CN114214497B - 航空发动机用整体式钛合金连杆局部热处理工艺及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了航空发动机用整体式钛合金连杆局部热处理工艺及装置，其特征在于，包括装炉、盐浴加热、保温、冷却、清洗、掉头、检验的步骤；该装置包括：设置在盐浴炉料盘阵列上的料筒、定料夹具、盐浴炉，在进行热处理工作时，将钛合金连杆一端的缩口段根据其形状尺寸大小相匹配插入所述料筒中，并用所述定料夹具将钛合金连杆垂直固定后，将盐浴炉料盘阵列整体吊装装入盐浴炉中，确保下端缩口段的长度部分插入盐浴中。本发明解决了用传统的整体热处理方式易产生的严重形变问题；实现了对直径不同的航空发动机用连杆类零件成套同批热处理，产品成品率和质量一致性良好，成本显著降低。
Description
技术领域
本发明属于钛材料热处理技术领域，涉及航空发动机用钛合金锻件的热处理，具体涉及一种航空发动机用整体式钛合金连杆局部热处理工艺及装置。
背景技术
钛合金材料属于难加工材料，加工成型困难一直是制约其广泛应用的重要因素，而钛合金连杆类零件的加工成型则更难。如航空航天用钛合金连杆(以下简称“钛合金连杆)在钛锭熔炼、管坯制作、锻造、热处理和机加工等环节工艺复杂。航空航天用钛合金连杆具有管壁薄、力学强度高、组织和强度均匀性要求严苛，尺寸精度要求高等特点。钛合金连杆主要应用在航空航天装备中，特别是在航空发动机技术领域，包括用来支撑或固定飞机发动机的各种钛合金连杆、起落架等等。钛合金连杆的各种技术性能指标，特别是两端的缩口段的优劣直接关乎所装备的机型安危。
对金属类零部件在热锻成型后，会产生形变和内应力变化，需要采用真空炉或传统盐浴炉等传统的退火处理工艺进行整体热处理。但这种方式是对零件在炉内进行整体热处理，对于特殊环境使用的零部件需要局部热处理的钛合金连杆类零件就不适用。例如，航空发动机用连杆类零部件不是整体零件而是只需要在缩口段局部热锻成型后，进行热退火处理时就不能使用该工艺。
航空发动机专用的钛合金连杆往往是成套成批使用的，但是制造时由于钛合金连杆有着尺寸长度、管壁薄、两端端部锻造缩口段轴向部分成型后加工余量小、承载强度高(包括拉伸或受压)、尺寸精度(包括同轴度、直线度、光洁度)要求高的特点，导致连杆在加工过程中存在的变形和内应力，很难或者是无法消除或校直的问题。目前，该技术问题还未发现特别有效的处理方法，往往会导致连杆在使用时存在安全隐患，无法满足航空发动机的可靠使用和航空飞行安全。
发明内容
为了解决克服上述连杆应力变形问题，本发明根据钛合金连杆的成型工艺，拟采用中性盐浴对钛合金连杆端部的缩口锻压成型段做局部退火热处理，以避免采用对连杆整体热处理方式产生的严重形变问题，本发明的具体技术方案是：
一、航空发动机用整体式钛合金连杆局部热处理工艺，其特征在于，包括装炉、盐浴加热、保温、冷却、清洗、掉头、检验的步骤，具体为：
步骤1：装炉，钛合金连杆(7)的左、右缩口段在热锻完成后，根据其形状尺寸设计相匹配的盐浴炉料盘阵列(3)，将钛合金连杆(7)适配地插入盐浴炉料盘阵列(3)的不同直径的料筒中，并用定料夹具将钛合金连杆(7)垂直固定后，将所述盐浴炉料盘阵列(3)吊装装入盐浴炉(8)，确保缩口段的长度部分(L)侵入盐浴中；
步骤2：盐浴加热，配制中性盐，质量百分比为50％KCl﹕30％CaCl2﹕20％NaCl，盐浴炉(8)可采用电加热或燃料加热，逐渐加热至560～880℃±15℃形成熔融盐；
步骤3：保温，根据钛合金连杆(7)缩口段的壁厚度对应的保温时间参数为：
缩口段壁厚度≤3mm，保温时间15～25min；
缩口段壁厚度3～25mm，保温时间25～65min；
缩口段壁厚度＞25mm，保温时间≥75min，在此基础上缩口段壁厚度每增加5mm，保温时间至少增加10min；直到成套或同批钛合金连杆(7)处理完毕；
