CN116103591A - 一种用于改善随形加工钛合金整体叶盘锻件性能一致性的调控处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于钛基合金领域，具体涉及到一种用于改善随形加工钛合金整体叶盘锻件性能一致性的调控处理方法，包括适用的合金类型、叶盘特征结构形式及处理工艺参数等组成要素。采用本发明热处理工艺处理TA33、TA37、TA38等合金整体叶盘锻件，可在最大限度提高强度的前提下，改善锻件不同位置力学性能尤其是拉伸强度的一致性。本专利技术可用于盘‑鼓一体化设计的航空发动机整体叶盘锻件热处理，满足先进航空发动机对大尺寸整体叶盘锻件的应用需求。
Description
技术领域
本发明属于钛基材料热加工领域，具体涉及到一种用于改善随形加工钛合金整体叶盘锻件性能一致性的调控处理方法。
背景技术
钛合金具有比强度高、耐蚀、耐热等优点，因此在航空、航天、石油、化工、能源、汽车、医疗、体育休闲等领域得到广泛应用。随着航空和航天技术的发展，对钛合金尤其是高温钛合金的需求逐渐扩大，技术要求也逐渐提高，如耐温性提高、适于结构一体化设计等。
结构一体化设计是近年来提出的一个新设计理念，主要目的是减少零件数量、提高结构效率。结构一体化设计意味着零件尺寸增大、结构复杂性提升，从而导致制备技术难度的提升。因此结构一体化设计思想，需要有先进的材料及工艺技术支撑。
近年来，先进航空发动机对高温大尺寸整体叶盘锻件提出强烈需求，同时从减重角度和减少零件种类数量角度，需要尽可能采用盘-鼓整体结构。盘-鼓整体结构的特点是盘和鼓筒采用非机械连接的办法形成一体，制备工艺主要有两种，一是焊接，二是整体锻造。后者可采用模锻直接成形锻坯，工艺流程相对简单，但因为盘和鼓筒合并制造后，锻件尺寸尤其是厚度方向尺寸明显增大，对原材料质量要求提高，后续的性能控制面临巨大挑战。如厚截面高温钛合金锻件由表面到心部存在明显的性能差异，见附图1，服役条件下会在零件局部位置形成应力或应变集中，造成零件过早失效。可见，如果采用整体锻造的方法制备盘-鼓一体化结构，需要解决由表面到心部力学性能差异过大的问题，即性能一致性控制技术难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于改善随形加工钛合金整体叶盘锻件性能一致性的调控处理方法，具体方案如下：
一种用于改善随形加工钛合金整体叶盘锻件性能一致性的调控处理方法，适用的高温钛合金材料为TA32、TA33、TA37、TA38，这些材料的共同特征为高温热处理后采用淬火方式冷却。
一种用于改善随形加工钛合金整体叶盘锻件性能一致性的调控处理方法，其工艺步骤如下：
步骤一：随形加工毛坯设计：在厚度≥100mm的高温钛合金整体叶盘模锻件基础上，根据零件图，设计随形加工毛坯图；
步骤二：随形加工毛坯高温淬火处理：随形加工毛坯在电炉中加热到α+β/β相变点以下50℃～10℃范围内的温度，热透后保温1h～5h，保温结束后出炉；
步骤三：随形加工毛坯性能一致性的调控处理：随形加工锻件毛坯在电炉中加热到800℃～850℃范围内的温度，要求到温或设定温度以下10℃装炉，待炉温重新回到设定温度后开始计时，保温时间τ要求在10min～0.5δmin+20min之间，热透时间按锻件最薄位置厚度的0.5倍估算。
步骤四：随形加工锻件毛坯强化处理：随形加工锻件毛坯在电炉中加热到650℃～750℃范围内的温度，热透后保温2h～50h。
所述的一种用于改善随形加工钛合金整体叶盘锻件性能一致性的调控处理方法，其优选方案为，步骤一中，要求随形加工毛坯图任一位置至少有一个方向的尺寸在30mm～100mm之间，且该方向为尺寸最小方向。
