600℃高溫鈦合金雙性能整體葉盤鍛件制備技術(shù)研究進(jìn)展

(1 中國航發(fā)北京航空材料研究院 先進(jìn)鈦合金航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；2 貴州安大航空鍛造有限責(zé)任公司，貴州 安順 561005；3 西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，西安 710072)

現(xiàn)代軍用飛機(jī)優(yōu)異作戰(zhàn)性能強(qiáng)烈依賴于先進(jìn)高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用，而發(fā)動(dòng)機(jī)日益減重的設(shè)計(jì)目標(biāo)需要使用輕質(zhì)耐高溫材料及與之相適應(yīng)的高效整體結(jié)構(gòu)，結(jié)合工藝創(chuàng)新制備了如整體葉盤等輕量化結(jié)構(gòu)，減少零件數(shù)量，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，降低零件本身承載應(yīng)力及對(duì)壓氣機(jī)軸等配合件的負(fù)荷，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比和使用可靠性。

整體葉盤將葉片、輪盤等零件集成設(shè)計(jì)為一個(gè)整體構(gòu)件，較之傳統(tǒng)的榫齒連接結(jié)構(gòu)，整體葉盤減重約30%，消除了因連接和裝配引起的零件間接觸應(yīng)力，避免了葉片榫頭與輪盤榫槽之間因微動(dòng)磨損疲勞失效的潛在風(fēng)險(xiǎn)，消除了氣流在榫頭與榫槽間的泄漏，減小了葉片與輪盤轉(zhuǎn)子組件的徑向溫度梯度，有效降低熱機(jī)械疲勞風(fēng)險(xiǎn)，改善壓氣機(jī)氣動(dòng)穩(wěn)定性，提高整體葉盤的使用可靠性[1]。因而，在一些新型發(fā)動(dòng)機(jī)中將采用整體葉盤作為改善性能的一項(xiàng)重要結(jié)構(gòu)措施。除上述的優(yōu)勢外，整體葉盤因無榫齒連接結(jié)構(gòu)榫頭與榫槽連接處的機(jī)械阻尼，存在葉片振動(dòng)問題包括盤體與葉片耦合振動(dòng)等[2]。同一級(jí)整體葉盤零件沿徑向具有較大的溫度梯度和應(yīng)力梯度，不同區(qū)域?qū)Σ牧闲阅艿囊笥胁町?，葉片強(qiáng)調(diào)具有高的高周疲勞性能，盤體強(qiáng)調(diào)具有高的高溫蠕變抗力和損傷容限性能，使得常規(guī)的單一合金均質(zhì)整體葉盤在材料及組織選擇時(shí)要做出妥協(xié)。為了進(jìn)一步發(fā)揮整體葉盤結(jié)構(gòu)材料的性能潛力，葉片和盤體可以采用更適應(yīng)使用性能要求的合金材料和組織狀態(tài)，為此創(chuàng)新提出了鈦合金雙性能整體葉盤的設(shè)計(jì)思路，改變傳統(tǒng)設(shè)計(jì)所追求的均勻組織，優(yōu)化了整體葉盤結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)性能的最優(yōu)化。

高壓壓氣機(jī)整體葉盤是在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速特別是快的加減速瞬變造成應(yīng)力和熱負(fù)荷高低周交變條件下工作，承受的溫度、應(yīng)力、環(huán)境極其復(fù)雜和苛刻[3]，要求材料在350～600℃范圍內(nèi)具有高的比強(qiáng)度、比模量、蠕變、疲勞和斷裂等性能，且隨著使用溫度的提高，愈加強(qiáng)調(diào)蠕變與疲勞性能及兩者的交互作用，即保載疲勞[4]。然而，鈦合金在600℃以上的蠕變與抗氧化性急劇下降，已難以勝任發(fā)動(dòng)機(jī)苛刻的使用要求[5]，600℃被認(rèn)為是傳統(tǒng)固溶強(qiáng)化型鈦合金的“熱障”溫度，國際上典型的600℃高溫鈦合金有英國的IMI834，美國的Ti-1100，俄羅斯的BT18y與BT36，中國的TA29[6-7]與TA33[8]。國際上600℃高溫鈦合金的研究和應(yīng)用以IMI834最為成熟，應(yīng)用于EJ200高壓壓氣機(jī)第3級(jí)整體葉盤、F119高壓壓氣機(jī)后機(jī)匣、PW150和PW300壓氣機(jī)離心葉輪、TRENT系列發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子(輪盤、鼓筒及后軸用電子束焊接成整體轉(zhuǎn)子)等[9]。

