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    TC17合金均質(zhì)整體葉盤毛坯等溫成形技術研究

    2017-06-01 12:31:12趙興東沈陽黎明航空發(fā)動機集團有限責任公司
    鍛造與沖壓 2017年3期
    關鍵詞:葉盤斷裂韌性毛坯

    文/趙興東·沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責任公司

    TC17合金均質(zhì)整體葉盤毛坯等溫成形技術研究

    文/趙興東·沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責任公司

    確定TC17合金均質(zhì)整體葉盤毛坯的熱加工工藝,生產(chǎn)出組織和性能均符合標準要求的大型整體葉盤毛坯,進行了鍛造工藝、熱處理制度對TC17合金均質(zhì)整體葉盤毛坯組織和性能影響的研究。試驗結果表明,采用近β等溫鍛成形+雙固溶處理可實現(xiàn)整體葉盤毛坯不同部位綜合性能的良好匹配,保證了不同部位對性能的不同設計要求。

    整體葉盤對盤而言要有高的強度、斷裂韌性、抗裂紋擴展能力、蠕變性能和較高的低周疲勞,葉片要有高的強度、塑性、熱穩(wěn)定性、高周疲勞性能。要在一個鍛件上同時滿足各項性能指標,采用合理的鍛造工藝及熱處理工藝是獲得綜合性能優(yōu)良鍛件的關鍵。某發(fā)動機用整體葉盤鍛件最大直徑近1100mm,重量達500kg。考慮葉盤不同部位性能各有側重又彼此兼顧的要求,開展了整體葉盤等溫鍛造工藝參數(shù)和熱處理工藝對TC17合金盤件組織和性能影響的研究。

    試驗方案

    鍛造工藝試驗

    ⑴試驗材料。試驗用棒料(φ170mm×440mm)相變點為 895℃,將棒材加熱到850℃,在水壓機上鍛造,變形量75%,鍛成圓餅后分成六個相同的扇形餅坯。

    ⑵試驗方案。①β鍛造工藝試驗。將1個扇形餅坯再次鍛造,坯料加熱溫度920℃, 變形量50%,鍛后空冷。經(jīng)固溶+時效(800℃保溫4h,水冷+620℃保溫8h,空冷)處理后,進行組織性能檢測。②α+β鍛造工藝試驗。將其余5個扇形餅坯再次鍛造,變形量50%,每個扇形餅坯的加熱溫度和冷卻方式見表1。經(jīng)固溶+時效處理后,進行組織性能檢測。

    熱處理工藝研究

    ⑴試驗材料。試驗料是采用近β鍛的整體葉盤鍛件。

    表1 α+β鍛造工藝試驗方案

    ⑵試驗方案。將盤件分成兩個半盤,對每個半個盤件進行不同制度的熱處理,具體方案見表2。處理后進行組織性能檢測。

    表2 熱處理試驗方案

    試驗結果與分析

    鍛造工藝試驗

    ⑴β鍛造工藝試驗。β鍛的組織見圖1,性能數(shù)據(jù)見表3及表4。試驗表明,采用β鍛工藝,鍛件的組織為典型的網(wǎng)藍組織,其室溫拉伸、高溫拉伸、熱穩(wěn)性能均能達到指標要求,特別是斷裂韌性、蠕變性能好,但高周疲勞性能數(shù)據(jù)偏低,無法達到性能指標要求。

    ⑵ α+β鍛造工藝試驗。α+β鍛的組織見圖2,性能數(shù)據(jù)見表5、表6。

    圖1 β鍛的組織

    從圖2可以看出,α+β鍛后經(jīng)固溶+時效處理,組織均為等軸組織,但兩種溫度下鍛造后的組織中的α相的數(shù)量有明顯的差異,880℃(近β鍛)組織中α的數(shù)量約為25%,與雙態(tài)組織相似;而845℃(兩相鍛)組織中α的數(shù)量約為40%,是典型的等軸組織。相同溫度鍛后不同冷卻方式對組織的影響不大,隨著冷速的增加,等軸α相略有減少,條狀α略有增加,α相總量基本沒變。

