本發(fā)明屬于鈦合金制造領(lǐng)域，具體涉及一種tc4鈦合金航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤(pán)的等溫近凈成形方法。

背景技術(shù)：

1、航空發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇盤(pán)和壓氣機(jī)盤(pán)原采用輪盤(pán)+葉片的組合方式，輪盤(pán)外側(cè)有榫槽，葉片根部有榫頭，榫頭嵌入榫槽組成風(fēng)扇盤(pán)。隨著鍛造技術(shù)和加工技術(shù)的發(fā)展，整體葉盤(pán)作為第四代航空發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)志性技術(shù)之一得到廣泛應(yīng)用。該結(jié)構(gòu)取消榫頭-榫槽連接，防止了榫頭-榫槽間氣體逸流和摩擦磨損，具有減重和提高進(jìn)氣效率的優(yōu)勢(shì)。

2、tc4鈦合金是由美國(guó)于1954年研制成功的ti-ai-v系α-β型鈦合金，具有中等的室溫和高溫強(qiáng)度、良好的蠕變抗力和熱穩(wěn)定性、較高的疲勞性能和抗裂紋擴(kuò)展抗力，以及良好的斷裂韌性和熱鹽應(yīng)力腐蝕性能。主要用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇和壓氣機(jī)盤(pán)、葉片，飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的各種梁、隔框、滑軌、起落架梁，航天火箭的殼體、壓力容器，以及各種類型的緊固件，適合制造采用損傷容限原則設(shè)計(jì)的零部件，在航空航天工業(yè)中tc4合金半成品占各種鈦合金半成品總產(chǎn)量的80%以上。

3、tc4鈦合金整體葉盤(pán)難點(diǎn)：整體葉盤(pán)由盤(pán)體和葉片兩部分組成，除了強(qiáng)度、塑性常規(guī)要求外，盤(pán)體主要考核低周疲勞、斷裂韌性等性能，葉片主要考核高周疲勞、蠕變等性能。盤(pán)體和葉片的性能需求傳遞到組織要求上是相矛盾的，這就需要嚴(yán)格控制鍛造過(guò)程中的變形量和溫度以獲得所需要的組織和性能。

4、中國(guó)專利公開(kāi)號(hào)cn115502314a公開(kāi)了一種高均勻性tc4鈦合金大尺寸細(xì)晶整體葉盤(pán)的制備工藝，包括將合金鑄錠在1050℃～1150℃完成開(kāi)坯鍛造，然后所得坯料在1015℃～1035℃進(jìn)行1火次的鐓、拔變形，鍛后水冷，再將坯料加熱至880℃～910℃保溫12～20h后隨爐升溫至940℃～980℃進(jìn)行鍛造，然后坯料在935℃～985℃進(jìn)行6～8火次的鐓拔變形，再將坯料在945℃～965℃進(jìn)行成形，得到鍛坯；最后將得到的鍛坯進(jìn)行退火處理，最終獲得整體葉盤(pán)鍛件毛坯。該工藝適用于制備600mm至1500mm，高度在60mm至150mm的整體葉盤(pán)鍛件，鍛件的組織均勻性和性能優(yōu)于傳統(tǒng)工藝。所述鍛件任意部位的室溫拉伸抗拉強(qiáng)度≥950mpa，屈服≥在850mpa，延伸率≥15.0%，斷面收縮率≥25%。400℃拉伸性能抗拉強(qiáng)度≥650mpa；延伸率≥20%，斷面收縮率≥40%；試樣經(jīng)400℃/100h熱暴露后延伸率≥10.0%，斷面收縮率≥20%。

5、但是tc4合金淬透性差的特性與整體葉盤(pán)日益增加的尺寸成為目前的主要矛盾。由于風(fēng)扇整體葉盤(pán)葉片超大的扭轉(zhuǎn)角，其零件最大高度目前已增加至200mm以上，采用傳統(tǒng)的鍛造和熱處理工藝難以獲得各部位之間組織和性能均勻的tc4鈦合金整體葉盤(pán)，因此需要一種近凈成型工藝以應(yīng)對(duì)上述問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種tc4鈦合金航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤(pán)的等溫近凈成形方法，整體鍛造成形大規(guī)格的tc4鈦合金整體葉盤(pán)，其直徑為800~1500mm，厚度200~350mm；解決了規(guī)格增大帶來(lái)的鍛件組織、性能均勻性控制難度的成倍增加，極易導(dǎo)致鍛件強(qiáng)度降低、組織粗大，不符合使用要求的技術(shù)難題；本發(fā)明生產(chǎn)的tc4鈦合金整體葉盤(pán)鍛件任意部位的室溫拉伸性能，抗拉強(qiáng)度≥960mpa，屈服強(qiáng)度≥880mpa，延伸率≥12.0%，斷面收縮率≥25%；400℃高溫拉伸性能，抗拉強(qiáng)度≥650mpa，延伸率≥15%，斷面收縮率≥50%，室溫沖擊功≥28j，布氏硬度（壓痕直徑）≥3.35mm。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：

