TC6钛合金叶片楔横轧成形与微观组织演变规律研究

发布时间：2020-05-05 15:14

【摘要】：航空发动机的制造是一项极其复杂的系统工程,其中最核心的部件当属“叶片”,其性能直接影响发动机的性能和安全。TC6是两相热强钛合金,可承受450℃的工作温度,是航空发动机叶片的首选材料之一。针对目前国内通用的钛合金叶片预成形工艺---自由锻中存在的诸多问题,如工艺稳定性差和生产效率低等。本课题提出利用高效绿色近净成形工艺——楔横轧成形钛合金叶片预成形件,并围绕TC6钛合金叶片楔横轧预成形中的高温变形与组织演变、成形质量与力学性能等科学问题和技术难点展开研究。首先,通过等温相变实验和高温压缩实验分别研究了TC6钛合金的等温相变行为、高温变形行为和动态球化行为。结果表明:TC6钛合金高温变形应力-应变曲线是具有典型的加工硬化和流动软化特征的单峰曲线。片状alpha相的动态球化机制为:在局部应变作用下,软beta相楔入片状alpha相内部,形成高低角度的alpha/alpha相界面。当楔入深度足够大时,片状alpha相断开形成独立的相界面。基于此,建立了一套考虑相变体积分数、片状alpha相动态球化及位错密度的TC6钛合金统一本构模型,并通过遗传算法确定模型中的材料常数。通过大型商用软件DEFORM-3D数值模拟二次开发平台,建立了TC6钛合金楔横轧成形的热-力-微观组织多场耦合有限元模型,并基于该模型研究了工艺参数对TC6钛合金楔横轧成形中微观组织的影响规律。结果表明:增大初始成形温度,轧件alpha相体积分数降低且均匀性降低。随着断面收缩率增大,轧件的alpha相体积分数降低但均匀性增加。轧辊转速对alpha相体积分数分布影响较复杂。低转速时,温降占主导作用。随转速增大,塑性温升逐渐占据主导作用,轧件的alpha相体积分数降低。成形角和展宽角不直接影响轧件的热交换机制,因此对微观组织演变影响较小。为使TC6钛合金叶片具有良好的强塑性,通过响应面法对工艺参数进行优化,在保证成形精度的前提下,TC6钛合金的楔横轧初始成形温度应为870～890℃,轧辊转速应为7～10 r/min。基于获得的优化工艺参数,通过楔横轧/等温模锻复合成形新工艺,成功试制航空发动机压气机用TC6钛合金叶片。楔横轧所得预成形件的微观组织分布均匀,常温力能测试所得最低抗拉强度和断后伸长率分别为1107.03 MPa和14.3%。等温模锻实验所得叶片充型完整,叶身及其边缘不存在成形缺陷。叶片的初生alpha相体积含量均不低于30%,常温抗拉强度和锻后伸长率分别为1196 MPa和15.7%,且高温(400℃)抗拉强度可达894 MPa,满足当前航空发动机叶片的技术指标。总之,本文通过金属材料基础实验、有限元模拟和楔横轧成形实验对TC6钛合金楔横轧成形中变形行为与微观组织演变进行了研究,并通过楔横轧/等温模锻复合成形新工艺,成功试制满足微观组织和力学性能等技术指标的TC6钛合金航空发动机叶片,不仅丰富了钛合金楔横轧预成形的实践理论与工艺基础,同时也有望解决现阶段钛合金叶片预成形技术难题,为建立可工业化推广的钛合金叶片成形控性生产链提供了新方法和新思路。
【图文】：

钛材,航空发动机,飞机机身

中有两个典型的应用：飞机机身和飞机引擎。钛合金在飞机机身的应用很广，逡逑如机翼、尾锥、垂尾、压力隔框等在飞机引擎中则主要用于发动机叶片、逡逑转子中。图２－２所示为最波音７７７飞机的ＧＥ－９０航空发动机中使用的大量钛逡逑部件［８］。逡逑／ｖ邋？邋—ｙｌｒ逡逑非承压机身逡逑ｃｍｍ逦＾逦？．Ｖ：邋＇逦＊＾１，逡逑图２－１钛合金在飞机机身上的应用分布逡逑压气机转子《前勘逡逑钦增压机转子逡逑＼灥１邋灥ｐｉ逡逑图２－２钛材在ＧＥ－９０航空发动机上的应用逡逑ＴＣ６是ａ＋｜３型两相钛合金，具有密度小，可退火热处理、良好的热强性逡逑和热稳定性，是典型的高温钛合金。该合金的名义成分为Ｔｉ－５Ａｌ－２Ｃｒ－２Ｍｏ－ｌＦｅ，逡逑－２－逡逑

飞机机身,应用分布,钛合金

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