    從表5、表6中可以看出,采用(α+β)兩相區(qū)下部鍛造工藝,其室溫性能、高溫性能、高周疲勞性能、低周疲勞均能達到目標要求,但(α+β)兩相區(qū)下部鍛造斷裂韌性、蠕變性能較差;采用近β鍛造工藝,其室溫性能、高溫性能、高周疲勞性能滿足目標要求的同時,其斷裂韌性較(α+β)兩相區(qū)下部鍛造的數(shù)據(jù)有很大的提高,蠕變性能也有所改善,解決了強度、塑性、韌性、蠕變性能和高低周疲勞性能的綜合匹配問題。近β鍛鍛后冷速對力學性能也有一定的影響,水冷的強度和高周疲勞性能比空冷的略高些。

    熱處理工藝試驗

    ⑴高倍組織。兩種不同熱處理制度下的盤件高倍組織見圖3。

    表3 β鍛造組織力學性能數(shù)據(jù)一

    圖2 α+β鍛的組織(×500)

    表4 β鍛造組織力學性能數(shù)據(jù)二

    表5 α+β鍛造組織力學性能數(shù)據(jù)一

    表6 α+β鍛造組織力學性能數(shù)據(jù)二

    從圖中可以看出,經(jīng)均勻化(880℃保溫2h,風冷)處理較未均勻化處理的盤高倍組織中等軸α相減少,條狀α增加,α相總量略有減少。

    ⑵力學性能。兩種不同熱處理制度下盤件力學性能見表7、表8。

    為了提高輪盤的斷裂韌性,在熱處理(800℃/4h,水冷+630℃/8h,空冷)之前,增加一次高溫均勻化(880℃)處理,以期適當降低合金的強度來提高輪盤的KIC值。由表7、表8可知,在固溶時效處理之前,增加一次均勻化處理,其室溫強度降低,從而改善了輪盤的平面應變斷裂韌性值(KIC)。另外,增加一次均勻化處理,雖使盤件的室溫拉伸性能、室溫高周軸向應力疲勞強度有所降低,但均能滿足標準要求。

    從組織來看,即使在等軸組織中,等軸α相的數(shù)量和大小同樣影響合金的斷裂韌性,減少組織中等軸α相的數(shù)量,斷裂韌性增高。在固溶時效之前,增加均勻化處理,正是出于減少等軸組織中的等軸α相,增加條狀α的目的。試驗結果表明,增加一次高溫均勻化處理以適當降低合金的強度,有利于提高輪盤的斷裂韌性。

    整體葉盤毛坯的試制

    成形工序

    基本成形工序:下料→加熱(兩相區(qū))→制坯→加熱(兩相區(qū))→鐓餅→粗加工→探傷→加熱(近β相區(qū))→等溫鍛→熱處理(雙固溶+時效)。

    試制結果

    ⑴力學性能。解剖件的力學性能見表9、表10。

    圖3 兩種熱處理制度下盤件的高倍組織

    表7 室溫拉伸性能

    表8 室溫斷裂韌性性能和高周軸向應力疲勞性能

    檢測結果表明,整體葉盤葉片部位的室溫拉伸、硬度、熱穩(wěn)定、缺口位伸、高溫拉伸、高溫持久、高周疲勞性能,盤件部位的室溫拉伸、沖擊、低循環(huán)疲勞、斷裂韌性、高溫蠕變性能均符合標準要求。

    ⑵高低倍組織。低倍組織無冶金缺陷,高倍組織(見圖4)基本上是雙態(tài)組織,組織中等軸α相的含量為15%~20%,低高倍組織均符合標準要求。

    表9 力學性能(葉片部位)

    表10 力學性能(盤部位)

    圖4 不同部位的高倍組織

    結論

    ⑴確定的近β等溫鍛造,并經(jīng)雙固溶加時效處理的工藝,可使整體葉盤毛坯獲得優(yōu)異的綜合性能,既能滿足葉片具有高的強度、塑性和高周疲勞性能,又能滿足輪盤好的高溫性能、低周疲勞性能和斷裂韌性性能要求。

    ⑵試制的整體風扇葉盤毛坯,組織和性能均達到了技術標準要求。

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