CN114645147A - 提高风扇叶片面板组织性能一致性的工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提高风扇叶片面板组织性能一致性的工艺方法，其包括以下步骤：S₁、选取原材料，将原材料进行混料、压制并焊接成为电极；S₂、对所述原材料进行铸锭熔炼，并将铸锭进行锻造成用于轧制的板坯；S₃、对所述板坯进行轧制并进行热处理；S₄、对所述板坯进行蠕变校形；S₅、针对最后的成品进行打磨并抛光，并进行板坯力学性能一致性分析。本发明通过优化熔炼工艺生产均匀性、生产质量稳定的的Ti‑6Al‑4V钛合金铸锭，通过优化热处理及蠕变校形工艺控制组织并稳定性能的一致性，为风扇叶片用钛合金板坯批量、稳定生产提供支撑，提高空心风扇叶片的寿命及可靠性，实现其在大客发动机上的成功应用。

Description

提高风扇叶片面板组织性能一致性的工艺方法

技术领域

本发明涉及发动机空心风扇叶片面板工艺领域，特别涉及一种提高风扇叶片面板组织性能一致性的工艺方法。

背景技术

在现有技术中，风扇叶片是大客发动机的关键部件之一，其工作条件非常苛刻，在满足气动性能、噪音指标的同时，还承受高速旋转产生的巨大离心力、高速气流产生的气动力、叶片振动产生的疲劳载荷以及砂石、飞鸟等外来物的冲击等等。

依据大客发动机大推力、低油耗等需求，为提高风扇气动效率、部件可靠性并降低结构重量，中国自主研制的窄体发动机增压机采用Ti-6Al-4V(国内牌号TC4)钛合金大尺寸空心风扇叶片。

通常风扇叶片采用3层板结构经过扩散连接、热扭转和超塑成形等成形和加工工艺，空心风扇叶片研制过程复杂，技术难度高，对原材料的技术要求充分考虑设计、加工工艺因素，同时需满足长寿命、高可靠性的使用需求。英国罗罗公司与美国普惠公司分别研发的钛合金扩散连接/超塑成型(DB/SPF)宽弦空心风扇叶片抗外物打击能力强、不易振动、重量轻且性能好。美国GE公司则于20世纪90年代发展了金属包边复合材料宽弦风扇叶片技术。

然而，国内板坯主要存在以下诸多问题：

一、主元素、微量元素成分波动问题，并且组织不均匀，初生α含量批次波动大；

二、板坯拉伸力学性能波动，横纵向性能存在较大差异。

有鉴于此，本领域技术人员研究了一种提高风扇叶片面板组织性能一致性的工艺方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中国内板坯主元素、微量元素成分波动，且组织不均匀，板坯拉伸力学性能波动，横纵向性能存在较大差异等缺陷，提供一种提高风扇叶片面板组织性能一致性的工艺方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

一种提高风扇叶片面板组织性能一致性的工艺方法，其特点在于，所述工艺方法包括以下步骤：

S₁、选取原材料，将原材料进行混料、压制并焊接成为电极；

S₂、对所述原材料进行铸锭熔炼，并将铸锭进行锻造成用于轧制的板坯；

S₃、对所述板坯进行轧制并进行热处理；

S₄、对所述板坯进行蠕变校形；

S₅、针对最后的成品进行打磨并抛光，并进行板坯力学性能一致性分析。

根据本发明的一个实施例，所述步骤S₁中具体包括：所述原材料采用熔点及密度与基体钛接近的AL-V中间合金，以及纯金属AL、TiO₂。

根据本发明的一个实施例，所述步骤S₂中具体包括：

S₂₁、选用三次熔炼去除挥发性杂质；

S₂₂、对所述铸锭进行元素分析；

S₂₃、对所述铸锭冒口进行元素分析；

S₂₄、对所述铸锭开坯锻造后的板坯进行元素分析。

根据本发明的一个实施例，所述步骤S₂₂中具体包括：针对所述铸锭纵向头、上、中、下、底五点分析主元素和头、中、底三点取样分析杂质元素。

根据本发明的一个实施例，所述步骤S₂₃中具体包括：针对铸锭靠冒口端进行多点取样，进行元素分析。

根据本发明的一个实施例，所述步骤S₂₄中具体包括：针对所述铸锭开坯锻造后的板坯进行取样，验证所述铸锭的成分均匀性，并分析横向及纵向的成分偏差。

根据本发明的一个实施例，所述铸锭的横向Al元素偏差均控制在0.22％以内，V元素偏差均控制在0.20％以内，所述铸锭的纵向Al、V元素偏差均控制在0.16％以内。