所述的一种用于改善随形加工钛合金整体叶盘锻件性能一致性的调控处理方法，其优选方案为，步骤二中，出炉后执行水淬或油淬操作。
所述的一种用于改善随形加工钛合金整体叶盘锻件性能一致性的调控处理方法，其优选方案为，步骤三中，δmin为随形加工锻件毛坯不同位置、不同方向最小尺寸，保温结束后空冷到室温或600℃以下的温度。
所述的一种用于改善随形加工钛合金整体叶盘锻件性能一致性的调控处理方法，其优选方案为，步骤四中，保温结束后空冷、炉冷或控温冷却到室温。
所述的一种用于改善随形加工钛合金整体叶盘锻件性能一致性的调控处理方法，其优选方案为，根据成品零件形状对锻件进行随形加工，去除部分材料后再进行热处理，制备工艺为锻造→随形加工→热处理→精加工。
本发明的优点及有益效果是：
本申请案针对先进航空发动机对大尺寸高温钛合金叶盘及结构一体化的设计要求，其基本思路是首先对锻件毛坯(附图2)进行随形加工(附图3)，去除多余材料，然后采用淬火工艺，实现锻件硬度或强度的整体提高，但由于低热导率，锻件表面和心部仍存在明显的显微组织和性能差异。为此引入中温热处理调控工艺，严格控制处理温度和时间，使锻件表面强度和硬度显著降低，心部强度和硬度小幅降低或不降低，从而实现主要或关键性能一致性的有效改善。采用该调控处理方法，可以有效降低大尺寸复杂结构整体叶盘锻件尤其是随形加工锻件淬火处理后厚度方向存在的明显的显微组织和力学性能差异，改善力学性能的一致性，见附图4和5，避免零件不同部位因为组织性能差异太大带来的应力或应变集中问题。
应用本发明的调控处理方法后：
1、锻件随形加工后施加高温淬火处理，提高了锻件强度储备；
2、对淬火锻件施加800℃～850℃范围内的调控处理，严格控制保温时间，减小表面和心部显微组织差异，提高锻件由表面到心部力学性能的一致性；
3、工艺简单，调控处理过程无需工装卡具，方便现场操作；
4、随形加工锻件由表面到心部力学性能均匀性显著提升，避免了因淬火形成的梯度变化组织带来的力学性能的不一致性，降低了零件使用风险。
附图说明
附图1为TA38合金锻件淬火处理后由淬火表面到心部HRC变化情况，其中可以看到由表面到心部HRC存在由快速降低到趋平趋势；
附图2为传统整体叶盘锻件毛坯示意图；
附图3为本申请案随形加工锻件示意图；
附图4为淬火态TA38合金室温强度随均匀化处理温度、时间的变化曲线；
附图5为淬火态TA38合金650℃拉伸强度随均匀化处理温度、时间的变化曲线。
具体实施方式
本发明提供了一种用于改善随形加工钛合金整体叶盘锻件性能一致性的调控处理方法，包括适用材料、锻件形状尺寸及处理工艺参数等组成要素。具体包括如下步骤：
1)根据目标零件形状尺寸，单边留15mm～50mm余量，设计随形加工图，随形加工图任一位置至少有一个方向的尺寸在30mm～100mm之间；
2)采用热模锻或等温模锻完成锻件毛坯成形，然后根据随形加工图完成随形加工；
3)对随形加工锻件进行高温处理+水淬操作，高温处理温度为α+β/β相变点下50℃～10℃，热透后保温时间1h～5h，出炉后水淬或油淬；
4)对淬火锻件进行组织性能均匀性调控处理，调控处理温度800℃～850℃，锻件在目标温度或目标温度以下10℃装炉，到温后开始计时，严格控制保温时间在10min～热透时间+20min范围内，热透时间按锻件尺寸最小处的0.5倍估算；
5)对组织均匀性调控处理后的锻件进行中低温强化调控处理，调控处理温度650℃～750℃。锻件在目标温度以下或到温装炉，热透后保温2～50h，保温结束后断电，然后以空冷、炉冷或控温冷却方式冷却到室温。
