CN114453542B - 燃气涡轮发动机压气机盘钛合金双金属制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种燃气涡轮发动机压气机盘钛合金双金属制造方法，预先将两种毛坯分别进行等温自由锻变形，获得所需要不同组织和力学性能；然后用真空电弧焊接方法把两个不同耐热钛合金初步结合，再共同进行等温模锻变形；紧接着对等温锻件进行形变热处理。本发明使用两种不同性能高温钛合金组合制备发动机压气机盘坯，保证了盘材料高水平梯度力学性能、质量最小化并保证使用可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种航空发动机制造领域的技术，具体是一种燃气涡轮发动机压气机盘具有梯度性能双金属钛合金制造方法。
背景技术
飞机燃气涡轮发动机压气机盘和涡轮盘零件重量对轴和固定支撑件的质量和尺寸有很大影响，最终影响到整个动力系统。现有的钛铝基合金块体制备技术，通过热压烧结方式制备得到的钛铝合金材料，不能解决压气机盘梯度性能要求；现有的TC17钛合金锻造技术则无法适用于双金属合成叶-盘梯度性能。目前使用一种合金制造，满足不了压气机盘-叶片不同性能要求。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种燃气涡轮发动机压气机盘钛合金双金属制造方法，使用两种不同性能高温钛合金组合制备发动机压气机盘坯，保证了盘材料高水平梯度力学性能、质量最小化并保证使用可靠性。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明预先将两种毛坯分别进行等温自由锻变形，获得所需要不同组织和力学性能；然后用真空电弧焊接方法把两个不同耐热钛合金初步结合；再共同进行等温模锻变形；紧接着对等温锻件进行形变热处理。
所述的等温自由锻变形，加热后在液压机上等温自由锻造，具体为：对TC8合金毛坯锻造在单相区进行；对于由TC25合金作为叶片部位毛坯，为了获得多循环疲劳阻力和蠕变，在β-区预等温变形以形成均匀的再结晶组织β-相，随后在两相区终锻变形形成球状-片状α-相，各区域变形量控制在50％。
所述的等温模锻变形，将真空电弧焊接组合坯加热后进行闭式等温模锻。
所述的形变热处理，预先创建变形毛坯热处理温度场梯度，具体为：用绝缘隔热罩覆盖轮毂部分，控制轮毂加热在双相区(α+β)，轮缘加热到更高的温度β相区并共同淬火，从而得到轮毂区域细晶粒并保证获得高强度和良好塑性；轮缘由于温度更高，使再结晶晶粒长大，在单相区域淬火时，析出更多γ’-相，这就保证了很高的耐热性。
优选地，将淬火后的组合坯置于有不同时长控制的时效炉中，对轮毂和轮缘分别时效不同时间，以期达到梯度性能。
所述的毛坯，即盘-叶组合毛坯，其中：内盘部分采用TC8钛合金，叶片部分采用TC25耐高温钛合金。
技术效果
本发明通过创造预先形变毛坯热处理温度场梯度，得到的过渡区域足够平滑和宽展，这与在真实零件中与应力渐进变化相匹配，制备的复合叶-盘有梯度不同性能要求压气机组件，显著提高压气机盘可靠性和寿命，适用于由耐热钛合金制造压气机盘的梯度组织。工艺保证降低劳动密集度到20-25％，材料利用率提高30-50％，这要看盘的直径大小和叶片数量，与现有分别采用不同合金制造盘-叶技术相比，本发明由于减少了盘单个制造工序和压气机工作级叶片机械加工、装配量而得益。
附图说明
图1为研究钛合金组织与热变形温度和变形条件关系示意图；
图中：a为TC8，b为TC25；①在β-区域变形，ε＝50％、②(α+β)-区域变形，ε＝50％以及③先在β-区域预变形ε＝50％，再在(α+β)-区域变形ε＝50％后的示意图；
