本發(fā)明屬于鈦合金加工，具體涉及一種高效短流程tc4鈦合金風(fēng)扇整體葉盤(pán)鍛件超塑成形方法。

背景技術(shù)：

1、科技的發(fā)展推動(dòng)著飛機(jī)的快速迭代，發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛機(jī)的“心臟”，其性能要求日益提高。整體葉盤(pán)作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的關(guān)鍵部件，通過(guò)將葉片與輪盤(pán)一體化設(shè)計(jì)，顯著減輕了轉(zhuǎn)子的質(zhì)量并提高了工作效率。這種設(shè)計(jì)不僅直接減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)的重量，還有助于減少氣流損失，從而提升了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率和推力；這對(duì)于提高飛機(jī)的飛行性能和速度至關(guān)重要。因而，整體葉盤(pán)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)中。

2、tc4鈦合金是一種輕質(zhì)高強(qiáng)的金屬材料，已成為航空航天領(lǐng)域追求輕量化設(shè)計(jì)的理想選擇。然而，tc4鈦合金的常規(guī)成形工藝存在塑性差、鍛造溫度范圍窄等難點(diǎn)，導(dǎo)致其成形過(guò)程中容易產(chǎn)生缺陷。這些問(wèn)題不僅限制了材料的綜合性能，也影響了生產(chǎn)效率，因此需要探索新的成形方法以?xún)?yōu)化其加工過(guò)程。但盡管其加工性能較差，但在超塑性狀態(tài)下具有良好的塑性和流動(dòng)性，適合加工成復(fù)雜形狀，可利用該特點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)tc4鈦合金的超塑成形。

3、中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)cn113510207a公開(kāi)了一種tc17鈦合金大尺寸變截面整體葉盤(pán)鍛件制作方法，包括根據(jù)零件外形和尺寸設(shè)計(jì)鍛件毛坯和荒坯，制備終鍛和預(yù)鍛模具，棒料加工形成棒坯，再將棒坯移至預(yù)鍛模制成預(yù)鍛坯，最后將預(yù)鍛坯轉(zhuǎn)移至終鍛模具制成鍛件。

4、中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)cn110773685a公開(kāi)了一種厚大變截面ti-6242合金整體葉盤(pán)鍛件的制備方法，包括根據(jù)超聲波檢測(cè)棒料實(shí)際噪聲水平，對(duì)棒料進(jìn)行改鍛得到中間坯，對(duì)中間坯進(jìn)行模鍛得到鍛件毛坯，經(jīng)熱處理合格后得到整體葉盤(pán)鍛件。

5、由于常規(guī)鍛造過(guò)程中存在降溫這一限制條件，一般棒材每火次鐓拔后需要回爐重新保溫，因此棒材的鐓拔過(guò)程以及鍛件的成形過(guò)程中單火次的變形量非常有限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種高效短流程tc4鈦合金風(fēng)扇整體葉盤(pán)鍛件超塑成形方法，在高溫變形環(huán)境中充分利用鈦合金材料的超塑性實(shí)現(xiàn)單火次超大變形，大大提高生產(chǎn)效率，還降低了制造成本和周期，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益；所述鍛件任意位置的室溫拉伸抗拉強(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；斷裂韌度≥60mpa·m1/2。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：

3、一種高效短流程tc4鈦合金風(fēng)扇整體葉盤(pán)鍛件超塑成形方法，其包括以下步驟：

4、1)真空自耗熔煉獲得直徑為φ820mm~φ1020mm的tc4鈦合金鑄錠；

5、2)將所述tc4鈦合金鑄錠進(jìn)行至少3火次鍛造；首先將鑄錠加熱至1100℃~1200℃并保溫10h~15h，取出進(jìn)行第1次鐓粗、拔長(zhǎng)；然后回爐保溫，保溫溫度為1100℃~1200℃，保溫時(shí)間4h~10h，取出進(jìn)行第2次鐓粗、拔長(zhǎng)；然后回爐保溫，保溫溫度為940℃~980℃，保溫時(shí)間2h~6h，取出進(jìn)行第3次鐓粗、拔長(zhǎng)；每火次應(yīng)變速率為0.5s-1~0.1s-1；所有火次鍛造完成后水冷得到鍛坯；