本文在回顧整體葉盤結(jié)構(gòu)發(fā)展歷程及應(yīng)用的基礎(chǔ)上，以600℃高溫鈦合金TA29雙性能整體葉盤鍛件制備技術(shù)為例，重點(diǎn)分析分區(qū)控溫鍛造(SRTCF)法和分區(qū)控溫?zé)崽幚?SRTCHT)法等工藝對(duì)組織性能控制的最新研究進(jìn)展。

1 整體葉盤結(jié)構(gòu)的發(fā)展與應(yīng)用

整體葉盤結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)始于20世紀(jì)60年代，早期主要應(yīng)用于渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)，將軸流式壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的葉片、盤、軸做成一體，采用數(shù)控銑削加工成零件[10]。目前，一些小型的發(fā)動(dòng)機(jī)如PW300和PW500，其軸流式壓氣機(jī)廣泛采用了鈦合金整體葉盤結(jié)構(gòu)?；谛⌒桶l(fā)動(dòng)機(jī)上的成功應(yīng)用，整體葉盤結(jié)構(gòu)逐漸應(yīng)用于大型發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇和壓氣機(jī)，并采用兩種主導(dǎo)制造方法：第一，采用數(shù)控銑削或電化學(xué)加工方法從鍛件上直接加工成零件，多用于葉片尺寸較小的壓氣機(jī)整體葉盤；第二，葉片與盤單獨(dú)制造并采用線性摩擦焊連接成整體葉盤，用于葉片尺寸較大的風(fēng)扇整體葉盤。

整體葉盤是國外第三代航空發(fā)動(dòng)機(jī)如F414,F110,F100和第四代發(fā)動(dòng)機(jī)如EJ200,F119,F135采用的典型結(jié)構(gòu)，其溫度相對(duì)較低的風(fēng)扇和高壓壓氣機(jī)前段一般選用鈦合金材料。F414發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇第2級(jí)和第3級(jí)采用寬弦葉片的Ti-17鈦合金整體葉盤，利用電化學(xué)加工方法加工，與數(shù)控銑削方法相比，加工時(shí)間可減少約85%，還可避免產(chǎn)生加工殘余應(yīng)力。將兩個(gè)整體葉盤零件焊接在一起形成整體轉(zhuǎn)子，使風(fēng)扇轉(zhuǎn)子比原型的F404發(fā)動(dòng)機(jī)(推重比約7.5)減輕20.43kg，并可以避免螺栓連接方式帶來的整體葉盤螺栓孔或螺栓疲勞斷裂的潛在危害[11]；高壓壓氣機(jī)前3級(jí)采用整體葉盤，其中第1級(jí)和第2級(jí)采用Ti-17鈦合金且焊成一體；F414將幾個(gè)整體葉盤串起焊成一體的設(shè)計(jì)，顯著減小轉(zhuǎn)子質(zhì)量，推重比達(dá)到9.1。1995年，GE公司改進(jìn)F110-GE-129為F110-GE-129G時(shí)，風(fēng)扇采用了寬弦葉片與整體葉盤結(jié)構(gòu)。同時(shí)期，PW公司改進(jìn)F100-PW-229為F100-PW-229A時(shí)，將3級(jí)風(fēng)扇葉片改為寬弦設(shè)計(jì)，后兩級(jí)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子采用整體葉盤，第1級(jí)仍用常規(guī)的榫齒連接結(jié)構(gòu)。EJ200發(fā)動(dòng)機(jī)從最初的驗(yàn)證機(jī)到生產(chǎn)型，驗(yàn)證機(jī)風(fēng)扇最初只在第3級(jí)采用電子束焊接的整體葉盤，后來第2級(jí)和第1級(jí)亦采用了整體葉盤；2000年開始，RR與MTU合作，用線性摩擦焊制造第1～3級(jí)風(fēng)扇整體葉盤[12]；高壓壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)做了較大改進(jìn)，由驗(yàn)證機(jī)的5級(jí)全榫齒結(jié)構(gòu)改為原型機(jī)的第3級(jí)采用IMI834整體葉盤，其余4級(jí)仍為榫齒結(jié)構(gòu)；到了生產(chǎn)型，改為第1～3級(jí)采用整體葉盤，后兩級(jí)為榫齒結(jié)構(gòu)；到最終定型時(shí)，改為5級(jí)全部整體葉盤結(jié)構(gòu)[1]。F119發(fā)動(dòng)機(jī)3級(jí)風(fēng)扇和6級(jí)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子全部采用整體葉盤結(jié)構(gòu)，第1級(jí)風(fēng)扇葉片采用超塑成形和擴(kuò)散連接方法制成的空心結(jié)構(gòu)，用線性摩擦焊將空心葉片焊接到盤上形成整體葉盤。F135發(fā)動(dòng)機(jī)由F119派生而來，其3級(jí)風(fēng)扇和6級(jí)高壓壓氣機(jī)(前兩級(jí)用鈦合金，后4級(jí)用鎳基高溫合金)全部采用整體葉盤；兩級(jí)對(duì)轉(zhuǎn)軸流式升力風(fēng)扇系統(tǒng)采用RR公司設(shè)計(jì)制造的整體葉盤，用線性摩擦焊將空心結(jié)構(gòu)葉片焊接到盤上形成整體葉盤。將幾級(jí)整體葉盤焊接在一起形成整體轉(zhuǎn)子，可以進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)完整性和工作效率，并允許葉片弦長做得更大，增強(qiáng)了抗外物損傷能力和抗疲勞性能，提高了失速裕度[13]。隨著整體葉盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工能力的提升及工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累，其在發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用技術(shù)不斷發(fā)展成熟。

