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TiAl合金锻造工艺试验与验证
通过对一种TiAl合金进行普通锻、等温锻成形试验,以及等温锻不同变形速率、不同变形温度对组织的影响试验研究,初步确定了TiAl合金的热加工工艺参数,实现了一种TiAl合金等温锻造成形,为合金在新型航空发动机上工程应用时结构设计和工艺参数的选择奠定了技术基础。

TiAl合金具有密度低,高温强度高,抗氧化性和刚性好的特点,同时还具有较好的抗蠕变性能。因此TiAl合金被认为是一种理想的富有开发应用前景的航空、航天、军事及民用系列的新型高温结构材料。然而,其较低的高温塑性导致材料的塑性成形性非常差,使得钛铝合金的加工与成形非常困难,从而严重制约了钛铝合金在工程领域的应用。
近十几年来,国内研究人员在钛铝合金材料的室温塑性、断裂韧性等力学性能及热加工工艺性能研究方面取得了显著的进步,将变形γ-TiAl合金室温抗拉强度提高到了800MPa,室温拉伸塑性提高到了3%。目前国内TiAl合金还停留在实验室阶段,还没有形成比较系统的工程化的棒材、锻件技术标准,尚未批量生产和实际应用。未来的高推比发动机高压压气机机匣、叶片等高温部件拟采用TiAl合金材料制造,而目前国内航空发动机主机厂所对TiAl合金工程应用研究较少,因此有必要开展TiAl合金工程化的工艺试验研究。

试验材料

试验用TiAl合金(Ti-46Al-2.5V-1.0Cr-0.3Ni)材料采用真空自耗+真空凝壳+真空自耗的组合工艺冶炼,铸锭的成品规格为φ100mm。棒材采用两次挤压工艺成形,挤压过程中采用不锈钢作为包套材料。经二次挤压、车光外圆后达到所需试验用棒材的尺寸。试验用TiAl合金主要化学成分见表1,高倍及低倍组织见图1,高倍组织为α+γ两相双态组织,低倍组织未见缺陷。

主要试验设备

试验件普通锻造压扁采用10MN电动螺旋压力机,等温锻造采用6.3MN四柱液压机,加热采用箱式电炉。

试验结果与分析

涂覆材料和涂覆工艺对锻件成形质量的影响试验

⑴试验方案。
试验用玻璃润滑剂是由北京天力创玻璃科技开发有限公司提供的,三种成分不同玻璃润滑剂中标记a号的玻璃润滑剂为TG-6;标记b号的玻璃润滑剂为P91-35m;标记c号的玻璃润滑剂为Ti-1200。对三种玻璃润滑剂进行加热试验,根据表面残留玻璃润滑剂状态进行效果分析,确定适合TiAl合金的最佳玻璃润滑剂,具体试验方案见表2。
⑵试验结果。
1)加热温度1100℃,保温20分钟后出炉,涂覆b号玻璃润滑剂的出现粘盒现象;涂覆c号玻璃润滑剂的,在出炉10分钟后玻璃润滑剂大部分脱落,20分钟后几乎全部脱落;涂覆a号玻璃润滑剂的玻璃涂层状态良好。
2)加热温度1200℃,保温加热20分钟后出炉,涂覆b号玻璃润滑剂出现粘盒现象,且表面玻璃润滑剂不均匀;涂覆c号玻璃润滑剂表面状态较好,但局部有起层现象;涂覆a号玻璃润滑剂的玻璃涂层状态良好。
3)综合两组加热温度的试验情况分析,三种玻璃润滑剂涂覆效果对比,a号玻璃润滑剂效果最佳。

普通锻造工艺试验

⑴试验方案。

方案一:棒料表面涂玻璃润滑剂+石棉毡+包套+涂玻璃润滑剂+石棉毡,加热温度1200℃,保温15~20分钟,变形量20%。

方案二:棒料表面涂玻璃润滑剂+石棉毡+包套+涂玻璃润滑剂+石棉毡,加热温度1200℃,保温120分钟,变形量20%。
⑵试验结果。
两次试验结果都没有达到预期目的,全部出现裂纹。分析原因主要是1000吨螺旋压力机变形速率太快,不利于塑性较差的TiAl合金变形。另外普通锻模具温度低,坯料温降快,导致压扁时出现裂纹。

