断面收缩率≥14％。
本发明的有益效果：
(1)提供了一种材料为GH4720Li的航空发动机叶片的锻造工艺，填补技术空白。
(2)本发明工艺路线已经进行批产验证，能够生产出外观、组织及性能合格的锻件。可应用于GH4720Li压气机叶片的生产。
(3)本发明方法已应用到批量生产中，单台节省外购锻件费用30万元。
附图说明
图1本发明实施例1制备的锻件榫头高倍横向组织。
图2本发明实施例1制备的锻件叶身高倍横向组织。
图3本发明实施例1制备的锻件实物图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行进一步的具体描述，有必要在此指出的是，所述实施例只是用于对本发明作进一步说明，不能理解为是对本发明保护范围的任何限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整进行实施，但这样的实施应仍属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例以某民用航空发动机压气机转子叶片锻件为例。所用锯床为普通锯床，所用钡盐为BaCl2；挤压所用设备为2.5MN冲床；预锻、终锻所用设备为1600T曲柄压力；所述特制装料盘即为GH3030制作的簸箕形装料盘；所述特制加热器为GH3030丝制作的弹簧形装料钩；所使用的锻造炉符合航标；所述连续生产锻件140件，其工艺步骤中所述时间为一个时间范围值，前面的锻件所用时间少一些，后面锻件所用时间多一些，就是锻造时控制在所述时间范围内即可。
(1)下料：选用经检验合格的直径为30mm的GH4720Li棒料，用带锯床下料，每段棒料长度为62mm±0.5mm，坯料一端倒圆角R10，另一端倒圆角R2；
(2)光饰：将所下坯料放入高能震动光饰机中进行光饰，光饰时间为6h，此时表面粗糙度约为Ra1.6；
(3)挤压加热：将光饰后的坯料放置在GH3030丝材卷制的特制加热器中，浸泡在熔融BeCl2中，装炉炉温为1100℃±10℃，保温温度为1100℃±10℃，保温时间为6-8min；
(4)挤压：将加热器和坯料从钡盐炉中一同取出至2.5MN冲床前方可取出坯料，进行挤压成型，挤压比为3.4，停锻温度不低于1000℃，模具预热温度为180℃，挤压工作带前的转接圆角为R10；
(5)浸油吹砂：在机油中浸泡45min后吹砂，目视检查挤压件表面裂纹并进行打磨去除，杆部端面25mm范围内仅允许不去除缺陷；
(6)涂润滑剂：将清理干净的挤压件均匀预热至95℃，预热后在通风箱中喷涂Qxylub-719润滑剂，润滑剂的厚度为0.15mm；
(7)预锻加热：将涂完润滑剂的挤压件放置在GH3030板材焊制的特制装料盘上，将其放入电炉，装炉时炉温为1120℃±10℃，保温温度为1120℃±10℃，保温时间为30-60min；
(8)预锻：从电炉中取出挤压件至16MN曲柄压力机进行预锻，通过一次打击达到工艺规程要求尺寸，叶身变形量为31％，榫头变形量为15％，停锻温度不低于950℃；
(9)涂润滑剂：将预锻件均匀预热至95℃，预热后在通风箱中喷涂Qxylub-719润滑剂，润滑剂的厚度为0.15mm；
(10)终锻加热：把涂完润滑剂的预锻件放置在GH3030板材焊制的特制装料盘上，将其放入电炉，装炉时炉温为1120℃±10℃，保温温度为1120℃±10℃，保温时间为20-50min；
(11)终锻：从电炉中取出预锻件至16MN曲柄压力机进行终锻，通过一次打击达到所需锻件尺寸工艺设计要求，叶身变形量为32％，榫头变形量为15％，停锻温度不低于950℃，终锻模具上需设计有墙状结构，防止毛边迸溅伤人；
(12)热处理：按标准MAS7079进行热处理，空冷时采用风扇辅助；
(13)终检：按终检工序要求，检测锻造好的发动机叶片锻件尺寸，叶片锻件表面质量，叶片锻件截面透光度，以及其金相组织、力学性能；表面质量符合叶片锻件外形完整，表面无裂纹、折叠及压伤等缺陷的要求；叶身中部横向晶粒度为13.5级-14级，安装板中部横向晶粒度为13.5级-14级；硬度为48HRC；677℃、828MPa条件下拉断时间为110h：27min，断后伸长率为12％；400℃、30min保温后抗拉强度为1597MPa，屈服强度为1221MPa，断后伸长率为25％，断面收缩率为22％；650℃、30min保温后抗拉强度为1486MPa，屈服强度为1237MPa，断后伸长率为32.5％，断面收缩率为31％，符合标准要求。本实施例制备的锻件榫头高倍横向组织如图1所示，叶身高倍横向组织如图2所示，该锻件的实物图如图3所示。