根据本发明的一个实施例，所述步骤S₃中具体包括：采用240mm厚度坯料，第一次960℃热轧至145mm厚度，进行水冷冷却；第二次950℃热轧至55mm厚度；第三次换向950℃热轧至26.5mm厚度。

根据本发明的一个实施例，所述步骤S₃中还具体包括：在生产过程中通过调整热处理方式将板材初生α相含量控制在45％～75％之间。

根据本发明的一个实施例，所述步骤S₄中具体包括：通过蠕变校形调整所述板坯横纵向力学性能，所述蠕变校形选取700℃～800℃温度区间作为蠕变校形温度。

根据本发明的一个实施例，所述步骤S₅中具体包括：对同一板坯性能一致性的验证采用多点取样方式，并分析相应的横纵向力学性能；

对不同批次的板坯一致性的验证采用多点取样方式，并分析相应的横纵向力学性能。

本发明的积极进步效果在于：

本发明提高风扇叶片面板组织性能一致性的工艺方法，提供了钛合金空心风扇叶片用Ti-6Al-4V面板坯料的工艺优化技术，通过优化熔炼工艺生产均匀性、生产质量稳定的的Ti-6Al-4V钛合金铸锭，通过优化热处理及蠕变校形工艺控制组织并稳定性能的一致性，为风扇叶片用钛合金板坯批量、稳定生产提供支撑，提高空心风扇叶片的寿命及可靠性，实现其在大客发动机上的成功应用。

附图说明

本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1为本发明提高风扇叶片面板组织性能一致性的工艺方法中冒口端面取样示意图。

图2为本发明提高风扇叶片面板组织性能一致性的工艺方法中铸锭开坯锻造后板坯取样示意图。

图3为本发明提高风扇叶片面板组织性能一致性的工艺方法中板材力学性能取样示意图。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

现在将详细参考附图描述本发明的实施例。现在将详细参考本发明的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。

此外，尽管本发明中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本发明说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。

此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本发明。

针对现有技术中，例如25mm厚Ti-6Al-4V板材作为宽弦空心风扇叶片主承力面板材料，为制造叶片的关键材料，其力学及疲劳性能直接影响叶片的振动疲劳性能、叶片的寿命及可靠性。航空发动机技术发达国家在空心风扇叶片板材研制方面积累了大量经验，而国内试制的空心风扇叶片用Ti-6Al-4V钛合金板材，与国外风扇叶片用板材相比，主要存在问题有：元素成分波动大、组织不均匀、初生α含量波动大、板材拉伸力学性能波动显著等。

因此，需要通过优化熔炼工艺生产化学成分均匀性好、质量稳定的的Ti-6Al-4V钛合金铸锭，并通过优化板材轧制后热处理控制初生α含量，改善蠕变校形工艺控制横纵向组织并稳定性能的一致性，减少板材拉伸性能的波动。

本发明公开了一种提高风扇叶片面板组织性能一致性的工艺方法，其包括以下步骤：

步骤S₁、选取原材料，将原材料进行混料、压制并焊接成为电极。

优选地，在原材料选取过程中，成品板材的化学成分要求为(Wt％)：Ti-(6.0～6.7)Al-(3.8～4.5)V-(0.18～0.23)O。铸锭各元素目标控制范围为(Wt％)：Ti-(6.20～6.70)Al-(4.10～4.50)V-(0.18～0.22)O。由于Ti-6Al-4V合金中含有Al(铝)、V(钒)两种合金元素，其中Al元素具有较高的蒸气压，在真空熔炼中较易挥发损失，据此确定铸锭理想配比，以保证铸锭最终成分满足目标控制要求。海绵钛选用粒度2～12.7mm、级别较高的海绵钛，且不同批次海绵钛化学成分及硬度值接近。

