CN113369428A - 一种大尺寸TC17钛合金β锻整体叶盘锻件制备方法 - Google Patents

一种大尺寸TC17钛合金β锻整体叶盘锻件制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大尺寸TC17钛合金β锻整体叶盘锻件制备方法,包括:将TC17钛合金棒材按倍尺下料成棒坯;将棒坯普通模锻成预制毛坯;将预锻毛坯机加工成环形预制坯;通过梯度加热将预制坯梯度加热至相变点以上20℃~40℃,并控制恒应变速率为0.001s‑1~0.01s‑1将预制坯热模锻成整体叶盘锻件毛坯;快速风冷至室温后对整体叶盘锻件毛坯进行固溶+时效的热处理。本发明预锻和终锻分别采用普通模锻和热模锻,通过对β锻过程中预制坯的加热方式、模具和坯料润滑以及锻后冷却方式优化,获得充型良好的大尺寸TC17钛合金β锻整体叶盘锻件,且锻件各部位显微组织均匀、抗拉强度均能满足设计要求、强韧性匹配优异。

Description

一种大尺寸TC17钛合金β锻整体叶盘锻件制备方法
技术领域
本发明属于整体叶盘锻件热机械处理技术领域,具体涉及一种大尺寸TC17钛合金β锻整体叶盘锻件制备方法。
背景技术
TC17钛合金是一种使用温度为427℃的高强、高韧和高淬透性的富β相的两相钛合金,名义成分为Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Sn-2Zr。β锻造是指钛合金完全在β相变点以上进行的锻造,可得到网篮组织。β锻造的TC17合金锻件具有较高的抗拉强度、良好的断裂韧性和蠕变性能,被广泛用于制造航空发动机风扇和压气机盘件。
整体叶盘是为了满足高性能航空发动机而设计的新型结构件,其将发动机转子叶片和轮盘形成一体。国内大尺寸钛合金整体叶盘制备工艺的主要工序为:精密锻造+数控加工。但是精密锻造工艺中,存在毛坯尺寸超差,整体拉伸强度低且分散性大,整体叶盘结构自身的厚度起伏使锻件在生产时很难保证各个部位变形均匀的问题,另外,现有大尺寸钛合金整体叶盘锻件的模具寿命低。
对于大尺寸TC17钛合金整体叶盘模锻件(最大截面厚度≥160mm,锻件毛坯重量≥500Kg),当预制坯加热到相变点以上时,采用截面厚度经验系数计算保温时间会导致原始β晶粒长大,降低锻件力学性能。另外大截面厚度的锻件会导致心部不能完全淬透,其强度显著低于边部强度。因淬透性导致不能提升心部组织在时效热处理过程中析出次生α相含量的前提下,需加快锻后冷却速率,细化锻件心部组织中初生α片层厚度,以提升锻件心部强度。然而提升锻后冷却速率同时细化了边部组织的初生α片层,甚至形成一定厚度的冷模层,即初生α片层呈现短细状,严重降低锻件塑性指标。因此需对锻后简单风扇冷却的方式进行优化,改善其组织和性能。
中国专利“TC17两相钛合金盘形锻件的近等温锻造方法”(CN101804441A),提供了一种使用均匀细小的双态组织的坯料来实现TC17两相钛合金盘形锻件的近等温锻造方法,采用该锻造方法的盘型锻件经热处理后具有较为理想的网篮组织和高性能,适用于制造航空发动机的压气机盘和涡轮盘等锻件。但是整体叶盘类锻件制备相比与普通盘类锻件难度更高,在组织控制和性能调控方面需要进行进一步突破。
中国专利“一种航空发动机用TC17合金β锻轴颈锻件的锻造方法”(CN106694772B),公开了一种用等温挤压代替为闭式模锻挤压方式制备锻件方法,避免模具费用大、锻造周期长、制作成本高等缺点,能够生产出组织均匀、综合性能优的航空TC17合金β锻轴颈锻件。该方法生产锻件轮廓尺寸为Φ600×549mm,锻件重量仅为150Kg,锻件生产难点主要集中在提高锻件各部位变形量,后续固溶+时效热处理可对锻件进行较大幅度的性能调整。随着航空发动机对高推重比的要求,TC17合金风扇盘类锻件尺寸不断增大并逐步升级为整体叶盘锻件,以现有β锻造技术制备大尺寸TC17合金整体叶盘锻件抗拉强度不能满足设计要求(≥1120MPa)。