实施例2
本实施例以某民用航空发动机压气机转子叶片强度试验件锻件为例，所用加热设备、锻造设备和辅助设备与实施例1中一致。
(1)下料：选用经检验合格的直径为28.5mm的GH4720Li棒料，用带锯床下料，每段棒料长度为60mm±0.5mm，坯料一端倒圆角R10，另一侧倒圆角R2；
(2)光饰：将所下坯料放入高能震动光饰机中进行光饰，光饰时间为4h，此时表面粗糙度约介于Ra1.6-Ra3.2之间；
(3)挤压加热：将光饰后的坯料放置在GH3030丝材卷制的特制加热器中，浸泡在熔融BeCl2中，装炉炉温为1100℃±10℃，保温温度为1100℃±10℃，保温时间为5-7min；
(4)挤压：将加热器和坯料从钡盐炉中一同取出至2.5MN冲床前方可取出坯料，进行挤压成型，挤压比为2.5，停锻温度不低于1000℃，模具预热温度为160℃，积压工作带前的转接圆角为R10；
(5)涂润滑剂：将清理干净的挤压件均匀预热至80℃，预热后在通风箱中喷涂Qxylub-719润滑剂，润滑剂的厚度为0.1mm；
(6)预锻加热：将涂完润滑剂的挤压件放置在GH3030板材焊制的特制装料盘上，将其放入电炉，装炉时炉温为1120℃±10℃，保温温度为1120℃±10℃，保温时间为30-60min；
(7)预锻：从电炉中取出挤压件至16MN曲柄压力机进行预锻，通过一次打击达到工艺规程要求尺寸，叶身变形量为33％，榫头变形量为18％，停锻温度不低于950℃；
(8)涂润滑剂：将清理干净的挤压件均匀预热至80℃，预热后在通风箱中喷涂Qxylub-719润滑剂，润滑剂的厚度为0.1mm；
(9)终锻加热：把涂完润滑剂的预锻件放置在GH3030板材焊制的特制装料盘上，将其放入电炉，装炉时炉温为1120℃±10℃，保温温度为1120℃±10℃，保温时间为20-50min；
(10)终锻：从电炉中取出预锻件至16MN曲柄压力机进行终锻，通过一次打击达到所需锻件尺寸工艺设计要求，叶身变形量为35％，榫头变形量为16％，停锻温度不低于950℃；
(11)热处理：按标准MAS7079进行热处理，空冷时采用风扇辅助；
(12)终检：按终检工序要求，检测锻造好的发动机叶片锻件尺寸，叶片锻件表面质量，叶片锻件截面透光度，以及其金相组织、力学性能；表面质量符合叶片锻件外形完整，表面无裂纹、折叠及压伤等缺陷的要求；叶身中部横向晶粒度为12.5级-13级，安装板中部横向晶粒度为12.5级-13.5级；符合标准要求。
与实施例1相比，实施例2最大的改变为挤压比由3.4改为2.5，挤压模具预热温度由180℃降低为160℃。基于以上改变，挤压件表面质量改善，因GH4720Li合金塑性差引起的裂纹缺陷被消除，因此，光饰时间缩短2h，取消侵油吹砂工序，模锻玻璃涂覆厚度减少0.05mm。
实施例3
本实施例以某民用航空发动机压气机转子叶片强度试验件锻件为例，所用加热设备、锻造设备和辅助设备与实施例1中一致。
(1)下料：选用经检验合格的直径为29mm的GH4720Li棒料，用带锯床下料，每段棒料长度为61mm±0.5mm，坯料一端倒圆角R10，另一侧倒圆角R2；
(2)光饰：将所下坯料放入高能震动光饰机中进行光饰，光饰时间为4h，此时表面粗糙度约Ra1.6；
(3)挤压加热：将光饰后的坯料放置在GH3030丝材卷制的特制加热器中，浸泡在熔融BeCl2中，装炉炉温为1100℃±10℃，保温温度为1100℃±10℃，保温时间为7-10min；
(4)挤压：将加热器和坯料从钡盐炉中一同取出至2.5MN冲床前方可取出坯料，进行挤压成型，挤压比为2.1，停锻温度不低于1000℃，模具预热温度为160℃，积压工作带前的转接圆角为R10；
(5)涂润滑剂：用静电喷涂线喷涂Qxylub-719润滑剂，预热温度为90℃，图层厚度为0.13mm；
(6)预锻加热：将涂完润滑剂的挤压件放置在GH3030板材焊制的特制装料盘上，将其放入电炉，装炉时炉温为1120℃±10℃，保温温度为1120℃±10℃，保温时间为30-60min；
(7)预锻：从电炉中取出挤压件至16MN曲柄压力机进行预锻，通过一次打击达到工艺规程要求尺寸，叶身变形量为35％，榫头变形量为20％，停锻温度不低于950℃；
(8)涂润滑剂：用静电喷涂线喷涂Qxylub-719润滑剂，预热温度为90℃，图层厚度为0.13mm；
