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压气机盘用热强钛合金锻件标准分析及实物测试结果对照研究.pdf
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1、 年 月第 期大型铸锻件 .凭借晶粒组织更细焊接质量和效率更高的特点已经替代先前使用的 焊条在公司生产的梅钢 热卷箱项目、重钢粗轧机组项目相关不锈钢堆焊产品中推广应用均取得良好效果 ()再制造技术的发展与应用既可修复材料因长期服役而导致的失效部位亦可强化材料或零件的表面对于合理使用材料、改进产品设计、降低生产成本、节约资源能源等都具有重要意义 本文研究的扁头套再制造技术费用仅为新品成品的 左右在减少产品制造需要耗损的材料、设备投入以及人工管理费用的同时也为今后接轴类产品再制造技术提供了宝贵的经验和实用的焊接工艺具有较高的推广应用价值参考文献李发兴.热轧粗轧机万向接轴故障分析与改进.天津冶金()
2、:.徐文军 东占萃 李晓磊 等.粗轧机主传动扁头套寿命影响研究.重型机械():.董世运.机械零部件再制造成形修复技术创新发展 年绿色制造国际论坛报告文集(分册二:专题论坛报告):.陈长锋.现代电气控制及 应用技术分析.中国设备工程():.董芳 秦涛.马氏体不锈钢堆焊焊条的研制.热加工工艺 ():.安静 彭丽红 吕春艳.马氏体不锈钢堆焊药芯焊丝的研究.焊接技术 ():.王淼 欧阳建国.锻件的补焊工艺.金属制品 ():.武丹 裘荣鹏.氟化物对药芯焊丝熔敷金属扩散氢含量和焊接电弧稳定性的影响.热加工工艺 ():.熊杰 李林 梁铁.轧机扁头套激光熔覆修复材料的试验研究.新疆钢铁():.陈楠 谢翊馨.工
3、业互联网视域下构建区域再制造产业生态研究.当代经济 ():.王喜川.堆焊技术在国内石化、冶金行业机械设备维修中的应用.高考(综合版)():.编辑:徐常顺材料与热处理压气机盘用热强钛合金锻件标准分析及实物测试结果对照研究李亚非 刘让贤 向顺成 佟飞 谢志龙(.张家界航空工业职业技术学院湖南 张家界.长沙理工大学湖南 长沙)摘要:通过分析三种热强钛合金压气机盘锻件标准及实物在显微组织、力学性能以及取样部位差异发现轮缘、幅板、轮毂为显微组织检验部位三种钛合金实物组织破碎充分均符合标准要求轮毂部位需检测高温拉伸、高温持久性能力学性能取样部位与检测项目符合压气机轮盘承载情况另外幅板部位可考虑检测疲劳性能
4、与断裂韧度三种钛合金实物锻件力学性能满足标准要求三种钛合金在我国的应用逐渐成熟 关键词:热强钛合金压气机盘显微组织力学性能 中图分类号:文献标志码:.:年第 期大型铸锻件收稿日期:作者简介:李亚非()男硕士讲师 航空涡轮发动机的压气机(含风扇 压气机)承担为发动机提供持续、稳定、大流量空气的任务 压气机被涡轮转子高速驱动旋转时在压气机叶片的进排气边形成空气压差从而产生推力而叶片通过燕尾型榫槽联结于轮盘 压气机轮盘承受自身离心载荷以及叶片气动 离心作用的复合载荷若再考虑压缩空气的温升、燃烧室部件传热则情况更复杂对轮盘选材、设计、制造过程均提出极高要求 钛合金因其比强度高耐蚀性好 温度区间持久、抗
5、蠕变性能优良成为航空发动机压气机盘的首选材料目前先进燃气涡轮发动机压气机盘几乎均选用钛合金材料 压气机盘锻件属于大型盘类锻件合金铸锭经过开坯锻造(转变温度以上历经 火次)、快锻与精锻(双相区历经 火次)后制成大规格棒材(以上)随后大规格棒材经过坯料的锻锤压锻及最终的压力机模锻而成盘锻件热工艺流程繁多钛合金锻造过程同时发生组织转变与再结晶因此锻件毛坯质量是决定产品质量的基础而制定科学的标准是毛坯质量的重要保障 锻件标准体现设计人员对零件承载类型、受力状况、材料组织、热处理与性能等诸多方面的全面把握 对设计人员力学、材料学、机械设计等工程科学理论基础与应用经验方面的要求较高 科学制定压气机盘类关键
6、锻件标准对保证航空产品质量至关重要 本研究以典型的几款热强钛合金盘锻件为例综合比较标准、实物的化学成分、显微组织、力学性能综合应用上述综合学科知识分析细节得到结论 试验材料与方法.试验材料 选择 涡喷发动机的 合金盘锻件、涡扇发动机的 合金盘锻件以及 涡扇发动机的 合金盘锻件为对象对比三者盘锻件标准的取样、测试项目、性能要求并与实物状态测试数值比较最终获得试验结论.化学成分 钛合金名义成分为.为.为.根据 当量与 当量的计算公式将三种钛合金的计算结果及 转变温度列于表表 三种钛合金与当量理论计算结果 合金 当量 当量 转变温度.轮盘承载 以图 说明压气机盘工作过程承受的复杂的热载荷耦合作用:(
