一种用于改善随形加工钛合金整体叶盘锻件性能一致性的调控处理方法

本发明属于钛基材料热加工领域，具体涉及到一种用于改善随形加工钛合金整体叶盘锻件性能一致性的调控处理方法。

背景技术：

1、钛合金具有比强度高、耐蚀、耐热等优点，因此在航空、航天、石油、化工、能源、汽车、医疗、体育休闲等领域得到广泛应用。随着航空和航天技术的发展，对钛合金尤其是高温钛合金的需求逐渐扩大，技术要求也逐渐提高，如耐温性提高、适于结构一体化设计等。

2、结构一体化设计是近年来提出的一个新设计理念，主要目的是减少零件数量、提高结构效率。结构一体化设计意味着零件尺寸增大、结构复杂性提升，从而导致制备技术难度的提升。因此结构一体化设计思想，需要有先进的材料及工艺技术支撑。

3、近年来，先进航空发动机对高温大尺寸整体叶盘锻件提出强烈需求，同时从减重角度和减少零件种类数量角度，需要尽可能采用盘-鼓整体结构。盘-鼓整体结构的特点是盘和鼓筒采用非机械连接的办法形成一体，制备工艺主要有两种，一是焊接，二是整体锻造。后者可采用模锻直接成形锻坯，工艺流程相对简单，但因为盘和鼓筒合并制造后，锻件尺寸尤其是厚度方向尺寸明显增大，对原材料质量要求提高，后续的性能控制面临巨大挑战。如厚截面高温钛合金锻件由表面到心部存在明显的性能差异，见附图1，服役条件下会在零件局部位置形成应力或应变集中，造成零件过早失效。可见，如果采用整体锻造的方法制备盘-鼓一体化结构，需要解决由表面到心部力学性能差异过大的问题，即性能一致性控制技术难题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于改善随形加工钛合金整体叶盘锻件性能一致性的调控处理方法，具体方案如下：

2、一种用于改善随形加工钛合金整体叶盘锻件性能一致性的调控处理方法，适用的高温钛合金材料为ta32、ta33、ta37、ta38，这些材料的共同特征为高温热处理后采用淬火方式冷却。

3、一种用于改善随形加工钛合金整体叶盘锻件性能一致性的调控处理方法，其工艺步骤如下：

4、步骤一：随形加工毛坯设计：在厚度≥100mm的高温钛合金整体叶盘模锻件基础上，根据零件图，设计随形加工毛坯图；

5、步骤二：随形加工毛坯高温淬火处理：随形加工毛坯在电炉中加热到α+β/β相变点以下50℃～10℃范围内的温度，热透后保温1h～5h，保温结束后出炉；

6、步骤三：随形加工毛坯性能一致性的调控处理：随形加工锻件毛坯在电炉中加热到800℃～850℃范围内的温度，要求到温或设定温度以下10℃装炉，待炉温重新回到设定温度后开始计时，保温时间τ要求在10min～0.5δmin+20min之间，热透时间按锻件最薄位置厚度的0.5倍估算。

7、步骤四：随形加工锻件毛坯强化处理：随形加工锻件毛坯在电炉中加热到650℃～750℃范围内的温度，热透后保温2h～50h。

8、所述的一种用于改善随形加工钛合金整体叶盘锻件性能一致性的调控处理方法，其优选方案为，步骤一中，要求随形加工毛坯图任一位置至少有一个方向的尺寸在30mm～100mm之间，且该方向为尺寸最小方向。

9、所述的一种用于改善随形加工钛合金整体叶盘锻件性能一致性的调控处理方法，其优选方案为，步骤二中，出炉后执行水淬或油淬操作。

10、所述的一种用于改善随形加工钛合金整体叶盘锻件性能一致性的调控处理方法，其优选方案为，步骤三中，δmin为随形加工锻件毛坯不同位置、不同方向最小尺寸，保温结束后空冷到室温或600℃以下的温度。

11、所述的一种用于改善随形加工钛合金整体叶盘锻件性能一致性的调控处理方法，其优选方案为，步骤四中，保温结束后空冷、炉冷或控温冷却到室温。

12、所述的一种用于改善随形加工钛合金整体叶盘锻件性能一致性的调控处理方法，其优选方案为，根据成品零件形状对锻件进行随形加工，去除部分材料后再进行热处理，制备工艺为锻造→随形加工→热处理→精加工。

