CN1439467A - 热强钛合金叶片的挤压、精密辊锻方法 - Google Patents

热强钛合金叶片的挤压、精密辊锻方法 Download PDF

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Abstract

一种热强钛合金叶片的挤压、精密辊锻方法，采用挤压小余量半精锻叶片作为辊锻工艺的坯料，采取有效防护润滑涂层，和采用化学铣削工艺清除各种加热中形成的污染层；优选中温辊锻工艺实现了中、小型压气机钛合金叶片微余量(≤0.10mm)的精密辊锻成形；以及采用真空除氢和调整叶片组织性能的热处理相结合的工艺，主要工艺流程是：下料，涂玻璃润滑剂；热挤压；打磨、清理玻璃润滑剂；化铣除污染层；真空再结晶退火；粗加工叶片榫头及转接圆角；温热辊锻；第二次除玻璃润滑剂及化铣除污染；真空除氢及再结晶退火；校正；第二次退火；精密机械加工，本发明具有工艺简单、制坯容易、设备投资少、制品性能优良等优点。

Description

热强钛合金叶片的挤压、精密辊锻方法
所属技术领域
本发明涉及一种合金叶片的精锻方法，具体讲是涉及一种钛合金叶片的精密辊锻成形的工艺方法，特别是一种适合于热强钛合金叶片的精密辊锻的工艺方法。
背景技术
叶片生产是航空发动机制造业十分重要的一部分，叶片制造技术的水平在一定程度上反映了发动机制造技术的水平。由于航空发动机叶片是一种具有空间曲面的复杂形状的零件，在加工过程中往往需要采用仿型铣或者电解等加工技术。而现代发动机的性能要求叶片材料的合金化愈来愈高，因而加工难度愈来愈大。因此，一些发达国家，即使精锻工艺十分昂贵，叶片制造仍然向精锻方向发展。特别是热强钛合金，由于具有高的切削抗力，差的导热性能，低的弹性模量等特点，使它较沉淀硬化不锈钢的加工还要困难得多。为此，探索钛合金的精密成形工艺，实现少、无切削，便成为国内外叶片制造业十分关切的课题。
目前，现有技术对钛合金叶片的精锻通常采用平锻机(水平分模)制坯，精锻压力机或螺旋锤等重型设备成形，然后采用化学铣削和辅助的机械加工来制造。此种工艺的缺点是需要大吨位的精密锻压设备和为了达到叶片精密型面控制的繁杂的工序过程以及复杂的精密模具制造技术，经费也十分昂贵。
七十年代以来，国内辊锻技术的迅速发展为叶片、特别是中小型叶片的精密成形提供了新的途径。马氏体不锈钢制压气机叶片的无余量辊锻已在国内获得成功的应用。从1974年开始，本发明者开展了钛合金辊锻工艺的研究，1981年成功地冷辊锻了无余量的TC3钛合金叶片，但是热强钛合金，由于它在冷态下低的塑性、高的变形抗力和在热态下不同于其它合金的特有的O、N污染脆化问题，使其在国内外精密辊锻成形技术尚未获得突破。
发明内容
本发明的目的是克服已有技术之不足，开发研制出余量在0.1mm以下的热强钛合金叶片的挤压，精密辊锻成形工艺方法，达到工艺简单、先进，制坯预成形叶片无需精密控制，叶片性能优良，设备投资少，具有良好的经济效益。
实现本发明目的的技术解决方案是，采用挤压小余量半精锻叶片作为辊锻坯料，以减少精锻工序的变形量和辊锻道次；采用化学铣削工艺清除各种加热中形成的污染层；以及为控制叶片氢含量和扭曲变形，保证综合性能而采用真空除氢和调整叶片组织性能的热处理相结合的工艺。温热辊锻叶片的主要工艺流程是：
1下料，2热挤压，3打磨、清理玻璃润滑剂，4化铣除污染层，5真空再结晶退火，6粗加工叶片榫头及转接圆角，7温热辊锻，8第二次除玻璃润滑剂及化铣除污染，9真空除氢及再结晶退火，10校正，11时效(第二次退火)，12精密机械加工。
上述下料、热挤压是指选用符合标准的钛合金热轧棒材作为原料，切割成一定长度，表面浸涂FR3玻璃润滑剂，控温tβ-(40～50℃±10℃)(tβ-钛合金的α+β→β的相变温度，下同)条件下，加热20～30min，出炉在压力机上压扁为扁材，再经苛性钠和硝酸钠混合的熔融碱槽，在480～500℃条件下，经30min水淬碱崩除去玻璃润滑剂和吹砂处理，然后沿横纤维方向用铣床逐件下料，磨去两侧表面富氧层；挤压叶片是将坯料喷涂FR6玻璃润滑剂，在2T-M液汽锤上，温度为tβ-(20～50℃±10℃)条件下，经15～20min保温，出炉一次成形，挤压的叶片经打磨、碱崩和吹砂除去毛刺及表面玻璃润滑剂残渣。
