TC17合金均質整體葉盤毛坯等溫成形技術研究

文／趙興東·沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司

TC17合金均質整體葉盤毛坯等溫成形技術研究

文／趙興東·沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司

確定TC17合金均質整體葉盤毛坯的熱加工工藝，生產出組織和性能均符合標準要求的大型整體葉盤毛坯，進行了鍛造工藝、熱處理制度對TC17合金均質整體葉盤毛坯組織和性能影響的研究。試驗結果表明，采用近β等溫鍛成形+雙固溶處理可實現整體葉盤毛坯不同部位綜合性能的良好匹配，保證了不同部位對性能的不同設計要求。

整體葉盤對盤而言要有高的強度、斷裂韌性、抗裂紋擴展能力、蠕變性能和較高的低周疲勞，葉片要有高的強度、塑性、熱穩定性、高周疲勞性能。要在一個鍛件上同時滿足各項性能指標，采用合理的鍛造工藝及熱處理工藝是獲得綜合性能優良鍛件的關鍵。某發動機用整體葉盤鍛件最大直徑近1100mm，重量達500kg。考慮葉盤不同部位性能各有側重又彼此兼顧的要求，開展了整體葉盤等溫鍛造工藝參數和熱處理工藝對TC17合金盤件組織和性能影響的研究。

試驗方案

鍛造工藝試驗

⑴試驗材料。試驗用棒料（φ170mm×440mm）相變點為 895℃，將棒材加熱到850℃，在水壓機上鍛造，變形量75%，鍛成圓餅后分成六個相同的扇形餅坯。

⑵試驗方案。①β鍛造工藝試驗。將1個扇形餅坯再次鍛造，坯料加熱溫度920℃, 變形量50%，鍛后空冷。經固溶+時效（800℃保溫4h，水冷+620℃保溫8h，空冷）處理后，進行組織性能檢測。②α+β鍛造工藝試驗。將其余5個扇形餅坯再次鍛造，變形量50%，每個扇形餅坯的加熱溫度和冷卻方式見表1。經固溶+時效處理后，進行組織性能檢測。

熱處理工藝研究

⑴試驗材料。試驗料是采用近β鍛的整體葉盤鍛件。

表1 α+β鍛造工藝試驗方案

⑵試驗方案。將盤件分成兩個半盤，對每個半個盤件進行不同制度的熱處理，具體方案見表2。處理后進行組織性能檢測。

表2 熱處理試驗方案

試驗結果與分析

鍛造工藝試驗

⑴β鍛造工藝試驗。β鍛的組織見圖1，性能數據見表3及表4。試驗表明，采用β鍛工藝，鍛件的組織為典型的網藍組織，其室溫拉伸、高溫拉伸、熱穩性能均能達到指標要求，特別是斷裂韌性、蠕變性能好，但高周疲勞性能數據偏低，無法達到性能指標要求。

⑵ α+β鍛造工藝試驗。α+β鍛的組織見圖2，性能數據見表5、表6。

圖1 β鍛的組織

從圖2可以看出，α+β鍛后經固溶+時效處理，組織均為等軸組織，但兩種溫度下鍛造后的組織中的α相的數量有明顯的差異，880℃（近β鍛）組織中α的數量約為25%，與雙態組織相似；而845℃（兩相鍛）組織中α的數量約為40%，是典型的等軸組織。相同溫度鍛后不同冷卻方式對組織的影響不大，隨著冷速的增加，等軸α相略有減少，條狀α略有增加，α相總量基本沒變。

從表5、表6中可以看出，采用（α+β）兩相區下部鍛造工藝，其室溫性能、高溫性能、高周疲勞性能、低周疲勞均能達到目標要求，但（α+β）兩相區下部鍛造斷裂韌性、蠕變性能較差；采用近β鍛造工藝，其室溫性能、高溫性能、高周疲勞性能滿足目標要求的同時，其斷裂韌性較（α+β）兩相區下部鍛造的數據有很大的提高，蠕變性能也有所改善，解決了強度、塑性、韌性、蠕變性能和高低周疲勞性能的綜合匹配問題。近β鍛鍛后冷速對力學性能也有一定的影響，水冷的強度和高周疲勞性能比空冷的略高些。

熱處理工藝試驗

⑴高倍組織。兩種不同熱處理制度下的盤件高倍組織見圖3。

表3 β鍛造組織力學性能數據一

圖2 α+β鍛的組織（×500）

表4 β鍛造組織力學性能數據二

表5 α+β鍛造組織力學性能數據一

表6 α+β鍛造組織力學性能數據二

從圖中可以看出，經均勻化（880℃保溫2h，風冷）處理較未均勻化處理的盤高倍組織中等軸α相減少，條狀α增加，α相總量略有減少。

⑵力學性能。兩種不同熱處理制度下盤件力學性能見表7、表8。

為了提高輪盤的斷裂韌性，在熱處理（800℃/4h，水冷+630℃/8h，空冷）之前，增加一次高溫均勻化（880℃）處理，以期適當降低合金的強度來提高輪盤的KIC值。由表7、表8可知，在固溶時效處理之前，增加一次均勻化處理，其室溫強度降低，從而改善了輪盤的平面應變斷裂韌性值（KIC）。另外，增加一次均勻化處理，雖使盤件的室溫拉伸性能、室溫高周軸向應力疲勞強度有所降低，但均能滿足標準要求。

從組織來看，即使在等軸組織中，等軸α相的數量和大小同樣影響合金的斷裂韌性，減少組織中等軸α相的數量，斷裂韌性增高。在固溶時效之前，增加均勻化處理，正是出于減少等軸組織中的等軸α相，增加條狀α的目的。試驗結果表明，增加一次高溫均勻化處理以適當降低合金的強度，有利于提高輪盤的斷裂韌性。

整體葉盤毛坯的試制

成形工序

基本成形工序：下料→加熱（兩相區）→制坯→加熱（兩相區）→鐓餅→粗加工→探傷→加熱（近β相區）→等溫鍛→熱處理（雙固溶+時效）。

試制結果

⑴力學性能。解剖件的力學性能見表9、表10。

圖3 兩種熱處理制度下盤件的高倍組織

表7 室溫拉伸性能

表8 室溫斷裂韌性性能和高周軸向應力疲勞性能

檢測結果表明，整體葉盤葉片部位的室溫拉伸、硬度、熱穩定、缺口位伸、高溫拉伸、高溫持久、高周疲勞性能，盤件部位的室溫拉伸、沖擊、低循環疲勞、斷裂韌性、高溫蠕變性能均符合標準要求。

⑵高低倍組織。低倍組織無冶金缺陷，高倍組織（見圖4）基本上是雙態組織，組織中等軸α相的含量為15%～20%，低高倍組織均符合標準要求。

表9 力學性能（葉片部位）

表10 力學性能（盤部位）

圖4 不同部位的高倍組織

結論

⑴確定的近β等溫鍛造，并經雙固溶加時效處理的工藝，可使整體葉盤毛坯獲得優異的綜合性能，既能滿足葉片具有高的強度、塑性和高周疲勞性能，又能滿足輪盤好的高溫性能、低周疲勞性能和斷裂韌性性能要求。

⑵試制的整體風扇葉盤毛坯，組織和性能均達到了技術標準要求。