CN112342368A - 一种转动法降低变形高温合金盘件残余应力的工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于航空发动机用变形高温合金盘件制造技术领域。提出了一种转动法降低变形高温合金盘件残余应力的工艺方法；本发明设计了梯度高速转动加载降低残余应力的参数；结合变形高温合金盘件材料的高温下的屈服强度值和盘件高转速下的离心应力，设计了盘件高温下的转动速度范围，在降低盘件表面和内部应力的同时，平衡和优化了盘件内应力分布，有助于降低盘件变形。经过本发明高速转动去应力后的变形高温合金盘件残余应力明显降低，零件应力分布状态得到显著改善，尺寸精度保持性好，简化了去应力热处理工序，提高了效率，降低了生产成本，有效提高航空发动机的安全性及可靠性，具有巨大的经济效益和社会效益。

Description

一种转动法降低变形高温合金盘件残余应力的工艺方法
技术领域
本发明属于航空发动机用变形高温合金盘件制造技术领域。提出了一种转动法降低变形高温合金盘件残余应力的工艺方法。
背景技术
随着航空发动机技术的进步，为了提高燃气效率和使用可靠性，对盘类零件的尺寸精度要求也越来越高。例如，变形高温合金盘件的尺寸精度偏差要求达到百分之一毫米，而残余应力是导致航空用变形高温合金盘件尺寸变形超差的主要因素之一。因此，降低航空发动机用变形高温合金盘件的残余应力，减小尺寸变形，对保障航空发动机的服役可靠性具有重要意义。
残余应力(又称为内应力、残留应力)是指附加应力、温度、载荷等外部因素去除后，金属制件内部存在的一种保持自相平衡的力。残余应力形成的根本原因是微观尺度上异种原子或同种原子不同排列方式造成的金属成分或结构不均匀导致的原子间相互作用力的改变在宏观尺度上的表观显现。残余应力会改变金属制件使用过程中的应力状态，对零部件的服役寿命与使用安全有重要影响。变形高温合金盘锻件的残余应力来源主要包括两类，一类是内部应力，是指高温合金盘坯在锻造和热加工过程中产生的应力，包括不均匀变形、温度场不均匀，以及热处理过程中的组织转变和相析出等；另一类是机加工应力，该类应力主要包括切削力、夹紧力、惯性力和重力等，主要存在与零部件的表层。在以上应力综合作用下，导致高温合金零件产生变形。但是高温合金零件无论经过热加工或冷加工都会在内部产生残余应力，使制件处于一种高位错密度和能量富集的不稳定状态，在能量释放过程同时导致零部件尺寸变形。
用于航空发动机的变形高温合金盘件经过熔炼、锻造、热处理、切削、研磨、喷丸、装配等加工后，均会产生残余应力。残余应力与材料中局部区域存在的残余弹性应变相关，是材料弹性各向异性或塑性各向异性的反应，对航空发动机变形高温合金盘件的尺寸稳定性、疲劳强度、应力断裂、抗腐蚀性等均有一定影响。尺寸变形是指盘件在加工、使用或存放过程中自发改变形状而造成的不可逆变形的现象，研究表明，当合金热处理后，具有比较稳定的组织结构时，零件的尺寸稳定性主要与残余应力释放或松弛有关。据报道，工程领域中由于残余应力直接影响或间接导致的机械零件失效达50％，因此残余应力的控制成为工程界越来越关注的一个技术问题。统计分析检测结果认为，在加工过程中将残余应力控制在材料屈服强度的15％以内，能够防止金属构件出现变形或开裂。