为了使铸锭中杂质元素含量得到有效控制，尽可能使用杂质元素较低的，O元素含量接近的海绵钛。为了使各元素在铸锭中充分合金化，研制时采用了熔点及密度与基体钛较为接近的Al-V中间合金(例如熔点为1650℃，密度为4.2～4.5g/cm3)，以及纯金属Al、TiO2。

步骤S₂、对所述原材料进行铸锭熔炼，并将铸锭进行锻造成用于轧制的板坯。

优选地，所述步骤S₂中具体包括：

S₂₁、选用三次熔炼去除挥发性杂质。

进一步具体地说，Ti-6Al-4V钛合金中易挥发的Al元素的含量为6％，而具有较高熔点及密度的V(钒)元素的含量为4％，研制时采用了熔点及密度与基体钛较为接近的Al-V中间合金，以及纯金属Al、TiO₂，可使各元素在铸锭中充分合金化，避免成分偏析。

Ti-6Al-4V钛合金中所含铝、钒元素的分配系数K＜1，具有正偏析倾向。因此选择最佳熔炼工艺参数使合金元素的分配系数接近于1，减小元素偏析倾向。选用三次熔炼使挥发性杂质得到有效去除，增加铸锭均匀化搅拌的机会。

然后，通过步骤S22至步骤S24对铸锭进行均匀性检测：

S₂₂、对所述铸锭进行元素分析。

例如，选取10批铸锭进行元素分析，针对所述铸锭纵向头、上、中、下、底五点分析主元素和头、中、底三点取样分析杂质元素，测试结果如下表1所示。同一铸锭纵向各点主元素极差较小，Al元素最大极差为0.19％、V元素最大极差为0.21％、O元素最大极差为0.03％；

然而，不同铸锭的同一元素极差也较小：Al元素极差0.29％，V元素极差0.22％，O元素最大极差为0.04％，铸锭Al、V、O元素各点与铸锭所要求的目标值偏差较小。Al元素的Cpk指数(过程能力指数)为1.60，V元素的Cpk指数为2.29，说明铸锭元素均匀性好。

表1：10批铸锭五点元素分析(Wt％)

S₂₃、对所述铸锭冒口进行元素分析。

针对铸锭靠冒口端进行多点取样，进行元素分析。例如，对铸锭号码1靠冒口端进行13点取样，取样方式如图1所示，分析结果如下表2所示。

铸锭冒口取样分析结果符合标准要求，其Al元素极差为0.25％、V元素极差0.14％，铸锭均匀性较好。

表2：铸锭冒口取样分析结果(Wt％)

位置	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
														Al	6.44	6.52	6.54	6.49	6.54	6.54	6.29	6.48	6.45	6.51	6.44	6.54	6.50
V	4.12	4.14	4.19	4.21	4.16	4.11	4.22	4.18	4.08	4.14	4.20	4.12	4.19

S₂₄、对所述铸锭开坯锻造后的板坯进行元素分析。

针对所述铸锭开坯锻造后的板坯进行取样，验证所述铸锭的成分均匀性，并分析横向及纵向的成分偏差。对铸锭开坯锻造后板坯如图2所示取样，验证铸锭的成分均匀性，分析结果如下表3所示。其横向及纵向成分偏差具体如下表4所示。

其中，铸锭横向Al元素偏差均控制在0.22％以内，V元素偏差均控制在0.20％以内；铸锭纵向Al、V元素偏差均控制在0.16％以内。铸锭各元素分析结果不仅符合标准要求，同时其均匀性控制较好，达到了铸锭的试验预期目标。

表3：铸锭不同位置对应板坯取样分析结果(Wt％)

表4：铸锭横截面和纵截面分析结果偏差(Wt％)

步骤S₃、对所述板坯进行轧制并进行热处理。

例如，采用240mm厚度坯料，第一次960℃热轧至145mm厚度，进行水冷冷却；第二次950℃热轧至55mm厚度；第三次换向950℃热轧至26.5mm厚度。

进一步地，在步骤S₃中还包括板材显微组织控制：用于钛合金空心风扇叶片的Ti-6Al-4V面板对初生α相含量有较高要求，在生产过程中通过调整热处理方式将板材初生α相含量控制在45％～75％之间，以控制组织并稳定性能的一致性。