步骤4：冷却，停止加热，随炉冷却至100℃以下出炉空冷，转入清洗；
步骤5：清洗，对盐浴去应力退火处理后的钛合金连杆(7)进行吹砂、酸洗或机加去除表层粘接物或腐蚀污物层；
步骤6：掉头，对钛合金连杆(7)的另一端也进行盐浴退火处理，重复步骤1～步骤5；
步骤7：检验，对钛合金连杆(7)的每一端的缩口段的退火区域进行检验，若不合格，再次热锻后重复步骤1～步骤6，直至合格入库。
优选的，以α+β型的钛合金牌号TI-6AL-4V为例，壁厚为23mm加热温度为480～650℃，保温时间为60～65min。
二、本发明还提出了用于航空发动机用整体式钛合金连杆局部热处理装置，其特征在于，包括：
盐浴炉料盘阵列(3)，其外形为柱体，内部为空腔体，在其上、下表面内设置有多个对称的通孔，设置的多个料筒适配地垂直穿插过所述通孔，所述通孔用来固定钛合金连杆(7)，所述料筒为多个不同直径的管状筒体，并呈阵列式布局设置；所述料筒包括粗料筒(1)和细料筒(2)；所述料筒的外壁与所述通孔的内壁焊接固定或铆接固定，所述通孔的轴线与所述料筒的轴线重合；插入固定后的所述钛合金连杆(7)的轴线与所述料筒的轴线重合；所述料筒的高度为所述钛合金连杆(7)长度的1/5～1/3；
定料夹具，所述定料夹具包括粗定料夹具(4)和细定料夹具(5)分别通过顶丝(6)将钛合金连杆(7)固定在所述粗料筒(1)或细料筒(2)上；
盐浴炉(8)，其外形为柱体与所述盐浴炉料盘阵列(3)匹配，从外向内依次设置有保温加热隔层(M)、盐浴炉内胆(N)和盐浴熔池(11)，所述保温加热隔层的外壳(9)与所述盐浴炉内胆的外壳(10)平行设置。
进一步的，所述盐浴炉料盘阵列(3)的外形为方柱体、椭圆体或圆柱体。
进一步的，所述料筒，包括粗料筒(1)、细料筒(2)。
本发明在在进行热处理工作时，把所述钛合金连杆的一端的缩口段根据其形状尺寸大小相匹配分别插入所述料筒中，并用所述定料夹具将钛合金连杆垂直固定后，将盐浴炉料盘阵列整体吊装装入盐浴炉中，并确保下端缩口段的长度部分插入盐浴中。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明采用中性盐盐浴对钛合金连杆退火处理，克服了传统盐浴退火难以实现对钛合金零件进行热处理的难题。
2、采用盐浴退火工艺，对钛合金连杆进行局部退火处理，解决了真空退火和传统盐浴退火过程中易导致钛合金连杆严重变形的问题，生产出能够满足要求的航空发动机专用钛合金连杆。
3、本发明采用中性盐浴对钛合金连杆进行局部退火，避免了真空退火和传统空气炉退火对钛合金连杆进行整体加热退火的工艺，大大简化了退火工艺、有效降低了能耗、明显提高了工作效率。
4、采用了阵列式盐浴炉料盘设计方案，实现了对成套产品航空发动机用钛合金连杆类零件进行阵列式批处理，这种盐浴热处理效果质量一致性好，效率高，经济性好。
5、采用不同直径的阵列式料筒设计方案，适合不同直径的钛合金连杆类零件匹配垂直插入粗料筒或细料筒，实现了对直径不同的航空发动机用连杆类零件成套同批热处理。
6、将盐浴炉料盘阵列整体吊装装入盐浴炉中，并确保下端缩口变形段的长度部分“垂直”方式插入盐浴中，能有效消除内应力，保证尺寸精度(包括同轴度、直线度)，避免线性变形。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明盐浴炉料盘的俯视示意图；
图2为本发明图1中A-A剖视图；
图3为本发明的盐浴炉料盘立体示意图；
图4为本发明炉料盘安装的俯视图；
图5为本发明为图4的B-B方向的剖视图；
图6为本发明图4的C区域的局部放大视图；
图7为本发明的钛合金连杆装入盐浴炉料盘的安装示意图；
图8为本发明的钛合金连杆装入盐浴炉料盘的俯视示意图；
图9为本发明图8的D-D方向的剖视图；
图10为本发明的钛合金连杆的轴向剖视图；