等温锻压扁工艺试验

⑴试验方案。
制定了三个试验方案,选择不同的加热温度和变形速率,坯料尺寸φ16mm×40mm,如表3所示。
试验方案一:炉外加热温度1200℃,加热器温度950℃,棒料保温时间1.5~2小时,变形速率选择0.02mm/s、0.05 mm/s,变形量34%~42%,试验件共2件。
试验方案二:先对棒料进行了预热处理,热处理制度1280℃/12/AC+950℃/12/FC。炉外加热温度1250~1300℃,加热器温度950℃,变形速率选择0.04mm/s,试验件共5件。
试验方案三:先对棒料进行了预热处理,热处理制度1280℃/12/AC+950℃/12/FC。炉外加热温度1300℃,加热器温度950℃,棒料保温时间1.5~2小时,变形速率选择0.04mm/s,变形量28%,试验件共4件。
⑵试验结果。
1)压扁试验件低倍组织。
方案一试样的压扁变形量在30%左右,冷却到室温后用砂轮机打磨周边将包套去除,发现锻件表面有裂纹,见图2(a)。
方案二试样由于进行了预处理,并将加热温度提高了50~100℃,压扁后状态明显好于方案一,但表面也有小裂纹。从方案二试样看,加热温度1300℃的表面裂纹比加热温度1250℃少,加热时间越长表面裂纹越多,将表面裂纹抛光去除并纵向剖开,发现有2件中间已存在裂纹,见图2(b)。
方案三试样在加热温度和变形速率相同的情况下,加热时间越长,表面状态就越不好,见图2(c)。
2)压扁试验件高倍组织。
将试验方案二中1#试件(加热温度1250℃)和4#试件(加热温度1300℃)横向剖开,见图3。
压扁试样的组织为片层团(γ/α2)和等轴γ晶粒组成的两相双态组织,其中片层团体积分数在30%~40%。γ/α2相呈片状组织,最大的片状组织尺寸在70~80μm左右;白色的γ相晶粒呈等轴组织,由于压扁后空冷,冷却速度快,γ相晶粒空冷时未完全析出,高倍组织见图4(a)、图4(b)。由图可看出两组加热温度的组织状态无明显的差别。
通过对TiAl合金等温锻造不同变形速率、不同变形温度及不同变形量对组织影响试验研究,初步确定了TiAl合金的热加工工艺参数,加热温度不低于1200℃,试样需进行包套保护,防止转移过程中温降过快,变形速率选择0.02~0.07mm/s比较合适,一次变形量控制在20%~30%。

锻件设计及等温锻工装研制

⑴锻件图设计。
叶身按叶盆、叶背最大轮廓包容后单面按1.5mm余量设计,轴杆单面余量为2.0mm,Z方向加长7mm余量用于装夹定位,锻件图见图5。
⑵等温锻模具研制。
热等静压成形GHF97合金模具毛坯,采用电脉冲加工成形等温锻用模具,承温能力达1200℃。模具图见图6。
⑶加热器的研制。
TiAl合金叶片等温锻造模具加热器自带控温系统,并与等温锻模具和液压机上下砧板连接,稳定工作温度为1100~1250℃。加热器采用电阻加热,电源采用三相四线制,380V、50Hz,额定功率约为30kW。加热装置的安全性能方面,设置联锁保护开关,当炉门开启时,自动切断电源,并且要使用具有接地保护或可靠绝缘操作工具、加热装置电热引出棒或引出线的接线端处设有安全保护罩壳。等温锻模具加热器由活动炉门、炉体、上连接结构、下连接结构、控温系统,记录系统等构成。

TiAl合金叶片锻件试制

等温预锻试制

坯料表面涂玻璃并用5mm厚的石棉毡包裹。坯料在炉外温度为800℃时入炉加热升温到1220℃,保温3.5小时,速率0.07mm/s。等温锻加热器温度为1050℃。叶身变薄量为24.8%,轴杆变形量为21%。对预锻件进行吹砂、腐蚀、去除缺陷、光饰等处理。

等温终锻试制

预锻件表面涂玻璃润滑剂,然后石棉毡包裹。在800℃时入炉加热升温到1220℃,保温3小时。等温锻加热器温度为1050℃。速率0.07mm/s。锻件取出后立刻用石棉毡包裹,防止温降快产生裂纹。变形量控制在20%~40%。

锻件质量评估

⑴高、低倍组织。
纵向低倍组织见图7,横向高倍组织见图8。低倍组织未见目视可见的裂纹、夹杂、偏析、缩孔、气孔及其他冶金缺陷。高倍组织为(α+γ)两相区锻造的典型组织。

⑵力学性能。

等温压扁件进行室温拉伸、高温拉伸、高温持久、室温旋转弯曲疲劳性能检测,具体性能指标见表4,由表4可看到,室温和高温性能均达到较高水平。

结论

⑴涂覆材料加热试验表明,标号a牌号为TG-6的玻璃润滑剂更适合TiAl合金高温加热。
⑵普通锻压扁试验证明TiAl合金不适合普通锻造成形。
⑶等温锻造试验表明,TiAl合金等温锻造成形是可行的,加热温度选择1200~1250℃,试样需进行包套保护,防止转移过程中温降过快;变形速率选择0.02~0.07mm/s比较合适,变形量控制在20%~40%。
⑷力学性能检测结果表明叶片试验件具有良好的室温拉伸、高温拉伸和高温持久性能。


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