上述制备方法的特点是：1)充分利用高温钛合金淬火组织高强度特征；2)充分利用锻件结构特征，由整体锻件改为随形加工锻件，显著提升淬火后冷却效果；3)采用800℃～850℃范围内的短时处理措施，利用钛合金低热导率导致的表面保温时间长、心部保温时间短的实际效果，使表面强度快速降低、心部强度尽可能保持，从而实现表面-心部性能差异缩小的目的，改善性能一致性。
下面，通过实施例结合附图1-5对本发明进一步详细阐述。
实施例1-6
实验材料为TA38合金锻件，相变点1052℃。锻件尺寸为厚度110mm、长度360mm、高度140mm。锻件沿长度方向中分，其中1件直接做1032℃/2h水淬+700℃/5h空冷热处理，然后在厚度中心沿长度方向取拉伸试样，测试650℃拉伸性能，测试结果见表1对比例1；另一件在厚度中心沿长度方向取
拉伸试棒，然后进行1032℃/2h水淬处理；水淬处理后的试棒按表1对比例2～8和实施例1～6的制度分别进行热处理，然后加工拉伸试样，测试拉伸性能。表1对比例1代表了厚截面锻件中心部位的拉伸结果，而对比例2～8、实施例1～6代表了锻件表面的多种可能拉伸结果。可以看到，从降低表面和心部性能差异角度，实施例1～6明显是效果最佳的；而对比例3～7虽然将拉伸强度降低到与心部接近等同的水平，但因屈服强度降低过多，弊大于利，因此不是可选方案。
表1对比例1～8、实施例1～6对应的650℃拉伸性能
备注：ΔRm和ΔRp0.2分别为对比例2-8、实施例1-6的拉伸、屈服强度与对比例1的差值。
实施例7-9
实验材料为TA38合金锻件，相变点1052℃。锻件尺寸为厚度120mm、直径250mm。锻件首先进行1032℃/2h保温后水淬处理，然后在1/2R处沿弦向取长度66mm、宽度23mm的试块4件，试块高度同锻件厚度方向，即120mm。4块试件中的3件分别按表2实施例7～9制度处理，另一件作为对比例，对应表2中对比例9。最后将4块试件同炉处理，处理制度为700℃/5h空冷。之后4块试件沿高度方向，由表面向内部取
拉伸试棒，分10层对称取样，每层取两件；上表面由表及里取的5层试样做室温拉伸，下表面由表及里取的5层试样做650℃拉伸，室温和高温拉伸结果分别见表2和3。由表2可见，对比例表面和心部室温拉伸强度Rm和屈服强度Rp0.2的极差分别是80MPa和79MPa，实施例7的对应极差分别为72MPa和69MPa，实施例8的对应极差分别为46MPa和75MPa；实施例9的对应极差分别为75MPa和60MPa；可见实施例7～9不同程度降低了表面和心部强度差异，800℃/40min处理后效果最明显。
表2实施例7～9和对比例9对应的室温拉伸性能
备注：*对应于锻件表面；**对应于锻件心部
由表3可见，对比例表面和心部650℃拉伸强度Rm和屈服强度Rp0.2的极差分别是66MPa和36MPa，实施例7的对应极差分别为38MPa和12MPa，实施例8的对应极差分别为45MPa和26MPa；实施例9的对应极差分别为76MPa和55MPa；可见实施例7～8不同程度降低了表面和心部强度差异，实施例7效果最明显，实施例9效果不明显。
表3实施例7～9和对比例9对应的650℃拉伸性能
备注：*对应于锻件表面；**对应于锻件心部
实施例10-11
实验材料为TA38合金锻件，相变点1052℃。锻件尺寸为厚度110mm、长度180mm、高度140mm。在厚度中心沿长度方向取
拉伸试棒，然后进行1032℃/2h+水淬处理；水淬处理后的试棒按表4实施例10、11的制度分别进行处理，然后加工拉伸试样，测试室温和650℃拉伸性能。由表可见，实施例10和11两种处理条件下，650℃拉伸和屈服强度差值均为26MPa左右，在材料拉伸数据分散带以内，可以认为处于相近水平。
