置氢钛合金锻造叶片的锻造工艺 【技术领域】
本发明涉及一种叶片锻造工艺。
背景技术
近年来，随着新型飞机向轻量化、高性能和低成本的方向发展，对其动力系统提出了更高的要求。航空发动机是飞机的“心脏”，而叶片是航空发动机中使用最多的一类零件，在航空发动机中起着能量转换的关键作用。由于航空发动机叶片运行是在高速、高压和高温状态下，工作条件恶劣，钛合金由于具有强度高、耐热性好和耐腐蚀等优点，被认为是航空发动机叶片制造的理想材料之一；但是航空发动机钛合金叶片在锻造生产中，由于锻造温度高，设备载荷大，模具易变形和磨损，导致叶片的尺寸精度降低，叶片的性能难以保证；因此，在精锻钛合金叶片时，对模具的材料性能和强度要求高，这又增加了模具的制造成本，从而使钛合金叶片锻造的生产成本增加。如何降低钛合金叶片的锻造温度，提高钛合金叶片的尺寸精度和改善叶片的性能一直成为钛合金叶片锻造的一大难题。
【发明内容】
本发明的目的是为解决现有航空发动机上的钛合金叶片在锻造生产中，锻造温度高，模具的材料性能要求高及叶片尺寸精度低的问题，提供一种置氢钛合金锻造叶片的锻造工艺。
本发明的置氢钛合金叶片坯料的锻造工艺是通过以下步骤实现的：步骤一、充氢处理：将钛合金叶片坯料经表面用丙酮清洗后，放置在管式置氢炉内，将炉内抽真空至10-3Pa，再将炉内升温至700℃～800℃，保温15分钟，按钛合金叶片坯料的重量百分比充入0.1～0.3％的氢气，充入氢气的流量为1L/min，保温2-4小时，然后将炉内以10℃/min的速度冷却至室温，即得到置氢钛合金叶片坯料；步骤二、机械加工：将置氢钛合金叶片坯料进行机械加工成置氢钛合金叶片预制坯料；步骤三、第一次吹砂处理：对置氢钛合金叶片预制坯料表面进行吹砂处理；步骤四、喷涂润滑剂：在置氢钛合金叶片预制坯料表面喷涂钛合金玻璃润滑剂；步骤五、模具预热：将模具放置于转底式保护气体电炉中预热，预热温度为700℃～800℃，然后将置氢钛合金叶片预制坯料装入预热的模具内，再将装有置氢钛合金叶片预制坯料的模具移至液压机上的电阻炉内升温至800℃～940℃，保温10～20分钟，保温期间温度波动范围为±1℃；步骤六、锻造：对置氢钛合金叶片预制坯料进行锻造，上模压下速度为0.008mm/s～0.1mm/s，直至上、下模具闭合，取出模内置氢钛合金叶片预制坯料，即得到置氢钛合金叶片锻造坯料；步骤七、去飞边：将置氢钛合金叶片锻造坯料去除飞边；步骤八、第二次吹砂处理：对置氢钛合金叶片锻造坯料的表面进行吹砂处理；步骤九、清洗：将步骤八完成的置氢钛合金叶片锻造坯料的表面进行清洗；步骤十、脱氢：将步骤九完成的置氢钛合金叶片锻造坯料置于真空热处理炉内，将炉内温度升至700～800℃，保温5-6小时，叶片随炉冷却至室温，即得到置氢钛合金锻造叶片。
本发明具有以下优点：本发明的置氢钛合金叶片坯料的锻造工艺是在钛合金叶片坯料中添加0.1～0.3％的氢元素，使得置氢钛合金叶片在锻造时，能改善钛合金叶片的成型性能，降低了锻造温度，从而减小模具变形和模具磨损程度，进而提高了钛合金叶片的尺寸精度。
【具体实施方式】
具体实施方式一：本实施方式是通过以下步骤实现的：步骤一、充氢处理：将钛合金叶片坯料表面用丙酮清洗后，放置在管式置氢炉内，将炉内抽真空至10-3Pa，再将炉内升温至700℃～800℃，保温15分钟，使钛合金叶片坯料内外表面温度相同，按钛合金叶片坯料的重量百分比充入0.1～0.3％的氢气，充入氢气的流量为1L/min，保温2-4小时，然后将炉内以10℃/min的速度冷却至室温，即得到置氢钛合金叶片坯料；步骤二、机械加工：将置氢钛合金叶片坯料进行机械加工成置氢钛合金叶片预制坯料；步骤三、第一次吹砂处理：对置氢钛合金叶片预制坯料表面进行吹砂处理，以保证润滑剂能粘附在坯料表面，步骤四、喷涂润滑剂：在置氢钛合金叶片预制坯料表面喷涂钛合金玻璃润滑剂，钛合金玻璃润滑剂采用北京天力创玻璃科技开发有限公司生产的型号为Ti-5D的玻璃润滑剂；步骤五、模具预热：将模具放置于转底式保护气体电炉中预热，预热温度为700℃～800℃，然后将置氢钛合金叶片预制坯料装入预热的模具内，再将装有置氢钛合金叶片预制坯料的模具移至液压机上的电阻炉内升温至800℃～940℃，保温10～20分钟，保温期间温度波动范围为±1℃，液压机采用天津锻压机床厂生产的型号为6300KN的四柱式液压机；步骤六、锻造：对置氢钛合金叶片预制坯料进行锻造，上模压下速度为0.008mm/s～0.1mm/s，直至上、下模具闭合，取出模内置氢钛合金叶片预制坯料，即得到置氢钛合金叶片锻造坯料；步骤七、去飞边：将置氢钛合金叶片锻造坯料去除飞边；步骤八、第二次吹砂处理：对置氢钛合金叶片锻造坯料的表面进行吹砂处理，以清除氧化皮和残留玻璃润滑剂；步骤九、清洗：将步骤八完成的置氢钛合金叶片锻造坯料的表面进行清洗，以防止后续的真空除氢处理污染真空炉；步骤十、脱氢：将步骤九完成的置氢钛合金叶片锻造坯料置于真空热处理炉内，将炉内温度升至700～800℃，保温5-6小时，叶片随炉冷却至室温，即得到置氢钛合金锻造叶片。步骤一中的管式置氢炉为北京航空制造工程研究所自行研制的管式置氢炉；步骤十的真空热处理除氢，使得氢含量控制在安全范围内。置氢钛合金叶片坯料与以往钛合金叶片坯料相比，置氢钛合金叶片坯料的锻造温度低，模具变形和模磨损的程度小，因此，提高了钛合金叶片的尺寸精度，改善了钛合金叶片的组织性能。