基于整體葉盤結(jié)構(gòu)在軍用發(fā)動(dòng)機(jī)上的成功應(yīng)用，將這一結(jié)構(gòu)也逐漸應(yīng)用于商用發(fā)動(dòng)機(jī)，并取得良好的使用效果，如TRENT XWB發(fā)動(dòng)機(jī)中壓壓氣機(jī)采用Ti-6246鈦合金整體葉盤；GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)第1級(jí)、第3級(jí)和第5級(jí)采用整體葉盤；PW1000G發(fā)動(dòng)機(jī)3級(jí)風(fēng)扇均采用整體葉盤，高壓壓氣機(jī)除第8級(jí)轉(zhuǎn)子葉片裝在輪盤環(huán)形燕尾槽外，其余7級(jí)均采用整體葉盤[14]。當(dāng)前，隨著整體葉盤葉片增材制造修復(fù)技術(shù)的發(fā)展和日趨成熟，修復(fù)后的葉片強(qiáng)度與原葉片相當(dāng)，使整體葉盤煥發(fā)了新的生命力[15]。

2 鈦合金雙性能整體葉盤的設(shè)計(jì)思路及制造方法

2.1 雙性能的設(shè)計(jì)思路與實(shí)踐

航空發(fā)動(dòng)機(jī)盤件的雙性能設(shè)計(jì)思路首先在高溫合金渦輪盤上得到發(fā)展與實(shí)踐。渦輪盤的盤輻工作溫度相對(duì)較低，細(xì)晶組織更符合盤輻高的屈服強(qiáng)度和低周疲勞性能要求；盤緣溫度相對(duì)較高，粗晶組織具有高的蠕變和損傷容限性能，適應(yīng)榫槽可能出現(xiàn)的微裂紋[16]。在單一合金雙組織渦輪盤基礎(chǔ)上，又發(fā)展了雙合金渦輪盤，盤輻和盤緣采用不同的合金材料，美國IHPTET計(jì)劃驗(yàn)證了雙合金渦輪盤，盤緣用IN100合金，具有優(yōu)良的抗沖擊損傷能力，盤輻用AF2-DA1鎳基粉末合金制造，能承受更高的拉應(yīng)力作用[17]。雙合金渦輪盤存在三大不足：第一，異種合金的連接界面可能是一個(gè)“弱”區(qū)域；第二，異種合金彈性模量的差異導(dǎo)致界面上有較大的熱應(yīng)力；第三，采用同一種熱處理工藝會(huì)妥協(xié)兩種合金的力學(xué)性能[18]。

GE公司于1994年采用盤緣加熱和盤輻絕熱內(nèi)封，通過氣冷盤輻形成溫度梯度的方法制備雙性能渦輪盤，盤輻得到等軸細(xì)晶組織，盤緣為粗大再結(jié)晶組織，以適應(yīng)更高溫度對(duì)高蠕變強(qiáng)度的要求，成功獲得雙重組織[19]，2002年該項(xiàng)技術(shù)再次升級(jí)[20]。PW公司于1997年采用雙重組織熱處理工藝(Dual Microstructure Heat Treatment,DMHT)制造了IN100雙性能粉末渦輪盤，即將盤輻封入絕熱箱并依靠導(dǎo)熱塊吸熱，盤緣置于熱處理爐內(nèi)加熱，沿盤體徑向產(chǎn)生可控的溫度梯度[21]，盤輻溫度低于盤緣，通過控制熱處理溫度與γ′相溶解溫度的差值，使盤緣晶粒長大(約30～80μm，ASTM E112的5～7級(jí))，盤輻保持細(xì)晶(約10μm，ASTM E112的11～12級(jí))，并成功應(yīng)用于F119發(fā)動(dòng)機(jī)[22]。DMHT要求有特殊的電氣和軟件控制系統(tǒng)，工藝裝置的設(shè)計(jì)與制造是技術(shù)核心，關(guān)鍵在于能否在盤輻和盤緣之間形成精確的溫度梯度。盡管工藝概念簡單，但實(shí)際操作需要對(duì)時(shí)間和溫度的動(dòng)態(tài)變化有非常精確的掌控，尤其是熱處理后要在限定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行淬火處理，操作難度大。此外，每制造一種材料和一種尺寸的雙性能渦輪盤，要專門設(shè)計(jì)制造與之相匹配的導(dǎo)熱塊，導(dǎo)致生產(chǎn)成本高。