3、一種tc4鈦合金航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤(pán)的等溫近凈成形方法，其包括如下步驟：

4、1)tc4鈦合金棒材表面涂覆玻璃潤(rùn)滑劑，將tc4鈦合金棒材加熱至tβ－（30~80）℃，加熱時(shí)間t1=d×（0.6~0.9），t1加熱時(shí)間，單位，min；d為tc4鈦合金棒材直徑，單位，mm；

5、2)預(yù)鍛模具涂覆一層玻璃潤(rùn)滑劑并加熱至tβ－（30~80）℃，到溫后保溫；

6、3)將tc4鈦合金棒材裝入預(yù)鍛模具中，采用液壓機(jī)鍛造成所需形狀的tc4鈦合金中間坯，至少一火次鍛造，每火次的應(yīng)變速率≤0.01s-1，每火次的變形量控制在60~70%；鍛造完成后將tc4鈦合金中間坯水冷至室溫；

7、4)將tc4鈦合金中間坯加熱至tβ－（30~80）℃，加熱時(shí)間t2=h×（0.6~0.9），t2加熱時(shí)間，單位，min；h為tc4鈦合金中間坯厚度，單位，mm；

8、5)終鍛成形模具涂覆玻璃潤(rùn)滑劑并加熱至tβ－（30~80）℃，到溫后保溫；

9、6)將加熱后的tc4鈦合金中間坯裝入終鍛成形模具中，采用液壓機(jī)將tc4鈦合金中間坯壓制成最終的tc4鈦合金整體葉盤(pán)鍛件，至少一火次鍛造，每火次的應(yīng)變速率≤0.005s-1，每火次的變形量控制在60~70%；鍛造完成后將tc4鈦合金整體葉盤(pán)鍛件水冷至室溫；

10、7)對(duì)tc4鈦合金整體葉盤(pán)鍛件進(jìn)行tβ－（30~80）℃，1~2h的固溶處理，處理結(jié)束后水冷至室溫；

11、8)對(duì)tc4鈦合金整體葉盤(pán)鍛件進(jìn)行時(shí)效處理，處理結(jié)束后空冷至室溫。

12、進(jìn)一步，還包括步驟9），對(duì)tc4鈦合金整體葉盤(pán)鍛件進(jìn)行加工精整處理，tc4鈦合金整體葉盤(pán)鍛件至粗加工毛坯的單邊加工余量為3~4mm。

13、優(yōu)選的，步驟3）將加熱后的tc4鈦合金棒材30s內(nèi)裝入保溫的預(yù)鍛模具中。

14、優(yōu)選的，步驟3）預(yù)鍛鍛造完成后30s內(nèi)對(duì)tc4鈦合金中間坯進(jìn)行水冷，冷卻速率≥5℃/min。

15、優(yōu)選的，步驟6）將加熱后的tc4鈦合金中間坯30s內(nèi)裝入保溫的終鍛成形模具中。

16、優(yōu)選的，步驟6）終鍛鍛造完成后30s內(nèi)對(duì)tc4鈦合金整體葉盤(pán)鍛件進(jìn)行水冷，冷卻速率≥5℃/min。

17、優(yōu)選的，步驟7）所述固溶處理后30s內(nèi)對(duì)tc4鈦合金整體葉盤(pán)鍛件進(jìn)行水冷，冷卻速率≥5℃/min。

18、優(yōu)選的，步驟8）所述時(shí)效處理的溫度為550~800℃，保溫2~10h，之后將tc4鈦合金整體葉盤(pán)鍛件空冷至室溫。

19、在本發(fā)明所述方法中：

20、由于本發(fā)明所述tc4鈦合金整體葉盤(pán)鍛件尺寸大，最大厚度已經(jīng)超出tc4鈦合金材料理論淬透尺寸，空冷的冷卻速率非常慢，這對(duì)于整體葉盤(pán)組織性能均勻控制是非常不利的，若按照常規(guī)工藝僅在固溶熱處理后水冷，很難減小鍛后慢冷帶來(lái)的組織差異。.

