CN116393928A - 一种制备变形TiAl合金叶片的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备变形TiAl合金叶片的方法，所述方法包括：将所述变形TiAl合金坯料，依次经过线切割、铣削加工、磨抛加工后得到所述变形TiAl合金叶片。本发明的方法可直接获得变形TiAl合金叶片，且本发明的方法采用常规设备就可以实现，对设备要求低，操作工艺简单且成本低廉，获得的变形TiAl合金叶片表面质量良好，工艺稳定性强。本发明属于航空航天发动机涡轮叶片制造领域。
Description
技术领域
本发明属于航空航天发动机涡轮叶片制造领域，具体涉及一种制备变形TiAl合金叶片的方法。
背景技术
TiAl合金具有轻质高强、高温力学性能优良、抗氧化性能突出等优势，是未来航空航天实现轻量化的研究热点。TiAl合金密度是现役高温合金的一半，为4.1-4.3g/cm3，其在600-900℃的高温区间能够保持良好的高温性能。由此，该合金成为航空航天及车辆发动机增加推重比、提升燃油效率、实现轻量化的最佳迭代材料。目前有报道，TNM变形TiAl合金已在PW1100G-JM型号的航空发动机应用，服役温度为600-750℃。而高Nb-TiAl合金具有比现役TNM合金更高的使用温度(预计在760-850℃)，其加工性能相较现役合金更差，但是鉴于其更高的服役温度及良好的服役性能，具有广阔的应用潜力和市场。
通常，现有技术采用熔炼成坯料，开坯锻造，多道次改锻之后提高其加工性能后，采用等温模锻成型的方式制备叶片锻坯，随后进行机加工等工艺。
李金山等人提出了“TiAl基合金叶片毛坯的超塑蠕变时效成形方法”利用等温锻造以及材料高温低应变下的超塑性进行叶片毛坯的成形(CN108580770)。同时，王强等人采用精密铸造的手段制备TiAl合金叶片(CN103509973)。刘楠等人采用电子束选区快速熔化的手段(3D打印技术)制备了4822-TiAl合金叶片(CN107931609)。但是，以上加工对设备要求和实验条件较为苛刻，只能成形坯料，仍然需要后续的加工，时间成本和设备成本依旧很高，不利于低成本制造。
发明内容
为解决现有技术中TiAl合金叶片制备工艺复杂、制备难度大、成本高的技术问题，本发明开发出了一种制备变形TiAl合金叶片的方法，该方法通过冶金铸锭法和热等静压制备铸锭，采用常规锻机对坯料进行包套锻造，随后进行低温退火热处理，获得可供加工的TiAl合金坯料，然后利用线切割、铣削加工及磨抛加工获得表面质量良好的TiAl合金叶片，本发明的方法具有成本低廉、工艺稳定可控的特点。
一方面本发明提供一种制备变形TiAl合金叶片的方法，所述方法包括：
S1：采用冶金铸锭法，将合金原料利用磁悬浮真空熔炼炉进行铸锭熔炼，然后采用石墨或金属模具浇筑成型获得坯料，或者采用粉末冶金法获得坯料，所述坯料为圆柱体；
S2：将所述坯料放入热等静压炉中进行成分均匀化热处理，得到热处理后的坯料；
S3：将所述热处理后的坯料进行包套处理，得到包套处理后的坯料；
S4：将所述包套处理后的坯料进行高温包套锻造，随后空冷并进行低温退火热处理，拆除包套，得到变形TiAl合金坯料；
S5：将所述变形TiAl合金坯料，依次经过线切割、铣削加工、磨抛加工后得到所述变形TiAl合金叶片。
作为本发明的一个实施例，步骤S1中，所述铸锭熔炼的温度为1600～1650℃，真空度为8×10-3Pa，熔炼次数为2-5次，氩气气氛保护，浇筑模具为金属/石墨模具。
作为本发明的一个实施例，步骤S2中，所述热处理在γ固溶温度以下100～500℃的热处理炉中进行，并保温2～24h。
作为本发明的一个实施例，步骤S3中，所述包套处理的方法采用304不锈钢、316L不锈钢和/或钛合金对坯料进行封闭包裹并焊接。
作为本发明的一个实施例，步骤S4中，所述TiAl合金坯料的各元素原子百分比为：Ti(43-48)Al(5-10)Nb-X-Y，其中X元素选自Mo、Cr、V、Ta、W、Mn和Re中的一种或多种，Y元素选自C、B、Si和N中的一种或多种，所述X元素原子比总含量不超过3％，Y元素原子比总含量不超过1％，其余为杂质元素。
作为本发明的一个实施例，步骤S4中，所述锻造的温度为1200～1300℃，终锻温度不低于1180℃，变形速率为0.3～1.5s-1；所述锻造为单向锻造，锻造变形量≥65％；或者，所述锻造为包套多向锻造，每个方向变形量≤50％；所述锻造的锻造次数≥3次。
作为本发明的一个实施例，步骤S4中，所述退火热处理的炉温为共析温度-500～+500℃，保温时间为3～36h。