6、3)對(duì)所述鍛坯進(jìn)行至少3火次鍛造；首先將鍛坯加熱至1050℃~1100℃并保溫10h~15h，取出進(jìn)行第1次鐓粗、拔長(zhǎng)；然后回爐加熱并保溫，加熱保溫溫度為940℃~980℃，保溫時(shí)間2h~6h，取出進(jìn)行第2次鐓粗、拔長(zhǎng)；然后回爐加熱并保溫，加熱保溫溫度為1050℃~1100℃，保溫時(shí)間4h~10h，取出進(jìn)行第3次鐓粗、拔長(zhǎng)；每火次應(yīng)變速率為0.05s-1~0.005s-1；所有火次鍛造完成后空冷；

7、4)對(duì)所述鍛坯進(jìn)行3~5火次鐓拔；首先將鍛坯加熱至940℃~980℃并保溫10h~15h，取出進(jìn)行第1次鐓粗、拔長(zhǎng)；后續(xù)每火次均回爐保溫，保溫溫度為940℃~980℃，保溫時(shí)間2h~6h，取出進(jìn)行鐓粗、拔長(zhǎng)；每火次應(yīng)變速率為0.05s-1~0.005s-1；所有火次鍛造完成后空冷至室溫得到tc4鈦合金棒材；

8、5)對(duì)所述tc4鈦合金棒材的表面噴涂玻璃潤(rùn)滑劑，并加熱至tβ－（20~60）℃，加熱時(shí)間t=d×（0.7~1.0），t加熱時(shí)間，單位，min；d為tc4鈦合金棒材直徑，單位，mm；對(duì)整體葉盤(pán)成形模具型面噴涂玻璃潤(rùn)滑劑并加熱至tβ－（20~60）℃后保溫；將所述tc4鈦合金棒材裝入所述成形模具，以30~100mn的鍛造壓力、0.005?s-1~0.001s-1的應(yīng)變速率經(jīng)95%以上的超大變形量一火成形得到tc4鈦合金風(fēng)扇整體葉盤(pán)鍛件；鍛造完成后將tc4鈦合金風(fēng)扇整體葉盤(pán)鍛件水冷至室溫；

9、6)對(duì)tc4鈦合金風(fēng)扇整體葉盤(pán)鍛件進(jìn)行650~750℃的退火處理，處理結(jié)束后空冷至室溫。

10、優(yōu)選的，步驟2）~步驟4）中，1050℃~1200℃加熱保溫和/或回爐保溫后的變形量為60%~75%，940℃~980℃加熱保溫和/或回爐保溫后的變形量為50%~60%。

11、優(yōu)選的，步驟5）成形鍛造完成后30s內(nèi)對(duì)tc4鈦合金風(fēng)扇整體葉盤(pán)鍛件進(jìn)行水冷，冷卻速率≥5℃/min。

12、本發(fā)明獲得的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，初生α相含量為40%~60%，尺寸≤20μm；所述tc4鈦合金風(fēng)扇整體葉盤(pán)鍛件任意位置的室溫拉伸抗拉強(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；斷裂韌度≥60mpa·m1/2。

13、在本發(fā)明所述超塑成形方法中：

14、常規(guī)鍛坯的鍛造工藝中一般完成一次tβ溫度上變形后，多在tβ溫度下連續(xù)多火次鐓粗、拔長(zhǎng)，變形量一般不大（30%~40%），對(duì)晶粒的破碎細(xì)化效果甚微。

15、本發(fā)明所述方法中，步驟2）對(duì)tc4鈦合金鑄錠進(jìn)行至少3火次鍛造，使tc4鈦合金鑄錠組織破碎充分；步驟3）對(duì)所述鍛坯至少3火次鍛造，是為了將鑄錠鍛造破碎后的組織進(jìn)一步細(xì)化晶粒及轉(zhuǎn)變形態(tài)，為后續(xù)組織破碎創(chuàng)造條件；步驟4）對(duì)所述鍛坯進(jìn)行3~5火次鐓拔，是為了進(jìn)一步細(xì)化晶粒及得到鍛件需要的棒材組織。