上述挤压叶片需进行化铣，目的是清除挤压过程中形成的表面富氧层，以便于随后的加工和辊锻变形。化铣是将挤压叶片浸入内衬塑料板铅槽里的化铣槽液中，控制温度为40～60℃条件下进行。化铣槽组成如下：
HF(60％重量浓度)       90～130g/l
HNO3(65％重量浓度)    200～260g/l
H3PO4(85％重量浓度) 120～160g/l
碳酰胺衍生物           18～25g/l
H2O                   余量
叶片真空退火的目的是去除化铣工序中渗入叶片中的氢和调整叶片辊锻前的原始组织。真空退火在三室真空淬火炉中进行，入炉真空度小于5×10-2Pa。退火工艺条件是：加热温度tβ-(20～160℃)，保温1h20min。
叶片粗加工是为了使叶片在精密辊锻时有一个精确的定位，确保辊锻型面的精度；同时也为了克服成形辊锻中，叶片、叶根转接三角区模具不能充分到位，对辊锻前的挤压叶片毛料需进行粗拉榫头和粗铣叶肩。粗拉榫头采用六点定位，拉削速度根据钛合金的特点，调整到3～4m/min。
叶片的温热辊锻：
叶片的辊锻是在S-112辊锻机上进行，转速13rpm，辊锻半径200mm，平均线速度16.34m/min，辊锻前毛坯叶片身喷涂FR6(改性)玻璃润滑剂，榫头不喷，然后装置于耐热合金托盘，并置于中温电阻炉中加热，加热温度800～900±10℃，保温15～30min，逐件出炉辊锻。模具预热100～150℃，表面刷涂MoS2油剂润滑剂。叶片辊锻一道次成型，终锻温度不低于800℃。
上述喷涂的玻璃润滑剂，选用的FR6(改性)玻璃润滑剂是由8号与9号两种玻璃粉按3∶1比例配制，再与树脂配制而成。
钛合金温辊叶片热处理是温辊重要的一个工序。叶片的最终热处理不仅要使叶片获得良好的、稳定的组织和性能，而且要使叶片的氢含量确保在要求的范围内。这就必须去除温辊后为清理玻璃润滑剂残渣和污染层而进行碱崩、化铣时浸入的氢。所采用的工艺如下：
第一次退火(再结晶退火)：三室真空炉，tβ-(20～160℃)，保温1h，充氩气风机搅拌冷却，5min冷至200℃。入炉真空度小于5×10-2Pa。
第二次退火(时效)：空气箱式炉，tβ-(350～450℃)，保温6h出炉空冷。
本发明显著的优点和效果是：
热强钛合金叶片精密辊锻工艺是一种冷热工艺相结合，冷热加工交错进行的新型叶片制造技术，其整个工艺安排是否合理将决定这项精密成型叶片制造技术的成败。本发明最大的优点就是：1采用挤压小余量半精锻叶片作为辊锻工艺的坯料，以减少精锻工序的变形量和辊锻道次；2采取有效防护润滑涂层，使制坯和辊锻过程中避免氧化和使表面O、N污染降到最低，奠定了精密辊锻的基础；3优选了辊锻温度及辊锻工艺参数，保证了精密辊锻成形的实现；4采用化学铣削工艺清除各种加热中形成的污染层；5为控制叶片氢含量和扭曲变形，保证综合性能而采用真空除氢和调整叶片组织性能热处理相结合的工艺。
本发明的效果是：1热强钛合金采用挤压工艺制取半精锻坯料，然后温热辊锻精密成形可生产叶身余量小于0.1mm、仅需抛光加工的精密辊锻压气机中、小型叶片；2采用本发明生产的叶片具有良好的综合性能和组织，并且有极低的氢含量。经温热辊锻的TC11钛合金叶片强度达到1213MPa以上，振动疲劳 σ-1达到575MPa，氢含量在15ppm以下，成品叶片氢含量不大于80ppm；3温热辊锻TC11热强钛合金叶片的低倍组织为不可见晶粒的毛玻璃状组织，流线分布沿叶身纵向，高倍组织为等轴α和β转变组织组成的双态组织；4热强钛合金温热辊锻工艺与已有技术精锻工艺相比，具有工艺简单、制坯容易、设备投资少、制品性能优良以及经济效益好等优点。
具体实施方式
