CN114346136B - TiAl涡轮叶片应力-温度双增塑近净成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种TiAl涡轮叶片应力‑温度双增塑近净成形方法，包括：步骤一、坯料三明治预处理：将TiAl棒料包裹玻璃纤维以过盈配合方式放入预压应力环内密封，形成三明治密封结构；步骤二、坯料加热生压润滑隔热：将包含TiAl棒料的三明治密封结构整体加热到1000～1200℃，保温1～360min；步骤三、坯料快速转移冷却：将三明治密封结构迅速转移至叶片锻模上，转移后对外层金属盔甲喷洒润滑剂进行冷却；步骤四、待外层金属盔甲降至指定温度后，以0.1～10s‑1的应变速率快速锻造成形，获得TiAl叶片。利用该方法，可以锻合TiAl单晶铸造内部缺陷，形变强化组织性能，显著提高制造效率和材料利用率。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属叶片锻造成形方法，具体涉及一种TiAl涡轮叶片应力-温度双增塑近净成形方法啊，属于材料加工技术领域。
背景技术
TiAl合金作为新一代耐高温合金具有强度高、稳定性好的优点，密度只有传统镍基合金的一半，替代600～750℃下使用的镍基高温合金作为航空发动机涡轮叶片材料，能提高20％的燃油效率，是目前公认的最佳新型轻质结构材料。
而要继续改进涡轮效率，提高发动机整体性能，最有效的方法是使用高温单晶叶片。单晶叶片只有一个晶粒，消除了全部晶界，从而降低了孔洞和裂纹发生的可能性，且不必加入晶界强化元素，使合金的初熔温度相对升高，从而提高了合金的高温强度。高温TiAl单晶材料，其室温拉伸屈服强度达到708MPa，在900℃条件下，屈服强度仍保持在较高水准，为637MPa，并具有优异的抗蠕变性能，使用TiAl单晶作为叶片材料，有望将目前TiAl合金的使用温度提高到900℃以上。
然而，对于TiAl材料，由于在高温下仍具有很高的强度，因此对设备吨位提出了很高的要求，若采用等温锻造，则对模具材料高温性能要求极高，成本明显增加；另外，由于TiAl材料在低温时塑性较低，而叶片形状复杂，在成形过程中极易发生开裂等缺陷，而提高成形温度，TiAl材料在高温下可能发生相变，恶化组织性能。，因此，对于TiAl材料，由于其塑性差，变形抗力高，成形温度范围窄，目前的锻造成形方法均存在较大不足。
发明内容
针对现有TiAl合金锻造方法锻造TiAl材料时，坯料塑性低易开裂、高温时易发生相变、模具成本高等问题，本发明提供一种TiAl叶片成形方法，利用应力-温度双重增塑，使得TiAl材料由脆转韧，塑性大幅提高，并通过调整应变速率控制相变，避免TiAl材料组织性能恶化，或者是TiAl单晶转变为多晶组织。
本发明具体是这样实现的：
一种TiAl涡轮叶片应力-温度双增塑近净成形方法，包括如下步骤：
步骤一、坯料三明治预处理：将TiAl棒料包裹玻璃纤维以过盈配合方式放入预压应力环内密封，形成三明治密封结构，三明治密封结构的最外层是提供预压力的金属盔甲，中间层是玻璃纤维，芯部是TiAl棒料；
步骤二、坯料加热生压润滑隔热：将包含TiAl棒料的三明治密封结构整体加热到一定温度并保温一段时间；
步骤三、坯料快速转移冷却：将包含TiAl棒料的三明治密封结构迅速转移至叶片锻模上，转移后对外层金属盔甲喷洒润滑剂进行冷却；
步骤四、待外层金属盔甲降至指定温度后，以一定的应变速率快速锻造成形，获得TiAl叶片。
更进一步的方案是：
在步骤一中，先将外层金属盔甲加热使其膨胀，内径增大，再将被玻璃纤维包裹的TiAl棒料放入金属盔甲内径中，待其冷却后收缩形成过盈配合，对芯部TiAl棒料形成预压应力。
更进一步的方案是：