2.2 鈦合金整體葉盤從追求均質(zhì)向雙性能的變化

航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤工作時(shí)在溫度相關(guān)(熱疲勞、熱機(jī)械疲勞)、時(shí)間相關(guān)(蠕變、保載疲勞)和速率相關(guān)(拉伸)載荷的共同作用下，呈現(xiàn)的力學(xué)行為復(fù)雜，且存在各類損傷的耦合[3]。整體葉盤不同部位工作狀況差異大，葉片主要承受高頻低幅的振動(dòng)應(yīng)力作用，高周疲勞性能是影響葉片使用可靠性的第一要素；盤體承受大的離心應(yīng)力和熱應(yīng)力的作用，并考慮到高溫長時(shí)工作時(shí)葉片與機(jī)匣之間始終需保持較小的葉尖間隙，因此，低周疲勞和蠕變性能是保證盤體使用可靠性的第一要素，并應(yīng)考慮盤體的損傷容限性能。

傳統(tǒng)鈦合金轉(zhuǎn)子的榫齒連接結(jié)構(gòu)，葉片和盤分開制造，可以靈活選用不同材料或同一材料不同組織狀態(tài)，葉片采用α+β區(qū)變形和α+β區(qū)熱處理得到的細(xì)小雙態(tài)組織，獲得高的強(qiáng)度、塑性和高周疲勞強(qiáng)度；盤采用β區(qū)加工(β鍛或β熱處理)得到網(wǎng)籃組織或片層組織，獲得高溫蠕變、低周疲勞及損傷容限性能的最佳組合。整體葉盤零件將葉片、盤等做成一個(gè)整體構(gòu)件，單一合金/單一組織狀態(tài)的整體葉盤在合金材料和顯微組織的選擇上要做出妥協(xié)，采用同一種組織狀態(tài)，往往難以滿足葉片和盤不同的受力和受熱條件要求，在一定程度上各自損失了一些性能[2]。為了挖掘整體葉盤的性能潛力，發(fā)展了雙性能整體葉盤技術(shù)，突破傳統(tǒng)熱加工技術(shù)追求均一組織的慣性思維，根據(jù)葉片和盤的實(shí)際使用工況，選用恰當(dāng)?shù)暮辖鸩牧霞敖M織狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)不同部位采用不同熱處理工藝的精細(xì)控制，達(dá)到構(gòu)件整體性能的最優(yōu)化[16]。此外，為了避免單一合金整體葉盤只能選擇同一種材料的限制，提出了雙合金整體葉盤的概念，葉片與盤體選擇不同的合金材料，更具靈活性。雙合金整體葉盤也可以認(rèn)為是對(duì)常規(guī)單一合金雙性能整體葉盤的一種變化。

2.3 鈦合金雙性能整體葉盤制造方法

鈦合金雙性能整體葉盤(含雙性能盤)一般采用同一種合金，其制造方法主要有鍛造法、熱處理法和焊接法。鍛造法[23-24]首先通過β熱處理或β鍛制備一個(gè)鈦合金預(yù)制坯，隨后在α+β區(qū)對(duì)預(yù)制坯選定部分進(jìn)行鍛造變形，促使初生α等軸化，其余部分不進(jìn)行有效變形，因變形量不充分導(dǎo)致初生α等軸化程度不夠，基本保留原始的片層α形態(tài)。曾經(jīng)提出過差溫鍛造的思路，即鍛造前鍛坯不同部位采用不同的加熱溫度，這在理論上是可行的，但實(shí)際操作卻難以實(shí)現(xiàn)加熱溫度的精確控制。