图中，1--粗料筒、2--细料筒、3--装料盘阵列、4—粗定料夹具、5—细定料夹具、6--顶丝、7--钛合金连杆、8--盐浴炉、9--保温加热隔层的外壳、10--盐浴炉内胆的外壳、11--盐浴熔池、L--缩口段、M—隔热层、N—盐浴炉内胆。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细陈述本发明的实施例。
如图1～10所示，为一种航空发动机用整体式钛合金连杆局部热处理工艺及装置。
其中，航空发动机用整体式钛合金连杆局部热处理工艺，其包括装炉、盐浴加热、保温、冷却、清洗、掉头、检验的步骤，具体为：
步骤1：装炉，钛合金连杆7的两个缩口端部在热锻完成后，根据其形状尺寸设计相匹配的盐浴炉料盘阵列3，将钛合金连杆7分别插入盐浴炉料盘阵列3的粗料筒1或细料筒2中，并用定料夹具5将钛合金连杆7垂直固定后，整体吊装装入盐浴炉8并确保缩口端部部分的长度L插入盐浴中，保证所述缩口端部完全浸入盐浴，但非变形区域浸入盐浴不宜。
步骤2：盐浴加热，采用中性盐浴，盐浴成分质量配比为50％KCl+30％CaCl2+20％NaCl，盐浴炉8可根据条件采用电加热或燃料加热，逐渐加热至560～880℃±15℃形成熔融盐；盐浴成分配比及使用温度范围见下表1。
盐浴炉上部配备通风装置保持外部环境温度稳定，盐浴时在工作温度范围内熔融盐应保持清澈、流动性好、蒸发量少、工件上的残盐少且易清洗；
特别注意，盐浴应不明显氧化、腐蚀工件，盐浴应及时排查，并根据使用情况及时添加新盐或者全部更换。
表1盐浴成分配比及使用温度范围
| 盐浴种类 | 盐浴成分质量配比 | 熔化温度(℃) | 使用温度(℃) |
| 中性盐浴 | 50％KCl+30％CaCl2+20％NaCl | 530 | 560-880 |
步骤3：保温，根据需要热处理的钛合金连杆7的牌号和壁厚，合理设计去应力盐浴退火参数，本实施例以α+β型的钛合金牌号TI-6AL-4V为例，壁厚为23mm加热温度为480～650℃，保温时间为60～65min，按表2执行，对于缩口段壁厚度与保温时间的对应关系按表3执行。
表2钛合金连杆7的缩口段去应力退火参数
| 合金类型 | 钛合金牌号 | 加热温度(℃) | 保温时间(min) |
| α+β | TI-6AL-4V | 480～650 | 60～65 |
钛合金连杆7的缩口段壁厚度与保温时间关系具体为：
钛合金连杆7的缩口段壁厚度≤3mm，保温时间15～25min；
钛合金连杆7的缩口段壁厚度3～25mm，保温时间25～65min；
钛合金连杆7的缩口段壁厚度在25mm以上的，保温时间75min以上，之后缩口段壁厚度每增加5mm最少增加10min，直到成套或同批处理完毕。
步骤4：冷却，停止加热，随炉冷却至100℃以下出炉空冷，转入清洗。
步骤5：清洗，对盐浴去应力退火处理后的钛合金连杆7进行吹砂、酸洗或机加去除表层粘接物或腐蚀污物层。
步骤6：掉头，对钛合金连杆7另一端也进行盐浴退火处理，重复步骤1～步骤5。
表3钛合金连杆7的缩口段壁厚度与保温时间对应关系
步骤7：检验，对钛合金连杆7的每一端的缩口端部的退火区域进行检验，若不合格，再次热锻后重复步骤1～步骤6，直至合格入库。
本发明还提出了一种用于航空发动机用整体式钛合金连杆局部热处理装置，其包括盐浴炉料盘阵列3，其外形为柱体，该柱体外形可以采用中空的方柱体也可以采用中空的圆柱体。本实施例其外形为采用方柱体，其内部为空腔体结构；在上下表面上设置有垂直穿插过上下表面的通孔用来固定钛合金连杆7的料筒，所述料筒包括多个粗料筒1和细料筒2，呈间隔式阵列设置用来装填钛合金连杆7；所述料筒的直径大小以及不同的直径的数量设置要以满足飞机发动机成套或成批所需要数量和质量设定；所述料筒的高度以能够保证所述钛合金连杆7牢靠垂直固定即可，本实施例为所述钛合金连杆7长度的1/5-1/3。