发明内容
鉴于现有技术的上述情况,本发明的目的是提供一种大尺寸TC17钛合金β锻整体叶盘锻件制备方法,降低坯料投料重量,得到充型良好的大尺寸TC17钛合金整体叶盘锻件,且心部强度满足设计要求(≥1120MPa),锻件各部位组织均匀,强韧性匹配优异。
本发明的上述目的是利用以下技术方案实现的:
一种大尺寸TC17钛合金β锻整体叶盘锻件制备方法,其特征在于包括如下步骤:
将TC17钛合金棒材按倍尺下料成棒坯;
将棒坯普通模锻成预制毛坯;
将预锻毛坯机加工成环形预制坯,(依据整体叶盘锻件形状在预制坯设计多处凹陷,提升定位精准度和变形量);
将预制坯热模锻成整体叶盘锻件毛坯,包括:
将预制坯梯度加热至相变点以上20℃~40℃,包括将预制坯加热到相变点以下30℃~50℃,并按预制坯有效截面厚度0.6~1.0min/mm计算第一梯度保温时间,然后快速升温至相变点以上20℃~40℃,待预制坯心部温度到达相变点以上10℃后,按预制坯有效截面厚度0.2~0.6min/mm计算第二梯度保温时间;采用梯度加热的方式可以有效抑制锻后晶粒粗大,β锻造是加热到相变点以上,传统方法中通常按预制坯有效截面厚度0.4~1.0min/mm计算保温时间,在大尺寸坯料的情况下,为了使心部热透,通常会按上限取值,一般大于0.8min/mm,这样会造成原始β晶粒粗大,性能降低,本发明中采用0.2~0.6min/mm计算第二梯度保温时间,可以抑制β晶粒增长,提升组织性能均匀性;
将预制坯转移至终锻下型腔模中;
控制恒应变速率为0.001s-1~0.01s-1,即上型腔模接触到预制坯后匀减速压制,预制坯变形量达到40%以上,压机达到位置控制点后,当前吨位下保压1~3min;
将整体叶盘锻件毛坯快速风冷至室温;
对整体叶盘锻件毛坯进行固溶+时效的热处理。
进一步地,将棒坯普通模锻成预锻毛坯,具体包括:
将棒坯预热至50℃~150℃后在其表面喷涂玻璃润滑剂2~3次;
将棒坯加热到相变点以下20℃~60℃,按棒坯有效截面厚度0.6~1.0min/mm计算保温时间;
预热预锻上下模至300℃~400℃,并将棒坯转至预锻型腔模内;
控制应变速率为0.002s-1~0.02s-1,使棒坯变形量达到40%~70%,得到预锻毛坯,将预制毛坯空冷至室温。
进一步地,将预锻毛坯机加工成环形预制坯具体包括:
依据整体叶盘锻件形状,将预锻毛坯加工成设置有多处凹陷的环形预制坯,所述多处凹陷提升定位精准度和变形量,并且可以减少棒坯下料重量。
进一步地,所述将预制坯热模锻成整体叶盘锻件毛坯还包括将终锻模具加热至相变点以下20℃~60℃并保温6h以上,当模具温度升至100℃~300℃时,对型腔内喷涂模具润滑剂1~3次。
进一步地,所述将预制坯梯度加热至相变点以上20℃~40℃还包括将预制坯预热至50℃~150℃后在其表面喷涂玻璃润滑剂2~3次。
进一步地,将预制坯转移至终锻下型腔模中;具体包括:
准备上下表面喷涂石墨粉的纤维布,其尺寸能覆盖预制坯上端和下型腔模;
预制坯出炉后迅速在预制坯与上模接触面和下型腔模分别覆盖喷涂石墨粉的纤维布,覆盖喷涂石墨粉的纤维布可提升充型效果,并且具有润滑效果,而通常锻造采用保温棉覆盖,仅起到防止粘膜的效果,无润滑效果。
进一步地,将整体叶盘锻件毛坯快速风冷至室温,具体包括:将整体叶盘锻件毛坯尽速转移至料架上,并用保温棉对轴和轮缘等凸出部位进行包覆后风冷至室温。用保温棉对轴和轮缘等凸出部位进行包覆,可适度降低轴和轮缘等凸出部位的冷却速率,抑制其表面形成短细状的α片层,提升锻件组织和性能的均匀性,扩大后续热处理工艺窗口。