图2为实施例真空焊接后组合毛坯示意图；
图3为实施例压气机组合盘闭式等温模锻模具示意图；
图中：1下模板、2支撑块、3顶杆、4螺钉、5凹模、6锻件、7上模、8支撑块、9螺钉、10上模板、11感应加热装置、12热电偶；
图4为等温变形后锻件实物图；
图5为用形变热处理法在盘坯中梯度组织的形成示意图；
图中：a)为形变热处理淬火梯度加热炉局部放大示意图，b)为组合坯形变热处理淬火梯度加热炉内实景，c)具有不同时长控制时效时间的内炉装置；12热电偶、13绝缘罩、14热绝缘体、15等温模锻组合盘、16热绝缘可控温容器、17隔热材料、18冷却盘坯轮毂进气管道、19冷却盘坯轮毂排气管道；
图6为由盘-盘组合坯连接处的试样示意图；
图中：a)为试样拉伸后，b)为连接区域显微组织。
具体实施方式
本实施例涉及一种燃气涡轮发动机压气机盘钛合金双金属制造方法，包括以下步骤：
步骤1)材料的选择：为了获得盘-盘组合毛坯，选择两相(α+β)-耐热钛合金TC8(Ti-6Al-3.5Mo-0.25SiAl)，具有良好的热强性能和较高塑性制作盘，推荐工作温度450℃。制作叶片选择耐热钛合金TC25(Ti-6.5Al-1Sn-1Zr-2Mo-1W-0.2Si)，它是目前最佳制造燃气涡轮压气机叶片材料，与合金TC8相比提高了疲劳强度和耐热能力到500℃。合金TC8和TC25符合GJB2218A-2008《航空发动机压气机叶片用TC8、TC25合金棒》。
步骤2)毛坯预等温变形：由这两种钛合金棒按需要长度锯下。加热后在液压机YDZ—D315等温自由锻造。锤头加热温度等同毛坯加热温度。TC8合金锻造在单相区进行，为了获得该合金小周期的疲劳阻力和蠕变，其组织是完全的再结晶片状β-相。这种形式组织类型在两相合金TC8变形后在β-区域空冷获得(图1a)。即在β-区1020-1050℃锻造；对于由TC25合金组合叶片部位坯，为了获得多循环疲劳阻力和蠕变，叶片材料必需是最佳成形组织，这个组织是球状或析出球状塑性α-相。为了生成这种组织类型，优选在β-区1020-1050℃预等温变形以形成均匀的再结晶组织β-相，随后在两相区(α+β)-区880-920℃终锻变形形成球状-片状α-相，等温区间在880～920℃，各区域变形量控制在50％，如图1b所示，每个阶段变形程度总合不低于50％。
步骤3)车削毛坯：将预等温变形后毛坯车去黑皮达到要求尺寸，外圈TC25坯内径比TC8坯外径大8mm，端面倒角5×45°，如图2所示。
步骤4)真空焊接：采用真空电弧焊接是为了实施随后在空气中等温模锻变形的几何连接区域。要确保焊接连接区域高塑性，在随后等温变形中，对应的耐热钛合金的组合毛坯最佳焊接规范，焊条选择精轧TC8焊丝，电流为反极直流电380-400A，电弧电压29-30V，焊速为4.2×10-3m/s。焊接机头置于抽真空到1×10-3mmHg(1mmHg＝133.3Pa)的焊室之中。由钛合金TC8柱体(盘部)和由TC25制造叶片部位空心圆柱体焊接起来，按照标准规范保证在等温变形条件下连接区域很强的可塑性。真空焊接后毛坯车削后外观如图2所示。
步骤5)组合坯的闭式等温变形：组合坯连接部位的主要阶段是经受等温变形。组合坯盘-盘等温变形，在如图3所示的闭式模具中进行。