作为本发明的一个实施例，步骤S5中，所述线切割工作电流5-8A，脉冲宽度12-20μs，脉冲间隔为6-12μs。
作为本发明的一个实施例，步骤S5中，所述铣削加工采用五轴数控加工中心HSTM500，刀具采用硬质合金涂层刀具，粗铣主轴转速1000-1500r/min，进给量0.1-0.3mm/r，切深0.1-0.3mm，精铣主轴转速不高于1000r/min，进给量0.05-0.08mm/r，切深0.05-0.08mm。
作为本发明的一个实施例，步骤S5中，所述磨抛加工过程中的粗磨过程采用棕刚玉砂轮，精抛过程采用羊毛轮。
本发明提供的上述技术方案至少带来的有益效果：
本发明的方法可直接获得变形TiAl合金叶片，且本发明的方法采用常规设备就可以实现，对设备要求低，操作工艺简单且成本低廉，获得的变形TiAl合金叶片表面质量良好，工艺稳定性强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种实施方式中制备变形TiAl合金叶片的工艺流程；
图2为本发明的一种实施方式中的高温包套锻造后的坯料；
图3为本发明的一种实施方式中的变形TiAl合金叶片。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
实施例1
采用本发明的方法制备变形Ti45Al8Nb(0.2W0.1B0.05Y)合金叶片，具体步骤如下：
S1：采用冶金铸锭法，利用磁悬浮真空熔炼炉进行铸锭熔炼，并且采用石墨模具浇筑成型获得圆柱体坯料，所述圆柱体坯料的高度约为150mm，直径85mm；铸锭熔炼的温度1600℃，真空度为8×10-3Pa，熔炼次数为2次，氩气气氛保护，浇筑模具为金属模具；
S2：将所述的圆柱体坯料放入热等静压炉中进行组织均匀化热处理，所述热处理的温度为1250℃，时间为5h，得到热处理后的坯料；
S3：将热处理后的坯料进行包套处理，得到包套处理后的坯料；包套处理的材料为316L不锈钢；
S4：将包套处理后的坯料进行高温包套锻造，锻造温度为1300℃、终锻温度为1250℃，锻造变形速率为1.2s-1，随后空冷并进行低温退火热处理(850℃/5h)，拆除包套，得到变形TiAl合金坯料；
S5：将变形TiAl合金坯料进行线切割，工艺参数为工作电流5A、脉冲宽度12μs、脉冲间隔为6μs；随后进行铣削加工，刀具采用硬质合金涂层刀具、粗铣主轴转速为1500r/min，进给量0.1mm/r，切深0.15mm，精铣主轴转速700r/min，进给量0.05mm/r，切深0.05mm；最后将坯料进行磨抛加工，粗磨采用棕刚玉砂轮，精抛采用羊毛轮，得到变形Ti45Al8Nb(0.2W0.1B0.05Y)合金叶片。
实施例2
采用本发明的方法制备变形Ti45Al8.5Nb(0.2W0.1B0.05Y)合金叶片，具体步骤如下：
S1：采用冶金铸锭法，利用磁悬浮真空熔炼炉等进行铸锭熔炼，并且采用石墨模具浇筑成型获得圆柱体坯料，所述圆柱体坯料的高度约为150mm，直径95mm；铸锭熔炼的温度1600℃，真空度为8×10-3Pa，熔炼次数为3次，氩气气氛保护，浇筑模具为石墨模具；
S2：将所述圆柱体坯料放入热等静压炉中进行组织均匀化热处理，所述热处理的温度为1230℃，时间为6h，得到热处理后的坯料；
S3：将热处理后的坯料进行包套处理，得到包套处理后的坯料；包套处理的材料为314不锈钢；
S4：将包套处理后的坯料进行高温包套锻造，锻造温度为1280℃、终锻温度为1200℃，锻造变形速率为1s-1，随后空冷并进行低温退火热处理(900℃/3h)，拆除包套，得到变形TiAl合金坯料；
S5：将变形TiAl合金坯料进行线切割，工艺参数为工作电流5.5A、脉冲宽度13μs、脉冲间隔为7μs；随后进行铣削加工，刀具采用硬质合金涂层刀具、粗铣主轴转速为1200r/min，进给量0.15mm/r，切深0.13mm，精铣主轴转速700r/min，进给量0.05mm/r，切深0.05mm；最后将坯料进行磨抛加工，粗磨采用棕刚玉砂轮，精抛采用羊毛轮，得到变形Ti45Al8.5Nb(0.2W0.1B0.05Y)合金叶片。
实施例3
采用本发明的方法制备变形Ti44Al7.5Nb1.0Mn1.0Cr(0.2B0.2Y)合金叶片，具体步骤如下：
S1：采用冶金铸锭法，利用磁悬浮真空熔炼炉等进行铸锭熔炼，并且采用石墨模具浇筑成型获得圆柱体坯料，所述圆柱体坯料的高度约为150mm，直径75mm；铸锭熔炼的温度为1650℃，真空度为8×10-3Pa，熔炼次数为3次，氩气气氛保护，浇筑模具为石墨模具；