13、本发明的优点及有益效果是：

14、本申请案针对先进航空发动机对大尺寸高温钛合金叶盘及结构一体化的设计要求，其基本思路是首先对锻件毛坯(附图2)进行随形加工(附图3)，去除多余材料，然后采用淬火工艺，实现锻件硬度或强度的整体提高，但由于低热导率，锻件表面和心部仍存在明显的显微组织和性能差异。为此引入中温热处理调控工艺，严格控制处理温度和时间，使锻件表面强度和硬度显著降低，心部强度和硬度小幅降低或不降低，从而实现主要或关键性能一致性的有效改善。采用该调控处理方法，可以有效降低大尺寸复杂结构整体叶盘锻件尤其是随形加工锻件淬火处理后厚度方向存在的明显的显微组织和力学性能差异，改善力学性能的一致性，见附图4和5，避免零件不同部位因为组织性能差异太大带来的应力或应变集中问题。

15、应用本发明的调控处理方法后：

16、1、锻件随形加工后施加高温淬火处理，提高了锻件强度储备；

17、2、对淬火锻件施加800℃～850℃范围内的调控处理，严格控制保温时间，减小表面和心部显微组织差异，提高锻件由表面到心部力学性能的一致性；

18、3、工艺简单，调控处理过程无需工装卡具，方便现场操作；

19、4、随形加工锻件由表面到心部力学性能均匀性显著提升，避免了因淬火形成的梯度变化组织带来的力学性能的不一致性，降低了零件使用风险。

技术特征：

1.一种用于改善随形加工钛合金整体叶盘锻件性能一致性的调控处理方法，其特征在于：适用的高温钛合金材料为ta32、ta33、ta37、ta38，这些材料的共同特征为高温热处理后采用淬火方式冷却。

2.按权利要求1所述的一种用于改善随形加工钛合金整体叶盘锻件性能一致性的调控处理方法，其工艺步骤如下：

3.按权利要求2所述的一种用于改善随形加工钛合金整体叶盘锻件性能一致性的调控处理方法，其特征在于：步骤一中，要求随形加工毛坯图任一位置至少有一个方向的尺寸在30mm～100mm之间，且该方向为尺寸最小方向。

4.按权利要求2所述的一种用于改善随形加工钛合金整体叶盘锻件性能一致性的调控处理方法，其特征在于：步骤二中，出炉后执行水淬或油淬操作。

5.按权利要求2所述的一种用于改善随形加工钛合金整体叶盘锻件性能一致性的调控处理方法，其特征在于：步骤三中，δmin为随形加工锻件毛坯不同位置、不同方向最小尺寸，保温结束后空冷到室温或600℃以下的温度。

6.按权利要求2所述的一种用于改善随形加工钛合金整体叶盘锻件性能一致性的调控处理方法，其特征在于：步骤四中，保温结束后空冷、炉冷或控温冷却到室温。

7.按权利要求1所述的一种用于改善随形加工钛合金整体叶盘锻件性能一致性的调控处理方法，其特征在于：根据成品零件形状对锻件进行随形加工，去除部分材料后再进行热处理，制备工艺为锻造→随形加工→热处理→精加工。

技术总结
本发明属于钛基合金领域，具体涉及到一种用于改善随形加工钛合金整体叶盘锻件性能一致性的调控处理方法，包括适用的合金类型、叶盘特征结构形式及处理工艺参数等组成要素。采用本发明热处理工艺处理TA33、TA37、TA38等合金整体叶盘锻件，可在最大限度提高强度的前提下，改善锻件不同位置力学性能尤其是拉伸强度的一致性。本专利技术可用于盘‑鼓一体化设计的航空发动机整体叶盘锻件热处理，满足先进航空发动机对大尺寸整体叶盘锻件的应用需求。

技术研发人员：王清江,谭海兵,钟燕,刘建荣,汪亮亮,王静,李文渊
受保护的技术使用者：中国科学院金属研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12