(9)终锻加热：把涂完润滑剂的预锻件放置在GH3030板材焊制的特制装料盘上，将其放入电炉，装炉时炉温为1120℃±10℃，保温温度为1120℃±10℃，保温时间为20-50min；
(10)终锻：从电炉中取出预锻件至16MN曲柄压力机进行终锻，通过一次打击达到所需锻件尺寸工艺设计要求，叶身变形量为37％，榫头变形量为18％，停锻温度不低于950℃；
(11)热处理：按标准MAS7079进行热处理，空冷时采用风扇辅助；
(12)终检：按终检工序要求，检测锻造好的发动机叶片锻件尺寸，叶片锻件表面质量，叶片锻件截面透光度，以及其金相组织、力学性能；表面质量符合叶片锻件外形完整，表面无裂纹、折叠及压伤等缺陷的要求；叶身中部横向晶粒度为12.5级-13级，安装板中部横向晶粒度为12.5级-13级；符合标准要求。
Claims (4)
1.一种镍基高温合金航空发动机转子叶片热模锻工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)下料：选用合格的GH4720Li棒料，坯料尺寸根据所需零件尺寸要求下料，其长度公差控制在±0.5mm内，坯料一端圆角不小于R10，另一端不小于R2；
(2)光饰：将所下坯料放入震动光饰机中进行光饰，至表面粗糙度接近Ra1.6；
(3)挤压加热：将光饰后的坯料放置在高温合金卷制的加热器中，浸泡在钡盐炉的熔融盐液中，挤压加热炉温为1100℃±10℃，保温温度为1100℃±10℃，保温时间为5-10min；
(4)挤压：将加热器和坯料一同从钡盐炉中取出，再从加热器中取出坯料，进行一次挤压成型，达到所需工艺要求尺寸，停锻温度不低于1000℃；挤压比应小于3.5；挤压工作带前的转接圆角需不小于R8；模具温度不高于180℃；
(5)浸油吹砂：在机油中浸泡30-60min后吹砂，目视检查挤压件表面裂纹并将其打磨去除；
(6)涂润滑剂：将清理干净后挤压件放入烘箱中，按涂玻璃润滑剂工艺中加热要求加热至80-120℃后，在通风箱中喷涂润滑剂；其中，润滑剂的厚度需控制在0.1-0.15mm之间；
(7)预锻加热：把涂完润滑剂的挤压件放入炉温为1120℃±10℃的电炉中加热，挤压件在炉内的保温温度为1120℃±10℃，保温时间为30-60min；
(8)预锻：从电炉中取出挤压件至曲柄压力机进行预锻，为保持挤压件1120℃±10℃的温度，整个转运时间应小于5s，通过一次打击达到工艺规程要求尺寸及变形量，停锻温度不低于950℃，变形量介于15-45％之间；
(9)涂润滑剂：将预锻件放入烘箱中，按涂玻璃润滑剂工艺中加热要求加热至80-120℃，保温时间为30-60min，从烘箱中取出预锻件，在通风箱中喷涂润滑剂；其中，润滑剂的厚度需控制在0.1-0.15mm之间；
(10)终锻加热：把涂完润滑剂的预锻件放入炉温为1120℃±10℃的电炉中加热，预锻件在炉内的保温温度为1120℃±10℃，保温时间为20-50min；
(11)终锻：从电炉中取出预锻件至曲柄压力机进行终锻，通过一次打击达到所需锻件尺寸工艺设计要求及变形量，停锻温度不低于950℃，变形量介于15-45％之间；
(12)热处理：按标准MAS7079进行热处理，空冷时采用风扇辅助，加快冷却速度；
(13)终检：按终检工序要求，检测锻造好的发动机叶片锻件尺寸，叶片锻件表面质量，叶片锻件截面透光度，以及其金相组织、力学性能。
2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述步骤(3)中的钡盐为BaCl2。
3.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述步骤(6)(9)中的润滑剂为Qxylub-719润滑剂。
4.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述步骤(13)中的终检标准为：表面质量要求：叶片锻件外形完整，表面无裂纹、折叠及压伤等缺陷；金相组织要求：叶身中部及安装板中部横向晶粒度优于11级；力学性能要求：硬度≥38HRC；677℃、828MPa条件下拉断时间≥30h，断后伸长率≥2％；400℃、30min保温后抗拉强度≥1517MPa，屈服强度≥1103MPa，断后伸长率≥11％，断面收缩率≥11.5％；650℃、30min保温后抗拉强度≥1345MPa，屈服强度≥966MPa，断后伸长率≥11.5％，断面收缩率≥14％。
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