根據(jù)某一特定形狀和尺寸的整體葉盤鍛件，分區(qū)控溫?zé)崽幚矸ㄔO(shè)計(jì)和采用一套較為復(fù)雜的局部包覆強(qiáng)制冷卻裝置，將盤體置于爐膛通過電爐輻射加熱，葉片區(qū)域放置水冷或其他強(qiáng)制冷卻裝置，通過改變循環(huán)水或其他冷卻介質(zhì)流動(dòng)速率實(shí)現(xiàn)溫度梯度的精確控制，實(shí)現(xiàn)雙性能整體葉盤的制造，工藝參數(shù)可控性強(qiáng)。

美國哥倫布空軍材料實(shí)驗(yàn)室采用焊接法制備了Ti-6242鈦合金雙性能盤。焊接法亦可實(shí)現(xiàn)異種材料的連接，如西北工業(yè)大學(xué)對(duì)TC11與Ti3Al或Ti2AlNb雙合金的電子束焊接構(gòu)件進(jìn)行等溫鍛造，使異種合金熔焊接頭鑄造組織改變成變形組織，并鍛合焊接氣孔，提高焊接接頭的抗拉強(qiáng)度[25-26]。焊接法的最大問題是連接區(qū)域往往會(huì)成為整個(gè)構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)，這對(duì)于強(qiáng)調(diào)高可靠性和長壽命的航空發(fā)動(dòng)機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)部件來說是個(gè)重要隱患，隨著葉片與盤零件焊接技術(shù)的發(fā)展與不斷成熟，如采用線性摩擦焊等方法逐步解決技術(shù)難題，線性摩擦焊在雙性能整體葉盤的制造與修復(fù)方面具有較大技術(shù)優(yōu)勢。

德國MTU公司開發(fā)和驗(yàn)證了雙材料鈦合金線性摩擦焊整體葉盤(Dual Material Titanium Alloy Linear Friction Welded Blisk,DUTIFRISK)項(xiàng)目[27]，將不同合金、不同組織狀態(tài)的葉片和盤采用線性摩擦焊方法連接，盤采用高強(qiáng)高斷裂韌度的Ti-6246或Ti-17(網(wǎng)籃組織)，葉片采用高強(qiáng)的Ti-6246,Ti-6242或Ti-6Al-4V(雙態(tài)組織或片層組織)，使得葉片和盤的材料與組織狀態(tài)選擇更適應(yīng)整體葉盤實(shí)際工況，對(duì)各項(xiàng)力學(xué)性能有更針對(duì)性的特定要求，提高整體葉盤零件的疲勞性能和使用可靠性。MTU公司計(jì)劃在下一代發(fā)動(dòng)機(jī)上使用雙合金整體葉盤技術(shù)。

隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展和不斷成熟，逐漸將這一技術(shù)應(yīng)用到整體葉盤葉片的修復(fù)[28]，甚至直接在盤體上增材生長出葉片，通過同軸送粉激光熔覆方法，在鈦合金盤體邊緣預(yù)先加工出凸臺(tái)，逐層堆積成鈦合金葉片。

3 600℃高溫鈦合金雙性能整體葉盤鍛件制備技術(shù)及組織控制

近α型600℃高溫鈦合金具有優(yōu)異的熱強(qiáng)性，適用于先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)500～600℃以下高溫段的部件，最具標(biāo)志性的應(yīng)用對(duì)象是整體葉盤。采用復(fù)雜及恰如其分的合金化保證合金關(guān)鍵力學(xué)性能外，合適的性能匹配還需通過合理控制顯微組織才能得以充分發(fā)揮。組織狀態(tài)對(duì)600℃高溫鈦合金力學(xué)性能的影響顯著，細(xì)小的雙態(tài)組織具有最佳的高周疲勞性能、強(qiáng)度和塑性，符合葉片使用工況要求；細(xì)小的片層組織具有最佳的高溫蠕變抗力和損傷容限性能，符合盤體使用工況要求。如果將600℃高溫鈦合金整體葉盤的葉片和盤體分別獲得細(xì)小的雙態(tài)組織與片層組織，就可以盡量發(fā)揮材料不同組織狀態(tài)的優(yōu)勢，也有助于發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，更好地滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)長壽命和高可靠性的使用要求。以600℃高溫鈦合金TA29(名義成分為Ti-5.8Al-4Sn-4Zr-0.7Nb-1.5Ta-0.4Si-0.06C)雙性能整體葉盤鍛件為例，對(duì)比分析分區(qū)控溫鍛造和分區(qū)控溫?zé)崽幚淼膬?yōu)缺點(diǎn)、可行性及組織性能的影響。

3.1 分區(qū)控溫鍛造法工藝實(shí)驗(yàn)