为了降低摩擦应力并保护毛坯表面不受有害气体侵害，在毛坯和模具接触表面使用工艺涂层。将毛坯预热到150-250℃，在坯料表面上涂一层保护层，然后在中频感应加热设备中加热。采用涂层材料为涂料TB1013和粘结剂NJ-1配套使用。配比为涂料：粘结剂＝2：1，视浓度，加入10倍水，搅拌均匀即可使用。涂后坯料自然风干。这样可避免形成氧化皮，并能减小α壳的厚度。电子探针测定结果表明，涂覆玻璃防护涂层的试样，在加热后金属表面无元素贫化现象，也没有发现玻璃层元素向金属基体的渗入，在等温高温变形时提供有效润滑。变形温度在880～920℃对TC8和TC25对应两相区(α+β)，总的变形量为70％。变形后的组合毛坯如图4所示。组合坯等温变形后，马上移入形变热处理炉梯度加热，如图5a和图5b所示。
所述的工艺涂层为涂料TB1013和粘结剂NJ-1，加入10倍水搅拌均匀即可使用，涂后坯料自然风干，其中涂料：粘结剂的体积比为2:1。
步骤6)组合盘形变热处理：关键是要创造预先变形后毛坯热处理温度场梯度。用如图5a，b所示的绝缘隔热罩覆盖轮毂部分，控制轮毂加热在双相区(α+β)880-920℃，轮缘加热到更高的温度β相区1030℃，加热1.5h后共同淬火，这能够得到轮毂区域细晶粒并保证获得高强度和塑性；轮缘由于温度更高，使再结晶晶粒长大，在单相区域β相区淬火时，析出更多γ’-相，这就保证了很高的耐热性。过程的监控是用固定在模具上的热电偶实施的。用同样梯度加热方法，如图5c所示，对盘-叶部分采用不同时效规范：对盘部590℃保温2h时效；对叶部合金TC25同样的加热温度，时效时间5h。为了建立梯度时效时间，在时效炉中隔热罩做成图5c所示，当加热温度590℃保温2h后，通入气体冷却轮毂到室温，隔热罩外炉膛里仍然保持590℃温度到5h再空冷。这种方式的过渡区域足够平滑和宽展，这与在真实零件中与应力渐进变化相匹配。
步骤7)组合坯连接区域组织和力学性能：将热处理后的毛坯从连接区域剖开制成金相显微磨片、拉伸试样和疲劳强度试样。
拉伸试验后，分析由盘-盘组合坯连接处宏观组织表明，破坏不在连接区域发生的图6a。所有试样的破坏沿着合金TC25区域发生。
如图6b所示，为盘-盘组合坯微观组织，尽管在组合坯连接处两相区域最终变形，盘部组织没有变化。所以在毛坯中形成最佳差异化组织：在盘部组织，即合金TC8，再结晶晶粒β-相具有塑性α-相；在叶片部位，形成球状塑性α-相和γ’-相。
由耐热钛合金TC8和TC25制成盘-盘组合坯连接区域室温和高温力学性能列在表中。
由耐热钛合金TC8和TC25制成盘-盘组合坯是按照本发明设计的工艺制造的，该种形式的毛坯力学性能满足整体盘-叶梯度技术要求。
连接区域室温和高温力学性能如下表所示。
表中：*合金TC8和TC25符合GJB2218A-2008《航空发动机压气机叶片用TC8、TC25合金棒》。
组合毛坯超声波检测结果，在连接区域没有出现超出标准规定缺陷。
与现有技术相比，本方法更符合实际应用梯度性能需求，一块组合毛坯轮缘可直接加工叶片，不必分别制造后再装配叶片。从而提高压气机盘可靠性和寿命。
开发出获得工艺试验组合坯盘-盘，用于由耐热钛合金制造压气机盘的梯度组织。工艺保证降低劳动密集度到20-25％，材料利用率提高30-50％，这要看盘的直径大小和叶片数量，本发明由于减少了盘单个制造工序和压气机工作级叶片机械加工量而得益。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (6)
1.一种燃气涡轮发动机压气机盘钛合金双金属制造方法，其特征在于，预先将两种毛坯分别进行等温自由锻变形，获得所需要不同组织和力学性能；然后用真空电弧焊接方法把两个不同耐热钛合金初步结合；再共同进行等温模锻变形；紧接着对等温锻件进行形变热处理；
所述的等温自由锻变形，加热后在液压机上等温自由锻造，具体为：对TC8合金毛坯锻造在单相区进行；对于由TC25合金作为叶片部位毛坯，为了获得多循环疲劳阻力和蠕变，在β-区预等温变形以形成均匀的再结晶组织β-相，随后在两相区终锻变形形成球状-片状α-相，各区域变形量控制在50％；