目前，降低金属制件残余应力的方法包括时效法、机械法、爆炸法、超声冲击法等，其中，时效法中又包括自然时效、去应力退火、振动时效三种；机械法中包括锤击、过载处理等方法。对变形高温合金而言，自然时效降低残余应力对工件尺寸稳定性较好，但是效率较慢，周期长，占用场地大，影响生产进度；振动时效是在周期性外力作用下，使工件自身产生共振，进而使其内部产生位错滑移而恢复受力平衡，释放内部残余应力，保持零件的尺寸稳定性。机械法中的锤击法主要针对焊缝接头部位的应力去除，是指使用锤头击打焊缝及其周围区域，用高速粒子直接冲击工件表面的处理方法，但是锤击的操作是建立在经验基础上，缺乏科学的度量依据，而且质量控制程度较低，影响了推广应用。过载处理通过明显改善或降低材料的力学性能来降低残余应力，比较适合于压力容器。本发明提出的高速转动法不同于过载处理，转动的离心力没达到变形高温合金材料的屈服点，同时在高速转动过程中施加温度载荷。此外，采用的设备为航空发动机盘件考核试验常用的立式轮盘旋转试验器，试验器采用机械连接装置带动盘件的高速旋转，内壁装有加温电阻丝，能够对盘锻件进行加热，转动加载去应力过程中温度数据通过电偶进行采集，由状态监测系统进行记录。变形高温合金盘件属于中心对称零件，转动法非常适合通过施加温度载荷、离心载荷降低盘件内残余应力，当转动应力载荷接近材料的屈服点时，盘件残余应力值降低，并且应力分布更加合理。
目前，国内没有采用高速转动施加载荷方法降低变形高温合金盘锻件内部残余应力的公开文献报道。此外，检索到的与航空发动机用变形高温合金盘件残余应力控制的专利很少。相关专利包括：一种航空发动机构件表面残余应力电磁场调控方法(专利号：CN201710418215.9)该专利主要是在常温下对新制空发动机构件进行电磁场调控处理，取消了传统喷丸工艺，利用电磁场调控构件材料表层及近表层残余应力分布。此外，发明专利：一种高变形抗力高温合金挡板类零件应力消除方法(专利号：CN104388850A)是通过选择与高变形抗力高温合金挡板类零件线性膨胀系数匹配的工装夹具，将挡板类零件装入夹具中，然后加热，冷却至室温后得到残余应力降低的零件。结合万方软件、Incopat专利检索软件没有查阅到与本发明创新点和内容重复的专利或文章。本发明具有较强的创新性和实用性。
发明内容
针对航空发动机用变形高温合金盘件残余应力高、机加工尺寸超差、服役期间变形量大等问题，本发明提出了一种通过高速转动施加载荷降低变形高温合金盘件残余应力的工艺方法，有助于提高航空发动机用变形高温合金盘件的使用安全性和可靠性。主要发明内容和加工过程如下：
一种转动法降低变形高温合金盘件残余应力的工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、变形高温合金盘件热处理，提高高温合金盘件强度；
步骤2、粗加工去除氧化皮；
步骤3、超声检验；对变形高温合金盘件进行水浸超声无损检测，检查内部冶金缺陷；
步骤4、盘件装配；把变形高温合金盘件装配到立式轮盘旋转试验器内，阶梯升温加热；
步骤5、梯度高速转动加载；启动轮盘旋转试验器，使变形高温合金盘件高速旋转，转动速度范围为2500～3000r/min，在高温下保持转速10～15min；进一步提高转速，达到转动速度范围为3500～4000r/min，在高温下保持转速15～20min；
步骤6、梯次减速；按照300～500r/min依次减速，从工作转速降低到0r/min；冷却降温，断开旋转试验器加热的电源，自然冷却；
步骤7、把高速旋转去应力后的变形高温合金盘件从试验器中取出。
所述步骤3和4之间增加动平衡调整；通过动平衡机利用减重方式，调整盘件平衡度，精度要求低于10克；
所述步骤1变形高温合金盘件的牌号为GH4169。
所述步骤2盘件表面粗糙度达到Ra1.6μm，粗加工后盘件尺寸单边余量3～5mm。
所述步骤3水浸超声检查灵敏度为φ0.4mm平底孔。
所述步骤3内部冶金缺陷为疏松、孔洞、裂纹、大尺寸夹杂物。
所述步骤4阶梯升温加热采用5～10℃/min的升温速率，从室温升温到100℃～300℃，保温1～1.5h。