選擇某型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)整體葉盤鍛件為試制對(duì)象。為了實(shí)現(xiàn)TA29鈦合金雙性能整體葉盤鍛件的雙重組織，設(shè)計(jì)采用兩火鍛造成形，第一火在β區(qū)鍛造變形得到片層組織，根據(jù)整體葉盤成形過程數(shù)值模擬的研究結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計(jì)了預(yù)成形坯料的形狀和尺寸，見圖1(a)，葉片區(qū)呈啞鈴狀；第二火在α+β區(qū)進(jìn)行模鍛成形，為避免產(chǎn)生折疊，模鍛前坯料表面涂覆玻璃潤滑劑以促進(jìn)順暢成形，等效應(yīng)變分布見圖1(b)。盤體區(qū)等效應(yīng)變小于0.3，保證盤體保留片層組織形態(tài)。葉片1區(qū)的等效應(yīng)變?yōu)?.5～0.75，2區(qū)等效應(yīng)變?yōu)?.75～1，4區(qū)等效應(yīng)變最大，最大為1.8，以促進(jìn)α相的扭折和等軸化。過渡區(qū)大部分區(qū)域等效應(yīng)變在0.4～1之間，3區(qū)等效應(yīng)變稍大，在1.25～1.5之間，組織形態(tài)介于片層組織與等軸組織的過渡狀態(tài)。大變形的葉片區(qū)寬度約82mm，小變形的盤體區(qū)寬度約175mm，過渡區(qū)寬度約32mm。采用分區(qū)控溫鍛造法制備的TA29鈦合金雙性能整體葉盤鍛件見圖2，鍛件采用α+β區(qū)固溶時(shí)效處理。

圖2 TA29鈦合金雙性能整體葉盤鍛件Fig.2 TA29 titanium alloy DP-Blisk forging

圖3為分區(qū)控溫鍛造法制備的TA29鈦合金雙性能整體葉盤葉片和盤體對(duì)應(yīng)的顯微組織，葉片為扭曲條狀初生α的雙態(tài)組織，初生α未能很好地球化，盤體組織中的初生α全部保留平直狀。經(jīng)過一個(gè)火次單一方向的α+β區(qū)鍛造變形，盡管有效應(yīng)變較大并經(jīng)固溶時(shí)效處理，葉片區(qū)原始片狀組織不能完全轉(zhuǎn)化為等軸組織，得到的扭曲α組織具有明顯的方向性排列，而且殘留原始β晶界痕跡。分區(qū)控溫鍛造法制備的TA29鈦合金雙性能整體葉盤鍛件葉片和盤體典型力學(xué)性能見表1，葉片與盤的性能相比較，盤體具有更好的高溫蠕變抗力和斷裂韌度，抗拉強(qiáng)度和塑性略低；葉片的抗拉強(qiáng)度、塑性略有優(yōu)勢，因葉片區(qū)無法得到理想的等軸細(xì)晶組織，致使其拉伸塑性、熱穩(wěn)定性和疲勞性能有所損失。

圖3 分區(qū)控溫鍛造法制備TA29雙性能整體葉盤鍛件顯微組織 (a)葉片區(qū);(b)盤體區(qū)Fig.3 Microstructures of TA29 titanium alloy DP-Blisk forging by means of SRTCF (a)blade region;(b)disc region

RegionRoomtemperaturetensile600℃tensileσb/MPaσ0.2/MPaδ5/%ψ/%σb/MPaσ0.2/MPaδ5/%ψ/%600℃/160MPa/100hcreepstrainεp/%RoomtemperaturefracturetoughnessKIC/(MPa·m1/2)Blade10209409.515.56455151323.50.11545Disc9828928.213.86405101124.00.03955

3.2 分區(qū)控溫?zé)崽幚矸üに噷?shí)驗(yàn)