所述定料夹具，所述定料夹具包括粗定料夹具4和细定料夹具5通过顶丝6将钛合金连杆7固定在所述料筒中；所述盐浴炉8，与所述盐浴炉料盘阵列3匹配，从外向内依次设置有保温加热隔层M、盐浴炉内胆N和盐浴熔池11，所述保温加热隔层的外壳9与所述盐浴炉内胆的外壳10平行设置制造安装。所述料筒的外壁与所述通孔的内壁焊接固定或铆接固定，所述钛合金连杆7的轴线与所述料筒的轴线重合。
本发明在装炉进行热处理工作时，把所述钛合金连杆7的一端的缩口段根据其形状尺寸大小相匹配分别插入所述料筒中，并用所述定料夹具5将钛合金连杆7垂直固定后，将盐浴炉料盘阵列3整体吊装装入盐浴炉8中，并确保下端缩口段的长度部分L插入盐浴中，本实施例的插入深度不超过300mm。
Claims (6)
1.航空发动机用整体式钛合金连杆局部热处理工艺，其特征在于，包括装炉、盐浴加热、保温、冷却、清洗、掉头、检验的步骤，具体为：
步骤1：装炉，钛合金连杆(7)的左、右缩口段在热锻完成后，根据其形状尺寸设计相匹配的盐浴炉料盘阵列(3)，将钛合金连杆(7)适配地插入盐浴炉料盘阵列(3)的不同直径的料筒中，并用定料夹具将钛合金连杆(7)垂直固定后，将所述盐浴炉料盘阵列(3)吊装装入盐浴炉(8)，确保缩口段的长度部分(L)侵入盐浴中；
步骤2：盐浴加热，按质量百分比配制中性盐50％KCl﹕30％CaCl2﹕20％NaCl，盐浴炉(8)可采用电加热或燃料加热，逐渐加热至560～880℃±15℃形成熔融盐；
步骤3：保温，根据钛合金连杆(7)缩口段的壁厚度对应的保温时间参数为：
缩口段壁厚度≤3mm，保温时间15～25min；
缩口段壁厚度3～25mm，保温时间25～65min；
缩口段壁厚度＞25mm，起点保温时间≥75min；在此基础上缩口段壁厚度每增加5mm，保温时间至少增加10min；
步骤4：冷却，停止加热，随炉冷却至100℃以下出炉空冷，转入清洗；
步骤5：清洗，对盐浴去应力退火处理后的钛合金连杆(7)进行吹砂、酸洗或机加去除表层粘接物或腐蚀污物层；
步骤6：掉头，对钛合金连杆(7)的另一端也进行盐浴退火处理，重复步骤1～步骤5；
步骤7：检验，对钛合金连杆(7)的每一端的缩口段的退火区域进行检验，若不合格，再次热锻后重复步骤1～步骤6，直至合格入库。
2.如权利要求1所述的航空发动机用整体式钛合金连杆局部热处理工艺，其特征在于，对于α+β型的钛合金TI-6AL-4V的钛合金连杆(7)，缩口段的壁厚为23mm时加热温度为480～650℃，保温时间为60～65min。
3.如权利要求1或2所述的航空发动机用整体式钛合金连杆局部热处理工艺的装置，其特征在于，包括：
盐浴炉料盘阵列(3)，其外形为柱体，内部为空腔体，在其上、下表面内设置有对称的通孔，设置的料筒垂直穿插过所述通孔并沿轴向向外延伸，所述料筒为一种或多种不同直径的管状筒体间隔式阵列设置；所述料筒的外壁与所述通孔的内壁焊接或铆接固定，所述通孔的轴线与所述料筒的轴线重合；所述料筒的高度为所述钛合金连杆(7)长度的1/5～1/3；
定料夹具，所述定料夹具通过顶丝(6)将钛合金连杆(7)适配固定在所述料筒上；所述钛合金连杆(7)的轴线与所述料筒的轴线重合；
盐浴炉(8)，其外形为柱体与所述盐浴炉料盘阵列(3)外形匹配，从外向内依次设置有保温加热隔层(M)、盐浴炉内胆(N)和盐浴熔池(11)，所述保温加热隔层的外壳(9)与所述盐浴炉内胆的外壳(10)平行设置。
4.如权利要求3所述的航空发动机用整体式钛合金连杆局部热处理的装置，其特征在于，所述盐浴炉料盘阵列(3)的外形为方柱体、椭圆体或圆柱体。
5.如权利要求3所述的航空发动机用整体式钛合金连杆局部热处理的装置，其特征在于，所述料筒，包括粗料筒(1)和细料筒(2)。
6.如权利要求3所述的航空发动机用整体式钛合金连杆局部热处理的装置，其特征在于，所述定料夹具，包括粗定料夹具(4)、细定料夹具(5)。
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