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鈦合金壓氣機盤等溫鍛造

來源:鈦棒,鈦板,鈦管,鈦絲,鈦設備,鈦合金,鈦材 發布時間:2016-5-26 12:00:03
某渦扇發動機壓氣機盤的材料為TC11鈦合金,鍛造溫度很窄,其變形抗力受變形溫度和變形速度的影響較大,所以用一般的鍛造方法難以獲得滿意的微觀組織和理化性能,同時也難以達到滿意的尺寸精度。我們采用等溫鍛造,試件經臺架試驗,通過60h試車和150h模底持久試車,未發現任何故障。
  1、工藝性分析
  某發動機壓氣機1~3級盤材料為鈦合金TC11。TC11是一種綜合性能良好的α+β型合金,有較好的耐熱性和較高的室溫強度。TC11屬Ti_Al_Mo系,名義成分Ti_6.5Al_3.5Mo_2Zr-0.3Si,相轉變α+ββ溫度為1 000 ℃±20 ℃,鍛造溫度為800~950 ℃。由于TC11的變形抗力對變形溫度和變形速度非常敏感,若采用一般的模鍛工藝,模具對坯料的冷卻使鍛坯的實際溫度往往低于規范鍛造溫度,變形抗力增大,提高設備噸位則塑性變低,大大限制了模鍛的變形量。等溫鍛造即把毛坯加熱,放入被加熱到鍛造溫度的恒溫模具中,并以較慢的變形速度變形,不僅可以保持鍛坯溫度,且變形抗力大大減小,降低了設備的噸位。
  2、鍛件設計和環坯尺寸確定
  2.1 鍛件設計
  設計鍛件時要解決以下3個問題。
  2.1.1 加工余量
  為了保證機加后零件表面的質量和粗糙度的要求,加工表面應留有加工余量。等溫鍛造工藝余量尚無資料可查,參考鈦合金模鍛余量,根據壓氣機1~3級盤的零件圖,選擇單面加工余量為2.5 mm。
  2.1.2 出模斜度
  鈦合金模鍛的出模斜度一般為7°,但若在壓力機上進行,模具中設有頂出裝置,出模斜度可選為1°30′~2°30′。
  2.1.3 專留試料
  壓氣機盤的鍛件為Ⅰ類鍛件,每爐批鍛件剖切一件分析鍛件的理化性能,且每個鍛件上要專留試料,以分析該鍛件試料的室溫性能和高倍組織,與剖切件對比,判斷該鍛件理化性能是否合格。壓氣機1級盤鍛件專留試料在尾部,2~3級盤專留試料在中心處。在鍛件成形和熱處理之后,切割下來作理化分析用。
  2.2 鍛前環(餅)坯尺寸的確定
  為了獲得細小的等軸晶粒,環(餅)坯必須有足夠大的變形程度。壓氣機1級盤環坯主要考慮能夠放入凹模型腔中,并保證環坯體積等于鍛件體積,環坯尺寸確定為270 mm×145 mm×55 mm。這樣,1級盤等溫鍛造的斷面縮減率εF=28.3%。對于2,3級盤等溫鍛造的變形量考慮在50%~80%,為便于管理,2,3級盤用的餅坯尺寸統一確定為180 mm×55 mm。
  3 模具設計
  3.1 模具總體結構
  模具安裝在6 300 kN液壓機上,單體式加熱器對模具及模座加熱,水冷板和模座構成通用模架,壓氣機1,2,3級盤模具可安裝在通用模架上。模具采用閉式鍛結構,模座與水冷板用螺釘連接,凸、凹模與模座也用螺釘連接(圖1)。模座與水冷板之間夾有二層石棉板,上、下水冷板開有水冷槽,工作時通水冷卻,以保護液壓機和改善操作條件。
  3.2 模具材料
  K403鎳基鑄造高溫合金,具有良好的高溫強度、高溫耐磨性及抗氧化能力,適于800~1 000 ℃下工作。本模具凸凹模和上、下模座均為K403材料,用2 000 kg半連續式真空熔煉爐FV132澆注而成,對安裝面和型腔表面進行切削加工,頂桿和螺釘也采用K403精鑄而成。上下水冷板采用45鋼。
  3.3 模具型腔尺寸的計算
  為了獲得高精度的鍛件,必須考慮加熱對鈦合金鍛件幾何尺寸和K403模具幾何尺寸的影響。確定模具型腔尺寸的原則是保證鍛件成形后常溫下符合鍛件的尺寸要求。計算采用以下公式:
  Lgj=Lcj(1+αjΔt)          (1)
  Lgm=Lcm(1+αmΔt)       (2)