S2：将所述的圆柱体坯料放入热等静压炉中进行组织均匀化热处理，所述热处理的温度为1230℃，时间为6h，得到热处理后的坯料；
S3：将热处理后的坯料进行包套处理，得到包套处理后的坯料；包套处理的材料为钛合金；
S4：将包套处理后的坯料进行高温包套锻造，锻造温度为1290℃、终锻温度为1200℃，锻造变形速率为0.7s-1，随后空冷并进行低温退火热处理(800/7h)，拆除包套，得到变形TiAl合金坯料；
S5：将变形TiAl合金坯料进行线切割，工艺参数为工作电流5A、脉冲宽度13μs、脉冲间隔为6μs；随后进行铣削加工，刀具采用硬质合金涂层刀具、粗铣主轴转速为1100r/min，进给量0.13mm/r，切深0.13mm，精铣主轴转速800r/min，进给量0.07mm/r，切深0.05mm；最后将坯料进行磨抛加工，粗磨采用棕刚玉砂轮，精抛采用羊毛轮，得到变形Ti44Al7.5Nb1.0Mn1.0Cr(0.2B0.2Y)合金叶片。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种制备变形TiAl合金叶片的方法，其特征在于，所述方法包括：
S1：采用冶金铸锭法，将合金原料利用磁悬浮真空熔炼炉进行铸锭熔炼，然后采用石墨或金属模具浇筑成型获得坯料，或者采用粉末冶金法获得坯料，所述坯料为圆柱体；
S2：将所述坯料放入热等静压炉中进行成分均匀化热处理，得到热处理后的坯料；
S3：将所述热处理后的坯料进行包套处理，得到包套处理后的坯料；
S4：将所述包套处理后的坯料进行高温包套锻造，随后空冷并进行低温退火热处理，拆除包套，得到变形TiAl合金坯料；
S5：将所述变形TiAl合金坯料，依次经过线切割、铣削加工、磨抛加工后得到所述变形TiAl合金叶片。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，所述铸锭熔炼的温度为1600～1650℃，真空度为8×10-3Pa，熔炼次数为2-5次，氩气气氛保护，浇筑模具为金属/石墨模具。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，所述热处理在γ固溶温度以下100～500℃的热处理炉中进行，并保温2～24h。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，所述包套处理采用304不锈钢、316L不锈钢和/或钛合金对坯料进行封闭包裹并焊接。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，所述TiAl合金坯料的各元素原子百分比为：Ti(43-48)Al(5-10)Nb-X-Y，其中X元素选自Mo、Cr、V、Ta、W、Mn和Re中的一种或多种，Y元素选自C、B、Si和N中的一种或多种，所述X元素原子比总含量不超过3％，Y元素原子比总含量不超过1％，其余为杂质元素。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，所述锻造的温度为1200～1300℃，终锻温度不低于1180℃，变形速率为0.3～1.5s-1；所述锻造为单向锻造，锻造变形量≥65％；或者，所述锻造为包套多向锻造，每个方向变形量≤50％；所述锻造的锻造次数≥3次。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，所述退火热处理的炉温为共析温度-500～+500℃，保温时间为3～36h。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5中，所述线切割工作电流5-8A，脉冲宽度12-20μs，脉冲间隔为6-12μs。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5中，所述铣削加工采用五轴数控加工中心HSTM500，刀具采用硬质合金涂层刀具，粗铣主轴转速1000-1500r/min，进给量0.1-0.3mm/r，切深0.1-0.3mm，精铣主轴转速不高于1000r/min，进给量0.05-0.08mm/r，切深0.05-0.08mm。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5中，所述磨抛加工过程中的粗磨过程采用棕刚玉砂轮，精抛过程采用羊毛轮。
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