鈦合金鍛制渦輪軸承座在航空發動機上的應用

王天一，梁 偉，馬增祥

（中國航發沈陽發動機研究所，遼寧 沈陽 110015）

0 引言

渦輪軸承座是航空發動機的主要承力部件之一,其主要功能是支撐發動機轉子軸承安全穩定運轉，工作時需要承受高溫差及高應力載荷。隨著航空發動機性能提升的需求，整機減重已成為迫切的研究方向，而減重的一個重要方法就是采用低密度合金。因此，相當多的航空發動機部件開始考慮使用耐高溫鈦合金材料。TA15 是一種耐高溫鈦合金材料，可以在500～550℃下長時間工作，短時工作溫度可達到800℃，用作飛行器承力結構可以滿足耐高溫、高承載、輕質化的設計要求[1]。本文分析了采用TA15 鍛制渦輪軸承座的優劣性，介紹了TA15 鍛制毛坯的技術要求和主要制造問題，期望對設計和制造領域提供有利指導。

1 渦輪軸承座結構

圖1 為某型航空發動機渦輪軸承座結構示意圖，其主要特征為內環和外環的尺寸跨度較大，內環與外環之間有一個傾斜壁過渡，同時設計有安裝孔、回油孔等結構要素，內環部位安裝軸承。經過結構設計優化，零件外表面并沒有凸起式構型，比較適合采用鍛件制造，基本可以采用鍛制毛坯+車削+銑銷的工藝流程完成加工。

圖1 某型渦輪軸承座1/4 剖視圖

2 采用TA15 鍛制優劣分析

TA15 鈦合金的名義成分為Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，對應的國外牌號為BT20（俄羅斯）。屬于高Al 當量的近α 型鈦合金，所以它既具有α 型鈦合金良好的熱強性和可焊性，也具有接近于α-β 型鈦合金的工藝塑性。具有中等的室溫、高溫強度，以及良好的熱穩定性。

在早前的航空發動機型號中，渦輪軸承座也曾采用高溫合金GH4169 材料制備。但GH4169 材料密度較高，為8.24g/cm3。而TA15 鈦合金材料的材料密度較低，為4.45g/cm3。所以采用TA15 材料后零件重量可以降低40%以上，具有相當可觀的收益。

與高溫合金相比，鈦合金力學性能指標相對較低，棒料的拉伸性能對比如表1[2-3]所示。為了縮小力學性能上的短板，在結構設計過程中需要注重對渦輪軸承座工作載荷的優化。如采取冷卻氣及隔熱材料降低軸承座工作溫度、優化軸承座結構尺寸及轉折部位圓角等措施。本文中渦輪軸承座進行了加載溫度場的三維強度仿真分析，經優化設計后，其最大工作載荷為284MPa，滿足強度設計要求。

表1 高溫拉伸性能對比

渦輪軸承座徑向尺寸梯度較大，為了節省材料和成本，也曾使用過鑄造工藝進行加工。雖然鑄造工藝可實現近凈成形，但鑄造過程會在產品的表面及內部產生缺陷，由于高溫鈦合金含有的合金化元素較多，使其在澆鑄時流動性差，極易在薄壁筋條的表面及內部出現偏析、疏松、縮孔等缺陷。而鍛制毛坯性能更好，內部缺陷少，一般來說同種材料下的鍛件拉伸力學性能比鑄件更加優異。

綜上所述，渦輪軸承座采用TA15 鍛制工藝具有重量輕、毛坯性能好的優勢。

3 毛坯制備要求

鍛制毛坯主要尺寸如圖2 所示。為了從毛坯本體取樣進行力學性能試驗,毛坯尺寸需留有余量。

圖2 鍛制毛坯圖

沿纖維縱向切取的試樣，其室溫力學性能應符合表2 性能要求。鍛件熱處理后其500℃高溫力學性能應符合表3 性能要求。

表2 室溫拉伸性能要求

表3 高溫拉伸性能要求

從鍛制后毛坯的本體取樣進行力學性能試驗，鍛件的室溫拉伸、500℃拉伸性能全部滿足技術條件要求，并且拉伸強度都有比較大的富裕量。鍛件的室溫抗拉強度超過指標40MPa～100MPa，屈服強度超過指標61MPa～151MPa，鍛件的室溫拉伸延伸率也與指標相比有較多的富裕量。

4 加工中的問題

（1）加工完成后，零件部分尺寸存在超差。而且零件靜置一段時間后，復測尺寸還會出現與前期測量結果不一致的情況。除了加工中機械設備的精度和人為操作因素外，這種尺寸變形問題應該與鍛件的殘余應力大有關，但是目前的水平，尚很難達到對鍛坯、鍛件、零件各階段殘余應力的準確評估。引起殘余變形的主要原因是鈦合金導熱系數低，僅為鋼的1/3，加熱過程中極易造成溫度的不均勻分布，從而在熱處理后引起較大的殘余變形[4]。

（2）在去應力退火工藝上，大多數工廠使用的去應力退火工藝取自手冊數據，而手冊中的這些數據有些是經過試驗研究驗證過的，有些是引自國外的性能數據手冊，以去應力退火溫度為例，往往給出的是一個溫度范圍，工廠一般選取中間值溫度作為退火溫度，是否最優缺乏數據支持。

（3）雖然鍛件取樣的力學性能試驗結果滿足制造標準要求，但是仍然低于同材料棒材的力學性能數據。不同取樣部位的力學性能數據存在一定差異，這也給零件的強度仿真計算分析的準確性帶來一定影響。

5 解決措施建議

（1）深入進行渦輪軸承座用TA15 合金材料與鍛件制備工藝及應用技術研究，包括：合金成分的優化與控制、鍛件制備與熱處理工藝優化研究、零件加工與表面處理工藝等，加強考核驗證試驗，提升材料與鍛件的冶金質量、冶金質量穩定性，進一步完善鍛件標準。

（2）在鍛件殘余應力的研究上，應開展零件表面殘余應力和零件解剖后殘余應力測量研究，廣泛開展試驗積累加工用數據，進一步保證零件加工質量。

6 結語

本文以渦輪軸承座為例，介紹了TA15 鍛制毛坯的技術要求和加工問題。從毛坯的本體取樣力學性能測試結果看，TA15 鍛制毛坯基本滿足設計使用需求。雖然在加工制備過程中還存在一定的問題，但隨著研究的進一步深入和數據的積累，問題將逐步得到改善和解決。隨著航空發動機性能不斷提升的需求，鈦合金材料與鍛件制備技術在整機減重設計領域仍有廣闊的應用前景。