為了改善葉片區(qū)初生α相的球化程度，提出了一種新的制造方法，即分區(qū)控溫?zé)崽幚矸āａ槍?duì)某TA29鈦合金整體葉盤鍛件的結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計(jì)了一套分區(qū)控溫?zé)崽幚硌b置，即將整體葉盤鍛件葉片區(qū)附加空心的風(fēng)冷套結(jié)構(gòu)，風(fēng)冷套外壁包覆隔熱材料，風(fēng)冷套內(nèi)設(shè)置壓縮空氣通風(fēng)管路，風(fēng)冷套裝置連同鍛件一起組裝完成后整體進(jìn)行β區(qū)熱處理，盤體暴露于爐膛。采用常溫的壓縮空氣對(duì)風(fēng)冷套內(nèi)的葉片區(qū)進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，通過調(diào)節(jié)通風(fēng)參數(shù)控制葉片區(qū)的溫度，從而沿整體葉盤鍛件徑向形成較大且穩(wěn)定的溫度梯度，見圖4，葉片和盤體固溶處理溫度的差異是獲得雙重組織整體葉盤的關(guān)鍵。熱處理工裝上裝有負(fù)載熱電偶，實(shí)時(shí)記錄和監(jiān)控?zé)崽幚磉^程中爐膛和鍛件不同位置的溫度，并與熱處理爐控制箱連接，當(dāng)風(fēng)冷套內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定值，壓縮空氣閥自動(dòng)打開進(jìn)氣口并調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)量，保證風(fēng)冷套內(nèi)葉片區(qū)的溫度始終小于設(shè)定值，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。這種結(jié)構(gòu)的梯度加熱控溫裝置可以在整體葉盤鍛件徑向形成大于150℃的溫度梯度，過渡區(qū)的位置與尺寸通過隔熱層和風(fēng)冷套的厚度進(jìn)行調(diào)控。

圖4 分區(qū)控溫?zé)崽幚頃r(shí)整體葉盤鍛件徑向溫度梯度分布Fig.4 Radial temperature gradient distribution of bliskforging during SRTCHT

實(shí)際操作時(shí)，將熱處理工序置于預(yù)先固溶處理和時(shí)效處理之間，預(yù)先固溶處理一般在α+β區(qū)進(jìn)行，固溶溫度的選擇依據(jù)所要求的初生α相含量來確定。熱處理加熱溫度根據(jù)盤體所需要的組織狀態(tài)確定，如要得到片層組織，應(yīng)將加熱溫度控制在β區(qū)。圖5和圖6是分區(qū)控溫?zé)崽幚矸ㄖ苽涞腡A29雙性能整體葉盤鍛件典型的徑向低倍組織以及鍛件葉片、過渡區(qū)和盤體的顯微組織?？梢?，葉片保持了α+β區(qū)固溶條件下的組織狀態(tài)，低倍為完全的模糊晶，高倍為雙態(tài)組織，初生α含量約40%(體積分?jǐn)?shù)，下同)，說明風(fēng)冷套內(nèi)的溫度始終低于設(shè)定值；盤體低倍為細(xì)小的清晰晶，高倍為片層組織，說明熱處理時(shí)盤體溫度落入了β區(qū)；過渡區(qū)組織是從盤體的片層組織到葉片的雙態(tài)組織呈漸進(jìn)變化，初生α含量遞增，且過渡比較平緩。

圖5 分區(qū)控溫?zé)崽幚矸ㄖ苽涞腡A29雙性能整體葉盤鍛件徑向低倍組織Fig.5 Radial macrostructure of TA29 DP-Blisk forgingby means of SRTCHT

TA29鈦合金雙性能整體葉盤鍛件葉片和盤體典型力學(xué)性能見表2，葉片與盤體性能相比較，片層組織的盤體具有更好的蠕變性能和斷裂韌度，更符合大離心應(yīng)力使用條件對(duì)高蠕變抗力和損傷容限性能的要求，但抗拉強(qiáng)度、塑性和熱穩(wěn)定性有所損失；而雙態(tài)組織的葉片在抗拉強(qiáng)度、塑性、熱穩(wěn)定性、高低周疲勞性能方面有優(yōu)勢，更符合高頻振動(dòng)使用條件的要求。

表2 分區(qū)控溫?zé)崽幚矸ㄖ苽銽A29雙性能整體葉盤鍛件典型力學(xué)性能Table 2 Typical mechanical properties of TA29 DP-Blisk forging by means of SRTCHT

*Tensile test at 120℃ with oxidation scale after 600℃/100h thermal exposure

4 未來擬解決的關(guān)鍵問題

為了實(shí)現(xiàn)600℃高溫鈦合金雙性能整體葉盤鍛件的穩(wěn)定制造與可靠應(yīng)用，需根據(jù)整體葉盤零件實(shí)際服役工況和使用壽命要求，進(jìn)一步開展深入研究工作，未來重點(diǎn)解決以下方面的關(guān)鍵問題。