通过调整热处理温度与冷却方式，对初生α相含量进行调整，试验结果如下表5所示。从结果中得出820℃～940℃范围，热处理温度越高，α含量逐渐减少。冷速越慢，即低温保温时间增加，α含量逐渐增多。

表5：热处理制度对初生α相含量影响实验

步骤S₄、对所述板坯进行蠕变校形。

板材热轧后需进行蠕变校形，通过对蠕变校形对板材横纵向力学性能影响的研究，选取700℃～800℃温度区间作为蠕变校形温度，在此区间，板材横纵向力学性能差别较小，温度较高时，强度有所下降(如下表6所示)。

表6：蠕变校形温度对板材横纵向力学性能影响

步骤S₅、针对最后的成品进行打磨并抛光，并进行板坯力学性能一致性分析。

例如，对同一板材性能一致性的验证采取5点取样方式，取样如图3所示，力学性能结果如下表7所示。结果显示同一板材5点横纵向力学性能的一致性优良(Cpk>1)。

表7：同一板材5点取样力学性能及一致性结果

例如，对不同批次的板材力学性能取如图3中所示位置1、2两点的横纵向进行力学性能取样，结果如下表8所示。共15批次板材2点横纵向力学性能的一致性优良(Cpk>1)。

表8：不同批次板材2点横纵向取样力学性能及一致性结果

根据上述描述，本发明提高风扇叶片面板组织性能一致性的工艺方法通过开展Ti-6A1-4V钛合金锭熔炼工艺研究及铸锭成分均匀性控制、板材成品蠕变校形工艺研究、板材轧制工艺与组织性能关系研究及批次质量稳定性、一致性控制技术研究，实现风扇叶片用Ti-6AI-4V钛合金板材批量、稳定研制供应，为大客发动机的研制及批产，提供可靠的材料保障。

其主要经过了铸锭熔炼、板材热处理及蠕变校形和实验测试。

其中，铸锭熔炼主要包括：Ti-6Al-4V钛合金中易挥发的Al元素的含量为6％，而具有较高熔点及密度的V元素的含量为4％，研制时采用了熔点及密度与基体钛较为接近的Al-V中间合金，以及纯金属Al、TiO₂，可使各元素在铸锭中充分合金化，避免成分偏析。Ti-6Al-4V钛合金中所含铝、钒元素的分配系数K＜1，具有正偏析倾向，因此选择最佳熔炼工艺参数使合金元素的分配系数接近于1，减小元素偏析倾向。选用三次熔炼使挥发性杂质得到有效去除，增加铸锭均匀化搅拌的机会。

板材热处理及蠕变校形主要包括：通过调整板材轧制后热处理温度与冷却方式，对初生α相含量进行调整，在生产过程中通过调整热处理方式将板材初生α相含量控制在45％～75％之间，以控制组织并稳定性能的一致性。通过板材热轧后蠕变校形试验测试，以及对蠕变校形对板材横纵向力学性能影响的研究，选取700℃～800℃温度区间作为蠕变校形温度，在此区间，板材横纵向力学性能差别较小，一致性较好。

实验测试主要包括：采用铸锭不同区域主元素、杂质元素化学成分检测分析铸锭均匀性，采用光学显微镜观测板材显微组织及晶粒特性。对同一板材不同位置取样，以及不同批次同一位置板材力学性能取样，采用拉伸试验测试板材横纵向力学性能，检测板材性能一致性。

因此，本发明提高风扇叶片面板组织性能一致性的工艺方法，通过采用高级别小粒度海绵钛和Al-55V、纯Al等合金添加剂以及合理的合金化方式和熔炼工艺可生产出化学成分符合标准要求，均匀性好、质量稳定的Ti-6Al-4V钛合金铸锭。

通过调整板材轧制后热处理温度与冷却方式，对初生α相含量进行调整，在生产过程中通过调整热处理方式将板材初生α相含量控制在45％～75％之间，以控制组织并稳定性能的一致性。