表4对比例1和实施例10、11对应的650℃拉伸性能
| 热处理状态 | <![CDATA[R<sub>m</sub>，MPa]]> | <![CDATA[R<sub>p0.2</sub>，MPa]]> | |
| 对比例1 | 1032℃/2h空冷+700℃/5h空冷 | 652 | 510 |
| 实施例10 | 800℃/60min空冷+650℃/50h炉冷 | 642 | 514 |
| 实施例11 | 800℃/60min空冷+750℃/2h炉冷 | 616 | 489 |
综上所述，结构一体化设计是未来飞机及发动机零件优化设计的方向之一，随形加工后热处理是解决低热导率材料用于厚截面锻件的必要手段。本发明从高温钛合金大尺寸整体叶盘锻件设计及应用角度，提出一种用于改善随形加工钛合金整体叶盘锻件性能一致性的调控处理方法。采用该方法，可不同程度地缩小随形加工锻件厚度方向上的性能差异，提高性能一致性，为后续零件安全使用消除潜在隐患。本申请案的技术手段将会有力促进大尺寸厚截面零件的技术发展，进一步推动TA33、TA37、TA38等高温钛合金材料在航空发动机上的扩大应用，在其他型号和结构上的推广应用前景也十分广阔。
Claims (7)
1.一种用于改善随形加工钛合金整体叶盘锻件性能一致性的调控处理方法，其特征在于：适用的高温钛合金材料为TA32、TA33、TA37、TA38，这些材料的共同特征为高温热处理后采用淬火方式冷却。
2.按权利要求1所述的一种用于改善随形加工钛合金整体叶盘锻件性能一致性的调控处理方法，其工艺步骤如下：
步骤一：随形加工毛坯设计：在厚度≥100mm的高温钛合金整体叶盘模锻件基础上，根据零件图，设计随形加工毛坯图；
步骤二：随形加工毛坯高温淬火处理：随形加工毛坯在电炉中加热到α+β/β相变点以下50℃～10℃范围内的温度，热透后保温1h～5h，保温结束后出炉；
步骤三：随形加工毛坯性能一致性的调控处理：随形加工锻件毛坯在电炉中加热到800℃～850℃范围内的温度，要求到温或设定温度以下10℃装炉，待炉温重新回到设定温度后开始计时，保温时间τ要求在10min～0.5δmin+20min之间，热透时间按锻件最薄位置厚度的0.5倍估算。
步骤四：随形加工锻件毛坯强化处理：随形加工锻件毛坯在电炉中加热到650℃～750℃范围内的温度，热透后保温2h～50h。
3.按权利要求2所述的一种用于改善随形加工钛合金整体叶盘锻件性能一致性的调控处理方法，其特征在于：步骤一中，要求随形加工毛坯图任一位置至少有一个方向的尺寸在30mm～100mm之间，且该方向为尺寸最小方向。
4.按权利要求2所述的一种用于改善随形加工钛合金整体叶盘锻件性能一致性的调控处理方法，其特征在于：步骤二中，出炉后执行水淬或油淬操作。
5.按权利要求2所述的一种用于改善随形加工钛合金整体叶盘锻件性能一致性的调控处理方法，其特征在于：步骤三中，δmin为随形加工锻件毛坯不同位置、不同方向最小尺寸，保温结束后空冷到室温或600℃以下的温度。
6.按权利要求2所述的一种用于改善随形加工钛合金整体叶盘锻件性能一致性的调控处理方法，其特征在于：步骤四中，保温结束后空冷、炉冷或控温冷却到室温。
7.按权利要求1所述的一种用于改善随形加工钛合金整体叶盘锻件性能一致性的调控处理方法，其特征在于：根据成品零件形状对锻件进行随形加工，去除部分材料后再进行热处理，制备工艺为锻造→随形加工→热处理→精加工。
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