21、本發(fā)明方法中采用在預(yù)鍛、成形鍛造和固溶熱處理后均實(shí)施水冷工藝，在一定程度上避免慢冷造成晶粒長(zhǎng)大，在每一次的水冷過(guò)程中控制組織均勻性、降低差異性；同時(shí)多道次快速水冷過(guò)程中高溫β相發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，組織中包含很多的位錯(cuò)和孿晶，對(duì)滑移具有嚴(yán)重的釘扎作用，從而提高材料的強(qiáng)度性能。

22、本發(fā)明將tc4鈦合金棒材（中間坯）和鍛造模具均加熱保溫到tβ以下30℃~80℃范圍內(nèi)，由于材料的變形抗力與溫度為負(fù)相關(guān)關(guān)系，棒材（中間坯）與模具長(zhǎng)時(shí)間接觸過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)溫降，因此棒材（中間坯）的變形抗力非常小、塑性好，充分利用低應(yīng)變速率下具有高的塑性特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)大規(guī)格整體葉盤(pán)鍛件鍛造過(guò)程中每道次的大成形。本發(fā)明每火次的變形量控制在60~70%，是因?yàn)楦鶕?jù)現(xiàn)有的試驗(yàn)研究結(jié)果表明，當(dāng)鍛造變形量低于20%時(shí)，鍛件晶粒非常粗大；隨著變形量的增大，晶粒尺寸會(huì)隨之逐漸減??；當(dāng)鍛造的變形量大于85%時(shí)，由于再結(jié)晶等因素會(huì)使得晶粒重新長(zhǎng)大。而鍛造的變形量在60%~70%時(shí)，微觀組織中的各向異性最小、晶粒最為細(xì)小均勻，綜合性能最優(yōu)。

23、本發(fā)明采用兩相區(qū)等溫鍛造工藝實(shí)現(xiàn)鍛件精密成形，鍛件單邊加工余量為3~4mm，相較于普通熱模鍛非常大的加工余量，進(jìn)一步提高厚截面整體葉盤(pán)鍛件芯部的淬透范圍，從而提高最終鍛件的組織均勻性。

24、采用本發(fā)明所述方法制備的tc4鈦合金航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤(pán)，tc4鈦合金航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤(pán)的直徑為800~1500mm，厚度200~350mm；該tc4鈦合金航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤(pán)任意部位的室溫拉伸性能，抗拉強(qiáng)度≥960mpa，屈服強(qiáng)度≥880mpa，延伸率≥12.0%，斷面收縮率≥25%；400℃高溫拉伸性能，抗拉強(qiáng)度≥650mpa，延伸率≥15%，斷面收縮率≥50%，室溫沖擊功≥28j，布氏硬度（壓痕直徑）≥3.35mm。

25、本發(fā)明所述tc4鈦合金航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤(pán)的顯微組織為（α+β）兩相區(qū)組織，主要為β轉(zhuǎn)變組織基體上分布等軸初生α相，初生α相含量為40%~50%，尺寸≤20μm。

26、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

27、由于鈦合金的有效鍛造溫度區(qū)間非常窄（100℃范圍內(nèi)）、導(dǎo)熱性差，現(xiàn)有的常規(guī)鍛造工藝中模具溫度低于坯料溫度，坯料的熱量快速向模具傳遞造成其表面明顯溫降，導(dǎo)致變形抗力的不斷增大、塑性不斷降低，最終鍛件的表面質(zhì)量差、性能組織不均勻。因此現(xiàn)有常規(guī)鍛造工藝生產(chǎn)的鍛件加工余量都比較大、變形速度比較快。

28、本發(fā)明采用等溫鍛造工藝，嚴(yán)格控制成形鍛造過(guò)程中應(yīng)變速率（采用非常小的應(yīng)變速率，預(yù)鍛應(yīng)變速率≤0.01s-1，終鍛應(yīng)變速率≤0.005s-1），模具和坯料始終穩(wěn)定處于相同的高溫條件下，變形過(guò)程中動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和動(dòng)態(tài)回復(fù)過(guò)程接近平衡，顯著降低鍛造變形引起的殘余應(yīng)力，有利于提高后道加工過(guò)程中的尺寸控制精度；同時(shí)非常小的應(yīng)變速率可以實(shí)現(xiàn)單次大變形（變形量達(dá)60%以上），這樣可以充分破碎原始晶粒，獲得均勻細(xì)小的雙態(tài)組織中間坯及鍛件，尤其是等軸初生α相尺寸≤20μm，充分有利于提高整體葉盤(pán)的強(qiáng)度和塑性。

29、本發(fā)明所述的tc4鈦合金整體葉盤(pán)鍛件尺寸大，厚度已經(jīng)達(dá)到200mm以上，最厚可達(dá)到350mm，超出了tc4鈦合金材料理論淬透尺寸。因此本發(fā)明在預(yù)鍛、成形鍛造和固溶熱處理時(shí)連續(xù)采用三次水冷工藝，充分利用快速冷卻獲得不飽和轉(zhuǎn)變組織和細(xì)小的等軸初生α相（等軸初生α相尺寸≤20μm），為最終的時(shí)效熱處理提供基礎(chǔ)；同時(shí)坯料從高溫冷卻至室溫的過(guò)程中，組織會(huì)長(zhǎng)大，而水冷相較于空冷能大大提高了坯料芯部的冷卻速率，縮短冷卻時(shí)間，有效減小大規(guī)格坯料（鍛件）表面和芯部之間的組織差異，最終獲得組織均勻、強(qiáng)度塑性等性能較高的整體葉盤(pán)鍛件。