在步骤一中，最外层提供预压力的金属盔甲，其热膨胀系数小于TiAl材料，TiAl材料的膨胀系数为10～13。
更进一步的方案是：
所述金属盔甲材料，为钛合金或热膨胀合金。
更进一步的方案是：
所述钛合金为TA钛合金、TB钛合金或TC钛合金；热膨胀合金为4J45钢或4J29钢。
更进一步的方案是：
步骤二中，将三明治密封结构整体加热到450～800℃，保温1～60min；然后加热1000～1200℃，再保温1～360min。
更进一步的方案是：
步骤三中，将三明治密封结构在2～7s时间内转移至叶片锻模上。
更进一步的方案是：
在步骤三中，锻模选择冷模，利用锻模对金属盔甲进行冷却至20～500℃，金属盔甲收缩对芯部TiAl棒料施加三向压应力。
更进一步的方案是：
步骤四中，外层金属盔甲降至200～500℃。
更进一步的方案是：
步骤四中，应变速率为0.1～10s-1。
本发明步骤二中，加热后外层金属盔甲由于预压应力和热膨胀系数小于TiAl，会对芯部TiAl棒料产生50～200MPa的预压应力，同时玻璃纤维在高温与高压下由固态转化为流动状态，形成连续、致密、具有延展性的抗压膜层，起到润滑和隔热作用。
步骤四中，芯部TiAl棒料由于玻璃纤维隔热，在锻造成形中仍可保持高温(900～1100℃)状态，而外部金属盔甲强度远高于芯部TiAl棒料，成形过程中室温模具型腔和外层金属盔甲对芯部TiAl棒料施加强烈的三向高压(700～2000MPa)作用，大幅增加其塑性。
根据研究表明，材料处于三向压应力状态时，塑性最高，且压应力数值越大，塑性越好，越利于成形。
本发明通过过盈配合的三明治密封结构，利用外层金属盔甲和芯部TiAl棒料热膨胀系数以及温度的差异，提供三向压应力作用，提高芯部TiAl材料塑性。由于中间层玻璃纤维的隔热作用，当外层金属盔甲温度降低至20～500℃时，芯部TiAl棒料仍可保持在900～1100℃，塑性不降低，同时金属盔甲强度远高于芯部TiAl棒料，此时成形，室温模具型腔和外层金属盔甲对芯部TiAl棒料施加高达700～2000MPa的三向高压作用，在应力-温度双重增塑作用下，材料塑性大幅增加。此外，根据成形温度的不同，选择不同应变速率进行成形，控制相变点，避免成形过程中TiAl单晶发生相变转变为多晶组织。利用该方法，可以锻合TiAl单晶铸造内部缺陷，形变强化组织性能，同时室温模具成形，产品精度更高，能显著提高制造效率和材料利用率，降低了对模具的要求，极大降低了成本。
附图说明
图1是本发明工艺流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
如附图1所示，TiAl涡轮叶片应力-温度双增塑近净成形方法，采用TiAl单晶棒料作为TiAl涡轮叶片材料，具体包括以下步骤：
步骤一、坯料三明治预处理：使用玻璃纤维包裹直径30mm，长度120mm的TiAl单晶棒料1，包裹厚度3mm，将内径35.8mm，外径45mm的TC1金属盔甲3加热至1200℃使其膨胀，内径增大至36mm，将玻璃纤维2包裹的TiAl单晶棒料装入TC1金属盔甲内径中，待冷却后形成过盈配合，成为三明治密封结构；
步骤二、坯料加热生压润滑隔热：将包含TiAl单晶棒料的三明治密封结构整体加热到700℃，保温30min，然后升温到1200℃，保温30min，玻璃纤维在高温与高压下由固态转化为流动状态，形成连续、致密、具有延展性的抗压膜层，起到润滑和隔热作用；
步骤三、坯料快速转移冷却：将包含TiAl单晶棒料的三明治密封结构迅速转移至叶片锻模上，转移时间5s，转移后对外层金属盔甲喷洒润滑剂进行冷却；
步骤四、待外层金属盔甲降至500℃后，芯部TiAl单晶棒料温度1100℃，采用冷模以10s-1的应变速率快速锻造成形，获得TiAl单晶叶片。