(1)整體葉盤葉片和盤體組織性能的精確控制

通過調(diào)整熱機(jī)械處理工藝參數(shù)可以調(diào)控整體葉盤葉片和盤體的力學(xué)性能。葉片要求有高的高周疲勞強(qiáng)度，同時(shí)兼顧高溫蠕變性能，為此，初生α相含量控制在10%～30%最為適宜，固溶溫度的精確控制至關(guān)重要，實(shí)際熱處理時(shí)須嚴(yán)格控制合金相變點(diǎn)的測試精度、爐溫均勻性和保溫時(shí)間等。盤體通過控制β熱處理的加熱溫度、保溫時(shí)間及隨后的冷卻速率，得到細(xì)小等軸的β晶粒，晶內(nèi)為細(xì)小的片層組織，從而獲得高的蠕變、斷裂韌度及抗拉強(qiáng)度，以適應(yīng)高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)大應(yīng)力使用條件對(duì)整體葉盤更高的性能設(shè)計(jì)要求。

(2)整體葉盤過渡區(qū)位置、尺寸及組織性能控制

整體葉盤是軸對(duì)稱設(shè)計(jì)，應(yīng)保證雙性能整體葉盤過渡區(qū)位置的同心和等圓，過渡區(qū)尺寸適中，為此，工裝設(shè)計(jì)和實(shí)際裝配時(shí)應(yīng)設(shè)置一些定位機(jī)構(gòu)。從整體葉盤的盤體到葉片的過渡區(qū)，要求組織是平穩(wěn)漸進(jìn)過渡，需要研究和掌握過渡區(qū)組織形態(tài)(包括組織類型、晶粒尺寸、α相晶體取向)梯度變化對(duì)關(guān)鍵力學(xué)性能及殘余應(yīng)力場的影響規(guī)律和機(jī)制。

(3)整體葉盤關(guān)鍵服役性能評(píng)價(jià)與研究

近α型鈦合金具有高的保載敏感性，特別是當(dāng)顯微組織中α相在微小尺度區(qū)域存在集中的晶體取向(即微織構(gòu))時(shí)，保載敏感性增加。為此，應(yīng)充分評(píng)估在模擬工況條件下整體葉盤片層組織區(qū)域的保載疲勞性能，確定保載應(yīng)力、保載時(shí)間、微織構(gòu)等對(duì)疲勞性能的影響規(guī)律。阻燃性能是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金使用安全性的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一[29]，開展模擬服役氣流環(huán)境下整體葉盤的阻燃性能研究，揭示顯微組織、力學(xué)性能與阻燃性能的相關(guān)性。

此外，還需開展整體葉盤鍛件的水浸超聲檢測研究，提高檢測靈敏度，鍛件全部區(qū)域得到可靠檢測，排除影響使用的內(nèi)部缺陷；開展整體葉盤表面完整性研究，降低整體葉盤零件如螺栓孔、R角等結(jié)構(gòu)處的應(yīng)力集中程度，通過優(yōu)化和控制機(jī)械加工、表面處理等工藝，降低零件內(nèi)部有害的殘余應(yīng)力，提高抗疲勞性能。

5 結(jié)束語

鈦合金整體葉盤從單一合金單一組織的狀態(tài)向雙性能方向的發(fā)展，需要充分融合發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、材料選擇和制造技術(shù)，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)選材和挖掘材料性能潛力等方面打開了新的思路。

制造鈦合金雙性能整體葉盤鍛件的方法有多種，各有優(yōu)點(diǎn)和不足之處。較之于分區(qū)控溫鍛造工藝，采用分區(qū)控溫?zé)崽幚砉に?，在葉片與盤體之間更容易形成穩(wěn)定可控的溫度梯度，從而得到所需要的雙重組織，而且工藝過程操作相對(duì)容易，一致性好。分區(qū)控溫?zé)崽幚矸ǜ淖兞藗鹘y(tǒng)熱處理空間維度溫度場均一、時(shí)間維度溫度變化單一的模式，建立了空間和時(shí)間范圍內(nèi)所期望的溫度控制。經(jīng)過數(shù)值模擬和工藝實(shí)驗(yàn)，不斷改進(jìn)分區(qū)控溫?zé)崽幚硌b置和優(yōu)化工藝及相應(yīng)的操作細(xì)節(jié)，分區(qū)控溫?zé)崽幚矸梢苑€(wěn)定可靠地制備600℃高溫鈦合金雙性能整體葉盤鍛件。葉片區(qū)獲得細(xì)小均勻等軸的雙態(tài)組織，根據(jù)具體服役條件，通過控制預(yù)先固溶處理的溫度調(diào)控等軸初生α含量，盤體在β區(qū)熱處理得到細(xì)小均勻的片層組織，過渡區(qū)組織變化平緩。精確控制雙性能整體葉盤葉片、盤體、過渡區(qū)的組織與性能，合理布局過渡區(qū)的位置和尺寸，掌控保載疲勞、阻燃等服役性能及其影響因素，為鈦合金雙性能整體葉盤在先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的可靠應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

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