7、)轮盘 叶片的高速旋转产生径向与周向离心载荷叠加轮缘轮毂温度梯度形成的热应力导致轮缘芯部呈三向应力状态其中壁厚较薄的幅板与轮毂部位径向应力大线速度最高的轮缘周向应力最大()工作过程的轮缘长期为高温拉伸状态长时使用后产生蠕变残余变形()随发动机启动加速最大停车循环盘件上述拉伸的应力幅值呈周期变化表现为疲劳载荷特征图 压气机轮盘部位示意图 由 于 轮 毂 部 位 工 作 温 度 较 低(不 超 过)轮缘部位温度高达 结合上述载荷分析可知压气机盘的静强度轮毂部位低于 抗拉强度、幅板部位沿径向约 抗拉强度以及轮缘部位沿周向 以上抗拉强度要求较高避免上述部位在最高转速下发生一次性大应力撕裂(瞬时断裂)破
8、坏 轮缘部位尺寸大且易产生蠕变变形故压气机盘轮缘部位的高温()持久、蠕变强度要求加高避免盘件长时工作后的形状、尺寸精度降低影响叶尖间隙从而恶化压气机效率 另外压气机盘的幅板轮缘转接 处存在尺寸突变易形成应力集中因此该部位的中温()疲劳强度要求加高避免幅板部位疲劳载荷作用下萌生疲劳裂纹发生疲劳断裂李亚非:压气机盘用热强钛合金锻件标准分析及实物测试结果对照研究 年第 期.取样部位与项目 图 为标准规定的 盘锻件的显微组织取样图取样位置为轮缘表面、轮缘芯部、幅板芯部及轮毂芯部力学性能取样均来自轮缘部位、盘锻件力学性能的取样部位参照 盘锻件进行图 压气机轮盘锻件剖面图 由于 与 盘锻件均采用等温锻造
9、盘锻件采用 锻造 显微组织应以追求盘锻件各区域的显微组织均匀为目标因此组织检查应选择轮缘、幅板、轮毂的典型部位另外选取易形成组织缺陷的特殊部位进行组织取样检查 力学性能取样应考虑典型部位承载特点测试该部位的力学性能 盘锻件检验的力学性能项目包括室温拉伸、高温拉伸、高温持久、高温蠕变、热稳定性能取样部位为轮缘沿周向选取如表 所示表 三种轮盘检测项目与部位 检测项目部位与方向 合金轮盘 合金轮盘 合金轮盘显微组织轮缘、轮毂、幅板室温拉伸轮缘 向轮缘 向轮毂 向高温拉伸无轮缘 向轮缘 向高温持久轮缘 向轮缘 向轮缘 向断裂韧度无无幅板 向疲劳无轮缘 向无热稳定无无轮缘 向 试验结果.显微组织要求与测
10、试结果 锻件标准规定的组织级别与实际检验结果列表 标准规定显微组织级别及实际检验结果 项目 合金轮盘 合金轮盘 合金轮盘标准规定 的 级 的 级 的 级检验结果 的 级 的 级 的 级()()()图 压气机盘锻件标准允许显微组织图样 ()()()图 实际盘锻件显微组织 于表 具体组织形貌见图 与图 图()为片层状魏氏组织原始 晶界清晰可见且该部位析出连续 相晶内 相与 转相呈片层排列 魏氏组织的断裂韧度值高但冲击韧性差抗疲劳性能最差 压气机盘幅板与转接 处应避免出现魏氏体组织 图()为近似网篮组织:晶界析出连续 相晶内 相与 转相生长方向呈片层排列未编织成网篮 可认为这是一种未充分网篮化的片层
11、组织而网篮组织的塑性、抗疲劳性能优于片层组织 压气机盘幅板与转接 处应避免出现魏氏体组织 图()组织特点为 相呈现大块状、粒状与蠕虫状等不同形态来自 航空用钛及钛合金棒材和锻坯规范标准组织形态可归为大块“蠕虫”状 相夹杂着 转变组织的双态组织该组织在生产实践中较罕见 图()可见 盘锻件组织均匀初生 相再结晶进行的较为完全基本均呈圆滑的粒状分布 转变组织含量适中且内部可见片状的次生 相与 相 此组织属于典型的双态状组织组织变形充分总体而言属良好的锻造组织 图()的 盘锻件为典型网篮状组织:原始 晶界区域析出的初生 相呈弥散状分布形貌圆滑锻压过程破碎充分 晶内 相与 转相交互编织的网篮细小、齐整属
12、于优良的 锻组织 图()的 盘锻件显微组织细小、均匀 相已明显的等轴化不可见次生 相 属变 年第 期大型铸锻件形充分的优良等轴状组织 从上述显微组织对比结果来看轮盘锻件变形充分显微组织均匀、细小满足标准要求 结合 双相钛合金热变形规律可知在适宜的变形温度、变形速率、变形量综合作用下初生 相发生充分再结晶原始 相破碎、分解晶粒得以明显细化是得到等轴组织的根本原因.力学性能要求与测试结果 锻件标准对盘锻件的室温力学性能要求以及实测数据列于表 热稳定性能列于表 从表 可见三种合金的盘锻件力学性能较之标准规定数值均有一定的裕度 合金塑性指标尤其是断面收缩率较之 与 合金明显偏小这符合网篮组织塑性低于等
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