例1，选取TC11、Φ28的钛合金热轧棒材作为原料(上钢五厂生产)，切割一定长度，表面浸涂FR3(市场销售)玻璃润滑剂，tβ-(50℃±10℃)条件下加热20min，出炉在压力机上压扁为13×45mm的扁材，再经苛性钠和硝酸钠混合熔融碱槽，在480～500℃，进行30min水淬碱崩除去玻璃润滑剂和吹砂处理，然后沿横纤维方向用铣床逐件下料，磨去两侧表面富氧层。将上述坯料喷涂FR6(市场销售)玻璃润滑剂，加热温度为tβ-(30℃±10℃)，保温15min，同时将模具预热到150℃，模具选用Bd2水剂低温玻璃润滑剂。坯料置于模具中，用2T-M液汽锤进行挤压一次成型。挤压叶片经打磨、碱崩和吹砂处理去除毛刺及表面玻璃润滑剂残渣；
将上面的挤压叶片进行化铣，化铣槽液采用氢氟酸、硝酸、磷酸混合洗液和适当的添加剂配制而成：
HF(60％重量浓度)       120g/l
HNO3(65％重量浓度)    260g/l
H3PO4(85％重量浓度) 160g/l
碳酰胺衍生物           20g/l
H2O                   余量
化铣在内衬塑料板的铅槽里，控制槽液温度为40℃以下进行。经过化铣的叶片表面呈银白色，光洁度良好。
叶片真空退火在三室真空淬火炉中进行，入炉真空度为5×10-2Pa，出炉真空度3.46×10-2Pa，控制退火温度为tβ-(50℃±10℃)，保温1h，降至加料室，破真空空冷。真空退火后叶片硬度HB(d)＝3.6～3.4，叶片未发现挠曲变形；然后对辊锻前的挤压叶片毛料进行粗拉榫头和粗铣叶肩。粗拉榫头采用六点定位，拉削速度为4m/min；
叶片的温热辊锻是在S-112辊锻机上进行，辊锻机转速13rpm，辊锻半径200mm，平均线速度16.34m/min。辊锻前毛坯型面喷涂由8号玻璃粉与9号玻璃粉，按3∶1比例配制，再与树脂配制成FR6(改性)玻璃润滑剂，榫头不喷，然后装置于耐热合金托盘中，并置于中温电阻炉中加热，加热温度为tβ-(100℃±10℃)，保温15min，逐件出炉辊锻。模具预热≥100℃，表面刷涂MoS2油剂润滑剂。叶片辊锻一道次成型，终锻温度不低于800℃。温辊锻后的叶片要进行碱崩和化铣。
温辊叶片热处理分两次退火处理：
第一次退火即再结晶退火，温度为tβ-(50℃±5℃)，保温1h，通氩气风机搅拌冷却，冷速5min冷至200℃后，出炉空冷，入炉真空度为5×10-2Pa，保温后为3.86×10-2Pa；
第二次退火在空气箱式炉中进行，控制温度为530℃±5℃，保温6h出炉空冷。
经第一次退火后，叶片表面是银白色，无氧化现象，但经型面测定，发现少量在热处理前经过校形的叶片(辊锻后校形)基本恢复了原形，因此，真空退火并除氢的叶片，在第二次退火前，对发生变形的部分叶片有必要增加一次热校正，以保证型面的透光要求。校正温度为530℃±5℃，保温40min，逐件出炉手工掰校，校形后在不高于时效温度的加热下消除应力。
经温热辊锻的TC11钛合金叶片强度达到1213MPa以上，振动疲劳 σ-1达到575MPa，氢含量在15ppm以下，成品叶片氢含量不大于80ppm；温热辊锻TC11热强钛合金叶片的低倍组织为不可见晶粒的毛玻璃状组织，流线分布沿叶身纵向，高倍组织为等轴α和β转变组织组成的双态组织。
例2，选取TC6、Φ28的钛合金热轧棒材作为原料(上钢五厂生产)，除精密辊锻叶片的热处理制度外，其它工艺过程和条件均与例1相同。TC6钛合金精密辊锻叶片按如下制度进行热处理：
等温退化：
在真空炉内，加热到tβ-(90℃±5℃)保温1h，炉冷到tβ-110℃保温2h，通氩气风机搅拌冷却，冷速5min冷至200℃后，出炉空冷。
或双重退化：
第一次退火即再结晶退火，在真空炉内，加热到tβ-(90℃±5℃)保温1h，通氩气风机搅拌冷却，冷速5min冷至200℃后，出炉空冷。
第二次退火在空气箱式炉中进行，控制温度为550℃±10℃，保温5h出炉空冷。
例3，选取TC4、Φ28的钛合金热轧棒材作为原料，除精密辊锻叶片的热处理制度外，其它工艺过程和条件均与例1相同。TC4钛合金精密辊锻叶片按如下制度进行热处理：
真空退火：
在真空炉内，加热到800℃±5℃保温30min，炉冷到500℃，通氩气风机搅拌冷却，冷速5min冷至200℃后，出炉空冷。