进一步地,对整体叶盘锻件毛坯进行固溶+时效的热处理,具体包括:
进行790℃~820℃/4h,水冷(淬火转移时间低于45s)的固溶热处理;
进行610℃~630℃/8h,空冷的时效热处理。
本发明提供一种大尺寸TC17钛合金β锻整体叶盘锻件制备方法,预锻和终锻分别采用普通模锻和热模锻,通过对β锻过程中预制坯的加热方式、模具和坯料润滑以及锻后冷却方式优化,获得充型良好的大尺寸TC17钛合金β锻整体叶盘锻件,且锻件各部位显微组织均匀、抗拉强度均能满足设计要求(≥1120MPa)、强韧性匹配优异。
附图说明
图1是本发明的大尺寸TC17钛合金β锻整体叶盘锻件锻造流程图。
图2为整体叶盘锻件快速风冷示意图。
具体实施方式
为了更清楚地理解本发明的目的、技术方案及优点,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。
实施本发明所述的大尺寸TC17钛合金β锻整体叶盘锻件的制备方法需要提供棒坯、坯料加热炉、液压机、料架、机械手、热处理加热炉、水槽等设备。具体工艺步骤如下:1、将TC17钛合金棒材按倍尺下料成棒坯;2、将棒坯普通模锻成预锻毛坯;3、将预锻毛坯机加工成环形预制坯;4、将预制坯以梯度加热方式加热至相变点以上20℃~40℃;5、将预制坯热模锻成整体叶盘锻件毛坯;6、将整体叶盘锻件毛坯快速风冷至室温;7、对整体叶盘锻件毛坯进行固溶+时效的热处理。
实施例
棒坯:α+β型两相钛合金,例如:中国材料牌号为TC17的钛合金。
步骤1:采用HB 6623.2测得所用TC17钛合金棒材相变点温度为900℃。
步骤2:如图1所示将TC17钛合金Φ500mm棒材按倍尺(645mm)下料并加工成带定位孔的棒坯1,将棒坯1预热至50℃后在其表面喷涂Ti-5玻璃润滑剂,将棒坯1带定位孔端朝下加热至860℃,按棒坯1有效截面厚度0.6min/mm计算保温时间。
步骤3:预热预锻上下型腔模2至350℃,向模具2型腔喷涂润滑剂,将步骤2加热的棒坯1转至预锻下型腔模内并快速完成定位,棒坯上端面铺盖保温棉,以上型腔模6mm/s~8mm/s的压下速度对棒坯进行压制,使棒坯1变形量达到40%~70%,从模具2中取出预锻毛坯,并分散空冷至室温。
步骤4:将步骤3中的预制毛坯机加工成如图1所示的预制坯3,如图所示,针对锻件形状,在预制坯下端设置3段凹陷,包括左下侧的斜面以及下部中间的两个凹陷,这3段凹陷的设置可以使锻件精准定位且大幅提升轮缘处变形量,上端环形开口(即,图中左上侧的斜面)达到210mm,提升轴位置变形量。另外,本领域技术人员可根据不同的锻件形状,在预制坯上设置相应凹陷等,提升定位精准度和变形量,这在本领域技术人员的能力范围之内。
步骤5:将步骤4中的预制坯3预热至50℃后在其表面喷涂Ti-5玻璃润滑剂,装炉前在预制坯心部和边部分别搭上一只测温热电偶。
步骤6:将终锻模具4梯度加热至870℃并保温6h以上,当模具4温度升至100℃时,对型腔内喷涂模具润滑剂2次。
步骤7:先将步骤5中的预制坯加热至860℃,按预制坯有效截面厚度0.6min/mm计算保温时间,然后将炉温尽速升至930℃,待心部热电偶温度到达910℃后,按预制坯有效截面厚度0.3min/mm计算保温时间。
步骤8:准备上下表面喷涂石墨粉的纤维布,其尺寸能覆盖预制坯上端和下型腔模,将步骤7中的预制坯出炉,迅速在预制坯与上型腔模接触面和下型腔模各覆盖一张石墨粉的纤维布,将预制坯转至终锻下型腔模中并迅速完成定位,控制上型腔模匀减速(1.8mm/s~0.1mm/s)压制,达到位置控制点后,当前吨位下保压2min,得到整体叶盘锻件毛坯5。