所述的形变热处理，预先创建变形毛坯热处理温度场梯度，具体为：用绝缘隔热罩覆盖轮毂部分，控制轮毂加热在双相区(α+β)，即880-920°C，轮缘加热到更高的温度β相区并共同淬火。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机压气机盘钛合金双金属制造方法，其特征是，所述的毛坯，即盘-叶组合毛坯，其中：内盘部分采用TC8钛合金，叶片部分采用TC25耐高温钛合金。
3.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机压气机盘钛合金双金属制造方法，其特征是，所述的等温模锻变形，将真空电弧焊接组合坯加热后进行闭式等温模锻。
4.根据权利要求1或2所述的燃气涡轮发动机压气机盘钛合金双金属制造方法，其特征是，具体包括：
步骤1)材料的选择：为了获得盘-盘组合毛坯，选择两相(α+β)-耐热钛合金TC8，即Ti-6Al-3.5Mo-0.25SiAl制作盘，选择耐热钛合金TC25，即Ti-6.5Al-1Sn-1Zr-2Mo-1W-0.2Si制作叶片；
步骤2)毛坯预等温变形：将两种钛合金棒按需锯下加热后在液压机上等温自由锻造，压机上装有中频感应加热装置加热砧块，具体为：锤头加热温度等同毛坯加热温度，TC8合金锻造在单相区进行，即在β-区1020-1050°C锻造；对于由TC25合金组合坯叶片部位，为了获得多循环疲劳阻力和蠕变，即球状或析出球状塑性α-相，为了生成这种组织类型，在β-区1020-1050°C预等温变形以形成均匀的再结晶组织β-相，随后在两相区(α+β)-区880-920°C终锻变形形成球状-片状α-相，各区域变形量控制在50％，每个阶段变形程度总合不低于50％；
步骤3)车削毛坯：将预等温变形后毛坯车去黑皮达到要求尺寸，外圈TC25坯内径比TC8坯外径大8mm，端面倒角5×45°；步骤4)真空焊接：焊条选择精轧TC8焊丝，电流为反极直流电380-400A，电弧电压29-30V，焊速为4.2×10-3m/s；焊接机头置于抽真空到1×10- 3mmHg的焊室之中，由钛合金TC8盘部和由TC25制成叶片部位空心圆柱体焊接；
步骤5)组合坯的等温变形：在闭式模具中进行等温变形，实现组合坯盘-盘等温变形；
步骤6)组合盘形变热处理：用绝缘隔热罩覆盖轮毂部分，控制轮毂加热在双相区(α+β)，即880-920°C，轮缘加热到更高的温度β相区，即1030°C共同淬火，轮缘由于温度更高，使再结晶晶粒长大，在单相区域淬火时，析出更多γ’-相；用同样梯度加热方法，对盘-叶部分采用不同时效规范：对盘部590℃保温2h时效；对叶部合金TC25同样的加热温度，时效时间5h，为了建立梯度时效时间，在时效炉中置入隔热罩，当加热温度590℃保温2h后，通入气体冷却轮毂到室温，隔热罩外炉膛里仍然保持590℃温度到5h再空冷。
5.根据权利要求4所述的燃气涡轮发动机压气机盘钛合金双金属制造方法，其特征是，所述的淬火，通过固定在模具上的热电偶实现温度监控。
6.根据权利要求4所述的燃气涡轮发动机压气机盘钛合金双金属制造方法，其特征是，在毛坯和模具接触表面使用工艺涂层，具体为：将毛坯预热到150-250°C，在坯料表面上涂一层保护层，然后在中频感应加热设备中加热；
所述的工艺涂层为涂料TB1013和粘结剂NJ-1，加入10倍水搅拌均匀即可使用，涂后坯料自然风干。
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