所述步骤7之后，对去应力后的盘件进行外径尺寸及残余应力X射线检测。
本发明的优点和效果：
本发明针对航空发动机用变形高温合金盘件目前存在的残余应力高、尺寸变形超差，影响使用可靠性的问题，发明了一种通过高速转动降低变形高温合金盘件残余应力的工艺方法。本发明的创新点包括：①设计一种通过高速旋转降低盘件内部残余应力的工艺方法。与传统的去应力退火、自然时效等降低盘件残余应力的方法不同，该工艺效率高，能源消耗少，无环境污染，降低盘件残余应力效果明显；②设计了梯度高速转动加载降低残余应力的参数。结合变形高温合金盘件材料的高温下的屈服强度值统计和盘件高转速下的离心应力计算，创新性的设计了盘件高温下的转动速度范围，在降低盘件表面和内部应力的同时，平衡和优化了盘件内应力分布，有助于降低盘件变形。经过本发明高速转动去应力后的变形高温合金盘件残余应力明显降低，零件应力分布状态得到显著改善，尺寸精度保持性好，简化了去应力热处理工序，提高了效率，降低了生产成本，有效提高航空发动机的安全性及可靠性，具有巨大的经济效益和社会效益。
具体实施方式
本发明的具体实施方案为：
(1)变形高温合金盘件热处理。锻造完成后的变形高温合金盘件按照合金牌号的标准热处理工艺进行热处理；
(2)粗加工。根据图纸和相关要求粗加工热处理完成后的盘锻件，去除氧化皮。盘件表面粗糙度达到Ra1.6μm，粗加工后盘件尺寸单边余量3～5mm；
(3)超声检验。参照相关标准或规范规定的检测灵敏度，对变形高温合金盘件进行水浸超声无损检测。保证盘件内部无疏松、孔洞、裂纹、大尺寸夹杂物等冶金缺陷；
(4)动平衡调整；通过动平衡机利用减重方式，调整盘件平衡度，精度要求低于10克；
(5)盘件装配。把变形高温合金盘件装配到立式轮盘旋转试验器内；
(6)阶梯升温加热。接通电源，旋转试验器升温，加热变形高温合金盘件。采用5～10℃/min的升温速率，从室温升温到100℃～300℃，保温1～1.5h；
(7)梯度高速转动加载。启动轮盘旋转试验器，使变形高温合金盘件高速旋转。转动速度范围为2500～3000r/min，在高温下保持转速10～15min；进一步提高转速，达到转动速度范围为3500～4000r/min，在高温下保持转速15～20min；
(8)梯次减速。按照300～500r/min依次减速，从工作转速降低到0r/min；
(9)降温冷却。旋转试验器断开用于加热的电源，自然冷却；
(10)取出盘件。把高速旋转去应力后的变形高温合金盘件取出试验器。
(11)对去应力后的盘件进行外径尺寸及残余应力X射线检测。
实施例
实施例1：
锻造完成后的变形高温合金GH4169盘件按照合金的标准热处理工艺进行热处理；根据图纸和相关要求粗加工热处理完成后的盘锻件，去除氧化皮。盘件表面粗糙度达到Ra1.6μm，粗加工后盘件尺寸单边余量3mm；参照相关标准或规范规定的检测灵敏度，对变形高温合金盘件进行水浸超声无损检测。检查内部冶金缺陷，保证盘件内部无疏松、孔洞、裂纹、大尺寸夹杂物等冶金缺陷；动平衡调整；通过动平衡机利用减重方式，调整盘件平衡度，精度达到5克；加工GH4169合金工装，用于装配变形高温合金盘件与轮盘旋转试验器；把变形高温合金盘件装配到立式轮盘旋转试验器内；接通电源，旋转试验器升温，加热变形高温合金盘件。采用6℃/min的升温速率，从室温升温到300℃，保温1h；启动轮盘旋转试验器，使变形高温合金盘件高速旋转。转动速度范围为2600转/分钟，在高温下保持时间为11min；进一步提高转速，达到转动速度范围为3600r/min，在高温下保持转速15分钟；按照300转/分钟依次减速，从工作转速降低到0转/分钟；旋转试验器断开用于加热的电源，自然冷却；把高速旋转去应力后的变形高温合金盘件取出试验器。经X射线衍射方法检测GH4169合金盘件表面残余应力，应力值小于180MPa。