具体实施方式二：本实施方式的步骤一中按钛合金叶片坯料重量百分比充入0.25％地氢气，步骤五中装有置氢钛合金叶片预制坯料的模具在液压机上的电阻炉内升温应为800～900℃范围内。置氢钛合金锻造叶片的氢含量为0.25％时，所需锻造温度较低，且置氢钛合金锻造叶片的组织性能最佳。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式的步骤七中锻造温度为800℃时，上模压下速度为0.008mm/s。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式的步骤七中锻造温度为850℃时，上模压下速度为0.014mm/s。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式的步骤七中锻造温度为940℃时，上模压下速度为0.1mm/s。其它步骤与具体实施方式一相同。
本发明的应用实例：一、首先将Φ16×25mm的TC4钛合金叶片圆柱坯料表面经丙酮清洗，放置在北京航空制造工程研究所自行研制的管式置氢炉内，抽真空至10-3Pa，将炉内升温至750℃，保温15分钟，使钛合金叶片坯料内外表面温度相同，按钛合金叶片圆柱坯料重量百分比充入0.25％的氢气，充入氢气的流量为1L/min，保温2-4小时后，将炉内以10℃/min的速度冷却至室温，即得到含氢量为0.25％的置氢钛合金叶片坯料；二、置氢后钛合金叶片坯料经机械加工成预制坯料，三、对预制坯料表面进行吹砂处理，在置氢钛合金叶片预制坯料表面喷涂北京天力创牌Ti-5D玻璃润滑剂；四、将模具放置在功率为80KW的转底式保护气体电炉中预热，预热温度达750℃，将置氢钛合金叶片预制坯料装入预热后的模具内，将预热后的模具和坯料一起移至液压机上的电阻炉内升温至850℃，保温15分钟，保温期间温度波动范围为±1℃；五、利用天津锻压机床厂生产的型号为6300KN的四柱式液压机对置氢钛合金叶片预制坯料进行锻造，上模压下速度为0.01mm/s，直至上、下模具闭合，取出模内置氢钛合金叶片预制坯料，即得到置氢钛合金叶片锻造坯料；六、将置氢钛合金叶片锻造坯料切边，对置氢钛合金叶片锻造坯料的表面进行吹砂和清洗；七、将上述完成的置氢钛合金叶片锻造坯料置于真空热处理炉内，将炉内温度升至750℃，保温5小时，叶片随炉冷却至室温，即得到置氢钛合金锻造叶片，八、经精密机械加工后获置氢钛合金锻造叶片零件图。
上述实例中的步骤五中，(1)、锻造温度为800℃、上模压下速度为0.008mm/s时，置氢钛合金叶片锻造所需最大载荷比未置氢钛合金降低40％左右，所获得的置氢钛合金锻造叶片的型面尺寸误差相对未置氢钛合金叶片型面尺寸误差较小，使得置氢钛合金锻造叶片的尺寸精度得到提高；(2)、锻造温度为850℃、上模压下速度分别为0.014mm/s和0.1mm/s条件下，置氢钛合金叶片锻造所需最大载荷比未置氢钛合金降低35％左右，所获得的置氢钛合金叶片锻造坯料的型面尺寸均优于未置氢钛合金叶片，即置氢钛合金叶片锻造坯料的尺寸精度得到了提高；(3)、锻造温度为常规锻造温度下，即940℃时，置氢钛合金叶片锻造所需最大载荷比未置氢钛合金降低15％左右，且置氢钛合金叶片型面与未置氢钛合金叶片型面尺寸变化不大，说明置氢钛合金不宜选择与未置氢钛合金一样的常规锻造工艺参数；(4)、在上模压下速度分别为0.014mm/s和0.1mm/s条件下，置氢钛合金叶片比未置氢钛合金叶片锻造温度低约90℃时，得到的置氢钛合金叶片尺寸精度与未置氢钛合金叶片尺寸精度相同，此时，叶片锻造所需载荷减少了20％～30％。
通过上述实例可明显的看出：置氢钛合金锻造叶片的始锻温度在800℃～850℃，相同锻造工艺参数下，置氢钛合金锻造叶片型面尺寸优于未置氢叶片，且叶片锻造所需载荷减少约30％，说明置氢钛合金叶片锻造不仅可以有效地降低钛合金叶片锻造对锻造温度、设备吨位及模具材料和性能的要求，而且可以提高钛合金叶片的尺寸精度。