Claims (8)

1、一种热强钛合金叶片的挤压、精密辊锻方法，包括下料、打磨、清理玻璃润滑剂、低倍腐蚀检查晶粒度，精抛光，振动光饰，其特征在于：
a.钛合金叶片的坯料制取，是在选用的钛合金热轧棒表面浸涂玻璃润滑剂，控制温度为tβ-(40～50℃±10℃)，加热20～30min压力机上挤压成扁材，并经过清理玻璃润滑剂后，下料、打磨；
b.叶片挤压是在坯料上喷涂玻璃润滑剂，控制温度为tβ-(20～50℃±10℃)，加热15～20min，通过模具经液气锤一次挤压成型，并除去玻璃润滑剂；
c.挤压叶片化铣是经化铣槽液，控制槽液温度为40℃～60℃条件下，清除挤压加热过程中形成的表面富氧层；
d.叶片真空退火是经真空淬火炉，退火温度为再结晶退火温度或双重退火的第一次退火温度，保温1～2h，降至加料室，破真空、空冷，去除化铣工序中渗入叶片的氢和调整叶片辊锻的原始组织；
e.叶片的粗加工是粗拉榫头采用六点定位，拉削速度根据钛合金的特点，调整到3～4m/min；
f.叶片的温热辊锻，是经叶片辊锻前喷涂玻璃润滑剂，加热温度为800℃～900℃，保温15～30min，选用适合于温辊条件的模具，并预热，逐件出炉辊锻，叶片辊锻一道次成型，终锻温度不低于800℃。
g.叶片热处理是经过两次退火处理，第一次退火在控制温度tβ-(20～160℃)，保温1h，真空条件下通氩气风机搅拌冷却，第二次退火是在空气箱式炉，控制温度为tβ-(350～450℃)，保温5～6h出炉空冷；
h.校正是在温度为加热不高于第二次退火温度，保温40min，逐件出炉手工掰校。
2、按照权利要求1所述的热强钛合金叶片的挤压、精密辊锻方法，其特征在于：钛合金热轧棒表面浸涂玻璃润滑剂选用FR3玻璃润滑剂，制取的坯料是经苛性钠和硝酸钠混合的溶融碱槽在温度480℃～500℃条件下，进行30min水淬碱崩除去玻璃润滑剂和吹砂处理，然后沿横纤维方向逐件下料，并磨去两侧表面富氧层。
3、按照权利要求1所述的热强钛合金叶片的挤压、精密辊锻方法，其特征在于：钛合金叶片坯料喷涂的玻璃润滑剂选用FR6玻璃润滑剂。
4、按照权利要求1所述的热强钛合金叶片的挤压、精密辊锻方法，其特征在于：叶片挤压时，模具选用Bd2水剂低温玻璃润滑剂，模具预热温度为200℃～250℃。
5、按照权利要求1所述的热强钛合金叶片的挤压、精密辊锻方法，其特征在于：挤压叶片化铣槽液是采用氢氟酸、硝酸、磷酸混合酸洗液和添加剂组成，其配方是：
HF(60％重量浓度)       90～130g/l
HNO3(65％重量浓度)    200～260g/l
H3PO4(85％重量浓度)  120～160g/l
碳酰胺衍生物           18～25g/l
H2O                    余量
6、按照权利要求1所述的热强钛合金叶片的挤压、精密辊锻方法，其特征在于：叶片的的温辊锻是在S-112辊锻机上进行，辊锻机转速为13rpm，辊锻半径200mm，平均线速度为16.34m/min，辊锻前叶片喷涂改性的FR6玻璃润滑剂，模具预热温度为100℃～150℃，表面刷涂MoS2油剂润滑剂。
7、按照权利要求1所述的热强钛合金叶片的挤压、精密辊锻方法，其特征在于：叶片温辊锻前，喷涂改性的FR6玻璃润滑剂是由8号与9号两种玻璃粉按3∶1比例配制，再与树脂配制而成。
8、按照权利要求1所述的热强钛合金叶片的挤压、精密辊锻方法，其特征在于：叶片热处理第一次退火入炉真空度≤5×10-2Pa，冷速为5min冷至200℃。
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