通过板材热轧后蠕变校形试验测试，以及对蠕变校形对板材横纵向力学性能影响的研究，选取700℃～800℃温度区间作为蠕变校形温度，在此区间，板材横纵向力学性能差别较小，一致性较好。

综上所述，本发明提高风扇叶片面板组织性能一致性的工艺方法，提供了钛合金空心风扇叶片用Ti-6Al-4V面板坯料的工艺优化技术，通过优化熔炼工艺生产均匀性、生产质量稳定的的Ti-6Al-4V钛合金铸锭，通过优化热处理及蠕变校形工艺控制组织并稳定性能的一致性，为风扇叶片用钛合金板坯批量、稳定生产提供支撑，提高空心风扇叶片的寿命及可靠性，实现其在大客发动机上的成功应用。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种提高风扇叶片面板组织性能一致性的工艺方法，其特征在于，所述工艺方法包括以下步骤：

S₁、选取原材料，将原材料进行混料、压制并焊接成为电极；

S₂、对所述原材料进行铸锭熔炼，并将铸锭进行锻造成用于轧制的板坯；

S₃、对所述板坯进行轧制并进行热处理；

S₄、对所述板坯进行蠕变校形；

S₅、针对最后的成品进行打磨并抛光，并进行板坯力学性能一致性分析。

2.如权利要求1所述的提高风扇叶片面板组织性能一致性的工艺方法，其特征在，所述步骤S₁中具体包括：所述原材料采用熔点及密度与基体钛接近的AL-V中间合金，以及纯金属AL、TiO₂。

3.如权利要求1所述的提高风扇叶片面板组织性能一致性的工艺方法，其特征在，所述步骤S₂中具体包括：

S₂₁、选用三次熔炼去除挥发性杂质；

S₂₂、对所述铸锭进行元素分析；

S₂₃、对所述铸锭冒口进行元素分析；

S₂₄、对所述铸锭开坯锻造后的板坯进行元素分析。

4.如权利要求3所述的提高风扇叶片面板组织性能一致性的工艺方法，其特征在，所述步骤S₂₂中具体包括：针对所述铸锭纵向头、上、中、下、底五点分析主元素和头、中、底三点取样分析杂质元素。

5.如权利要求3所述的提高风扇叶片面板组织性能一致性的工艺方法，其特征在，所述步骤S₂₃中具体包括：针对铸锭靠冒口端进行多点取样，进行元素分析。

6.如权利要求3所述的提高风扇叶片面板组织性能一致性的工艺方法，其特征在，所述步骤S₂₄中具体包括：针对所述铸锭开坯锻造后的板坯进行取样，验证所述铸锭的成分均匀性，并分析横向及纵向的成分偏差。

7.如权利要求6所述的提高风扇叶片面板组织性能一致性的工艺方法，其特征在，所述铸锭的横向Al元素偏差均控制在0.22％以内，V元素偏差均控制在0.20％以内，所述铸锭的纵向Al、V元素偏差均控制在0.16％以内。

8.如权利要求1所述的提高风扇叶片面板组织性能一致性的工艺方法，其特征在，所述步骤S₃中具体包括：采用240mm厚度坯料，第一次960℃热轧至145mm厚度，进行水冷冷却；第二次950℃热轧至55mm厚度；第三次换向950℃热轧至26.5mm厚度。

9.如权利要求8所述的提高风扇叶片面板组织性能一致性的工艺方法，其特征在，所述步骤S₃中还具体包括：在生产过程中通过调整热处理方式将板材初生α相含量控制在45％～75％之间。

10.如权利要求1所述的提高风扇叶片面板组织性能一致性的工艺方法，其特征在，所述步骤S₄中具体包括：通过蠕变校形调整所述板坯横纵向力学性能，所述蠕变校形选取700℃～800℃温度区间作为蠕变校形温度。

11.如权利要求1所述的提高风扇叶片面板组织性能一致性的工艺方法，其特征在，所述步骤S₅中具体包括：对同一板坯性能一致性的验证采用多点取样方式，并分析相应的横纵向力学性能；

对不同批次的板坯一致性的验证采用多点取样方式，并分析相应的横纵向力学性能。

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