16、本發(fā)明中tc4鈦合金鍛坯設(shè)計(jì)三次鐓拔鍛造在tβ溫度以上保溫后進(jìn)行，這樣可以充分破碎和細(xì)化組織晶粒。原理是：第一次鐓拔鍛造在tβ溫度上大變形量鐓粗、拔長(zhǎng)用來(lái)破碎原鑄錠內(nèi)的粗大鑄態(tài)晶粒；經(jīng)過(guò)后續(xù)tβ溫度下鐓粗、拔長(zhǎng)，儲(chǔ)備畸變能為后續(xù)β晶粒形核增加形核點(diǎn)；第二次鐓拔鍛造以及后續(xù)次鐓拔鍛造的tβ溫度上大變形量鐓粗、拔長(zhǎng)都是利用相變?cè)俳Y(jié)晶原理，形成β晶粒，在緊接著的tβ溫度下變形，進(jìn)一步細(xì)化晶粒，使其組織尺寸更細(xì)?。ɡ?0μm以下），這樣為后續(xù)一火成形提供良好的基礎(chǔ)。因?yàn)樽罱K一火成形對(duì)組織形態(tài)的調(diào)整有限，這就需要在一火成形前調(diào)整好組織形態(tài)?，F(xiàn)有常規(guī)工藝在單相區(qū)鐓拔不會(huì)超過(guò)2次，而本發(fā)明所述方法中步驟3）、步驟4）的鐓拔結(jié)合等溫鍛工藝，可以少量火次下控制組織形態(tài)。

17、本發(fā)明還利用tc4鈦合金材料的超塑性可以實(shí)現(xiàn)接近100%的變形量。因此相對(duì)于普通模鍛多火次、小變形工藝，本發(fā)明一火成形可以節(jié)約成形鍛造過(guò)程中模具裝配、加熱等時(shí)間，并且僅需一套模具完成普通模鍛多套模具的工作任務(wù)，對(duì)效率和經(jīng)濟(jì)成本的提升巨大。

18、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

19、常規(guī)鍛造在室溫條件下由于明顯的溫降，每火次鐓拔及鍛造變形量有一定限制，并且鍛坯的芯部與表面的溫度不均勻，因此需要多火次成形，最終的初生α相含量控制也需要通過(guò)固溶處理保障。本發(fā)明充分利用等溫條件下實(shí)現(xiàn)超大變形的可行性，通過(guò)嚴(yán)格控制棒材鐓拔及鍛件成形工序下的應(yīng)變速率和鍛造溫度，將原始組織進(jìn)一步破碎，使初生α相含量為40%~60%，尺寸≤20μm，有利于鍛件的綜合性能。

20、本發(fā)明所述方法全流程總體經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)，鍛坯僅經(jīng)過(guò)9~10火次，結(jié)合每火次的大變形使組織細(xì)化程度與常規(guī)鍛造二十余火次基本相當(dāng)，鍛件成形部分利用超塑性完成一火成形，并在變形后鍛件表面沒(méi)有溫降的條件下進(jìn)行水冷，將成形過(guò)程與固溶相結(jié)合，在保證產(chǎn)品質(zhì)量相當(dāng)?shù)那疤嵯麓蟠罂s短了制造周期、降低制造成本。

21、而現(xiàn)有常規(guī)鍛造不采用等溫鍛造，暴露在空氣中經(jīng)過(guò)鍛造坯料的表面和芯部溫度不均勻。例如960℃鍛造后，芯部還有920℃，表面只有860℃。而tc4鈦合金材料最終需要控制組織的初生α相含量需要在對(duì)應(yīng)的溫度通過(guò)水冷保留體現(xiàn)。例如tβ=1000℃，960℃開(kāi)始水冷能保留40%的初生α相，920℃水冷就有70%的初生α相，常規(guī)固溶是再加熱到所需要的溫度保溫控制組織再快冷下來(lái)，這種工藝也稱(chēng)形變熱處理。

22、本發(fā)明鍛件成形利用超塑性完成一火成形，并在變形后水冷，將成形過(guò)程與固溶相結(jié)合，在保證產(chǎn)品質(zhì)量相當(dāng)?shù)那疤嵯麓蟠罂s短了制造周期、降低制造成本。

23、本發(fā)明獲得的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，初生α相含量為40%~60%，尺寸≤20μm；所述tc4鈦合金風(fēng)扇整體葉盤(pán)鍛件任意位置的室溫拉伸抗拉強(qiáng)度≥960mpa，屈服強(qiáng)度≥880mpa，延伸率≥12.0%，面縮≥25%；400℃高溫拉伸性能抗拉強(qiáng)度≥650mpa；延伸率≥15%，面縮≥50%；室溫沖擊功≥28j；斷裂韌度≥60mpa·m1/2。