步骤9:准备剪裁好的保温棉若干和如图2所示的料架,打开风扇,将步骤8中的锻件毛坯5尽速转移至料架上,用保温棉对轴和轮缘等凸出部位进行包覆,直至冷却到室温。适度降低轴和轮缘等凸出部位的冷却速率,抑制其表面形成短细状的α片层,提升锻件组织和性能的均匀性,扩大后续热处理工艺窗口。
步骤10:对步骤9中的整体叶盘锻件毛坯进行固溶+时效热处理:805℃/4h,水冷(淬火转移时间为35s)+620℃/8h,空冷,固溶和时效热处理炉均符合GJB509B中Ⅱ类加热炉的要求。
采取上述制备方法得到的大尺寸TC17钛合金整体叶盘锻件,其轮廓尺寸约为Φ1020×330mm,锻件重量约为580Kg,最大截面尺寸约为170mm。
本发明采用的热模锻可以精确控制锻件尺寸,锻件机加工余料小,减少投料重量;配合坯料和模具的润滑可降低合金流变应力,提升锻件充型效果和模具寿命;可使坯料变形温度均匀,消除锻件冷模层,锻件组织性能均匀。另外整体叶盘结构自身的厚度起伏使锻件在生产时很难保证各个部位变形均匀,因此采用预锻+终锻的组合并设计复杂形状的环形预制坯可以满足终锻各部位变形量达到50%以上。

Claims (8)

1.一种大尺寸TC17钛合金β锻整体叶盘锻件制备方法,其特征在于包括如下步骤:
将TC17钛合金棒材按倍尺下料成棒坯;
将棒坯普通模锻成预制毛坯;
将预锻毛坯机加工成环形预制坯;
将预制坯热模锻成整体叶盘锻件毛坯,包括:
将预制坯梯度加热至相变点以上20℃~40℃,包括将预制坯加热到相变点以下30℃~50℃,并按预制坯有效截面厚度0.6~1.0min/mm计算第一梯度保温时间,然后快速升温至相变点以上20℃~40℃,待预制坯心部温度到达相变点以上10℃后,按预制坯有效截面厚度0.2~0.6min/mm计算第二梯度保温时间;
将预制坯转移至终锻下型腔模中;
控制恒应变速率为0.001s-1~0.01s-1,预制坯变形量达到40%以上,压机达到位置控制点后,当前吨位下保压1~3min;
将整体叶盘锻件毛坯快速风冷至室温;
对整体叶盘锻件毛坯进行固溶+时效的热处理。
2.按照权利要求1所述的方法,其中将棒坯普通模锻成预锻毛坯包括:
将棒坯预热至50℃~150℃后在其表面喷涂玻璃润滑剂2~3次;
将棒坯加热到相变点以下20℃~60℃,并按棒坯有效截面厚度0.6~1.0min/mm计算保温时间;
预热预锻上下模至300℃~400℃,并将棒坯转至预锻型腔模内;
控制应变速率为0.002s-1~0.02s-1,使棒坯变形量达到40%~70%,得到预锻毛坯,将预制毛坯空冷至室温。
3.按照权利要求1所述的方法,其中将预锻毛坯机加工成环形预制坯包括:
依据整体叶盘锻件形状,将预锻毛坯加工成设置有多处凹陷的环形预制坯。
4.按照权利要求1所述的方法,其中所述将预制坯热模锻成整体叶盘锻件毛坯还包括将终锻模具加热至相变点以下20℃~60℃并保温6h以上,当模具温度升至100℃~300℃时,对型腔内喷涂模具润滑剂1~3次。
5.按照权利要求1所述的方法,其中所述将预制坯梯度加热至相变点以上20℃~40℃还包括将预制坯预热至50℃~150℃后在其表面喷涂玻璃润滑剂2~3次。
6.按照权利要求1所述的方法,其中将预制坯转移至终锻下型腔模中包括:
预制坯出炉后迅速在预制坯与上模接触面和下型腔模分别覆盖喷涂石墨粉的纤维布。
7.按照权利要求1所述的方法,其中将整体叶盘锻件毛坯快速风冷至室温包括将整体叶盘锻件毛坯尽速转移至料架上,并用保温棉包覆整体叶盘锻件毛坯的凸出部位后风冷至室温。
8.按照权利要求1所述的方法,其中所述固溶+时效的热处理包括:
790℃~820℃/4h,水冷的固溶热处理;和
610℃~630℃/8h,空冷的时效热处理。
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