实施例2：
锻造完成后的变形高温合金GH4169盘件按照标准热处理工艺热处理；根据图纸要求粗加工热处理完成后的盘锻件，去除氧化皮。盘件表面粗糙度达到Ra1.6μm，粗加工后盘件尺寸单边余量5mm；参照相关标准或规范规定的检测灵敏度，对变形高温合金盘件进行水浸超声无损检测。检查内部冶金缺陷，保证盘件内部无明显的冶金缺陷；通过动平衡机利用减重方式，调整盘件平衡度，精度达到8克；加工GH4169合金工装，用于装配变形高温合金盘件与轮盘旋转试验器；把变形高温合金盘件装配到立式轮盘旋转试验器内；接通电源，旋转试验器升温，加热变形高温合金盘件。采用10℃/min的升温速率，从室温升温到100℃，保温1.5h；启动轮盘旋转试验器，使变形高温合金盘件高速旋转。转动速度范围为3000转/分钟，在高温下保持转速15分钟；进一步提高转速，达到转动速度范围为4000转/分钟，在高温下保持20分钟；按照500转/分钟依次减速，从工作转速降低到0转/分钟；旋转试验器断开用于加热的电源，自然冷却；把高速旋转去应力后的变形高温合金盘件取出试验器。经X射线衍射方法检测GH4169盘件表面残余应力，应力值小于200MPa。

Claims (8)

1.一种转动法降低变形高温合金盘件残余应力的工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、变形高温合金盘件热处理，提高高温合金盘件强度；
步骤2、粗加工去除氧化皮；
步骤3、超声检验；对变形高温合金盘件进行水浸超声无损检测，检查内部冶金缺陷；
步骤4、盘件装配；把变形高温合金盘件装配到立式轮盘旋转试验器内，阶梯升温加热；
步骤5、梯度高速转动加载；启动轮盘旋转试验器，使变形高温合金盘件高速旋转，转动速度范围为2500～3000r/min，在高温下保持转速10～15min；进一步提高转速，达到转动速度范围为3500～4000r/min，在高温下保持转速15～20min；
步骤6、梯次减速；按照300～500r/min依次减速，从工作转速降低到0r/min；冷却降温，断开旋转试验器加热的电源，自然冷却；
步骤7、把高速旋转去应力后的变形高温合金盘件从试验器中取出。
2.如权利要求1所述的转动法降低变形高温合金盘件残余应力的工艺方法，其特征在于，所述步骤3和4之间增加动平衡调整；通过动平衡机利用减重方式，调整盘件平衡度，精度要求低于10克。
3.如权利要求1所述的转动法降低变形高温合金盘件残余应力的工艺方法，其特征在于，所述步骤1变形高温合金盘件的牌号为GH4169。
4.如权利要求1所述的转动法降低变形高温合金盘件残余应力的工艺方法，其特征在于，所述步骤2盘件表面粗糙度达到Ra1.6μm，粗加工后盘件尺寸单边余量3～5mm。
5.如权利要求1所述的转动法降低变形高温合金盘件残余应力的工艺方法，其特征在于，所述步骤3水浸超声检查灵敏度为φ0.4mm平底孔。
6.如权利要求1所述的转动法降低变形高温合金盘件残余应力的工艺方法，其特征在于，所述步骤3内部冶金缺陷为疏松、孔洞、裂纹、大尺寸夹杂物。
7.如权利要求1所述的转动法降低变形高温合金盘件残余应力的工艺方法，其特征在于，所述步骤4阶梯升温加热采用5～10℃/min的升温速率，从室温升温到100℃～300℃，保温1～1.5h。
8.如权利要求1所述的转动法降低变形高温合金盘件残余应力的工艺方法，其特征在于，所述步骤7之后，对去应力后的盘件进行外径尺寸及残余应力X射线检测。
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