实施例2
TiAl涡轮叶片应力-温度双增塑近净成形方法，采用Ti-48Al-2Cr-2Nb材料作为TiAl涡轮叶片材料，具体包括以下步骤：
步骤一、坯料三明治预处理：使用玻璃纤维包裹直径35mm，长度120mm的Ti-48Al-2Cr-2Nb棒料，包裹厚度3mm，将内径40.9mm，外径50mm的4J45金属盔甲加热至1200℃使其膨胀，内径增大至41mm，将玻璃纤维包裹的Ti-48Al-2Cr-2Nb棒料装入4J45金属盔甲内径中，待冷却后形成过盈配合，成为三明治密封结构；
步骤二、坯料加热生压润滑隔热：将包含Ti-48Al-2Cr-2Nb棒料的三明治密封结构整体加热到600℃，保温20min，然后升温到1000℃，保温60min，玻璃纤维在高温与高压下由固态转化为流动状态，形成连续、致密、具有延展性的抗压膜层，起到润滑和隔热作用；
步骤三、坯料快速转移冷却：将包含TiAl单晶棒料的三明治密封结构迅速转移至叶片锻模上，转移时间5s，转移后对外层金属盔甲喷洒润滑剂进行冷却；
步骤四、待外层金属盔甲降至200℃后，芯部TiAl单晶棒料温度900℃，采用冷模以1s-1的应变速率快速锻造成形，获得TiAl叶片。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。
Claims (7)
1.一种TiAl涡轮叶片应力-温度双增塑近净成形方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、坯料三明治预处理：将TiAl棒料包裹玻璃纤维以过盈配合方式放入预压应力环内密封，形成三明治密封结构，三明治密封结构的最外层是提供预压应力的金属盔甲，中间层是玻璃纤维，芯部是TiAl棒料；其中最外层提供预压力的金属盔甲，其热膨胀系数小于TiAl棒料；
所述预压应力形成方法为：先将外层金属盔甲加热使其膨胀，内径增大，再将被玻璃纤维包裹的TiAl棒料放入金属盔甲内径中，待其冷却后收缩形成过盈配合，对芯部TiAl棒料形成预压应力；
步骤二、坯料加热生压润滑隔热：将包含TiAl棒料的三明治密封结构整体加热到一定温度并保温一段时间；
步骤三、坯料快速转移冷却：将包含TiAl棒料的三明治密封结构迅速转移至叶片锻模上，转移后对外层金属盔甲喷洒润滑剂进行冷却；当外层金属盔甲温度降低至20～500℃时，芯部TiAl棒料仍可保持在900～1100℃；
步骤四、待外层金属盔甲降至指定温度后，以一定的应变速率快速锻造成形，获得TiAl涡轮叶片。
2.根据权利要求1所述TiAl涡轮叶片应力-温度双增塑近净成形方法，其特征在于：
所述金属盔甲材料，为热膨胀合金。
3.根据权利要求2所述TiAl涡轮叶片应力-温度双增塑近净成形方法，其特征在于：
所述热膨胀合金为钛合金、4J45钢或4J29钢，钛合金为TA钛合金、TB钛合金或TC钛合金。
4.根据权利要求1所述TiAl涡轮叶片应力-温度双增塑近净成形方法，其特征在于：
步骤二中，将三明治密封结构整体加热到450～800℃，保温1～60min；然后加热到1000～1200℃，再保温1～360min。
5.根据权利要求1所述TiAl涡轮叶片应力-温度双增塑近净成形方法，其特征在于：
步骤三中，将三明治密封结构在2～7s时间内转移至叶片锻模上。
6.根据权利要求1所述TiAl涡轮叶片应力-温度双增塑近净成形方法，其特征在于：
步骤四中，外层金属盔甲降至200～500℃。
7.根据权利要求1或6所述TiAl涡轮叶片应力-温度双增塑近净成形方法，其特征在于：
步骤四中，应变速率为0.1～10s-1。
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