  (3)
  式中:Lcm——常溫下模具的名義尺寸,mm;
  Lcj——常溫下鍛件的名義尺寸,mm;
  Lgm——鍛造溫度下模具的名義尺寸,mm;
  Lgj——鍛造溫度下鍛件的名義尺寸,mm;
  αm——鍛造溫度下模具平均熱膨脹系數,℃-1;
  αj——鍛造溫度下鍛件平均熱膨脹系數,℃-1;
  Δt——等溫鍛造溫度與常溫的溫差,℃
  鈦合金TC11在950 ℃的αj=10.8×10-6 ℃-1,K403模具在950 ℃的αm=14.7×10-6 ℃-1,Δt=930 ℃。代入(3)式得:Lcm=0.996Lcj。
  鍛件表面潤滑劑的厚度一般取0.3 mm(單邊)。
  3.4 加熱器的設計
  模具加熱采用單體式電阻絲加熱器,安裝在上底板上。加熱器總功率39 kW,經7~8 h后可將重量為410 kg的3級盤模具和360 kg的上、下模座加熱到950 ℃±10 ℃。加熱器在加熱、保溫和壓制過程中使用,在加熱器底部與下水冷板間隙處用硅酸鋁釬維板封堵,減少熱量散失。凸凹模離型面較近處鉆有深度為30 mm的測溫孔,并裝熱電偶,以測定凸凹模型面的溫度,用凸模上的熱電偶自動控制凸凹模的溫度。
  3.5 模具設計的特點
  模具設計的主要特點是通用性好,通過更換凸模、芯模和凹模可鍛出各種形狀的鍛件。閉式鍛結構可省去鍛件毛邊材料的消耗和毛邊所需的變形功,使流線分布更合理,并提高了鍛件質量。電阻加熱器制造簡單,它靠傳導和輻射來傳遞熱量,雖然第一件升溫時間長,但對小批量生產的航空鍛件是適用的。
  4、液壓機慢速系統改造方案
  據資料報道,鈦合金Ti_6Al_6V_2Sn在接近β轉變溫度范圍、滑塊速度由1.27 m/s降到0.015 m/s時,其變形抗力由1 100 MPa下降到250 MPa,下降率約為70%。由此可以看出,選擇較低的變形速度,可使餅坯變形過程中流動應力降低,從而改善模具的受力狀況,以便用噸位較小的液壓機鍛造較大的盤件。
  為充分發揮Y32-630型液壓機的作用,在保留原有功能的基礎上增加等溫鍛造慢速功能(慢速可調),對液壓機慢速機構進行了改造。其原理是在原液壓系統中增加一套裝置,由電磁調速電機驅動小流量泵。小流量泵的公稱流量為1.26 L/min,
  1.軸向柱塞泵;2.電磁調速電機;
  3,4.調壓法蘭;5.單向元件;6.壓力表。
  電磁調速電機轉速在125~1 250 r/min范圍內可調。
  液壓機經改造已達到設計要求,其橫梁工作速度在0.01~0.1 mm/s范圍內可調,經過生產考核,效果較好,滿足了鈦合金等溫鍛造的要求。
  5、工藝步驟
  壓氣機1~3級盤等溫鍛造的工藝步驟為:環(餅)坯進廠→復驗→領料→車→檢查環(餅)坯外形尺寸→吹砂→環(餅)坯預熱(預熱到200~250 ℃,保溫時間以熱透為宜)→表面涂覆(涂FR-11防護潤滑劑,待防護潤滑劑干后,再涂一層FRM-90脫模劑)→加熱(加熱規范為950 ℃±10 ℃,1 h,模具溫度950 ℃)→合模→慢速壓制(0.01~0.1 m/s,總壓力為6 300 kN)→開模→頂出→空冷→吹砂→真空雙重退火→切試料→理化分析→檢驗→入庫。
  6、理化分析
  壓氣機1~3級盤經雙重退火處理(950 ℃±10 ℃×1.5 h,空冷+530 ℃±5 ℃×6 h,空冷),硬度作100%檢查,HBd3.2~3.7。每批鍛件剖切一件,專留試樣每批100%取樣。金相要求作低倍組織、流線和高倍組織檢查。
  通過以上理化分析可知,等溫模鍛后,由于一次變形量大,而且在高溫區慢速變形,再結晶完全,晶粒細化和等軸化,各部位的組織均勻,鍛件獲得細小等軸α+β轉組織,不僅避免了鍛件缺陷的產生,而且還提高了鍛件的機械性能。
 
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