Tc17钛合金大尺寸变截面整体叶盘锻件制作方法
阅读说明：本技术 Tc17钛合金大尺寸变截面整体叶盘锻件制作方法 (Manufacturing method of TC17 titanium alloy large-size variable-section blisk forging ) 是由 王周田 张森峰 邓肯 张昕 张鹏 李晓强 于 2021-04-27 设计创作，主要内容包括：本发明TC17钛合金大尺寸变截面整体叶盘锻件制作方法,属于锻造领域,目的是提高大尺寸变截面整体叶盘锻件的整体变形量及分布均匀性。步骤一、根据TC17大尺寸变截面整体叶盘零件的外形及尺寸,采用数字模拟设计出最佳理论锻件毛坯和最佳理论荒坯；步骤二、制备终锻模具和预锻模具；步骤三、棒料加工形成棒坯；步骤四、棒坯移至预锻模具进行预锻,制成预锻坯；步骤五、预锻坯转移至终锻模具进行终锻,制成锻件毛坯。通过数字模拟设计预锻模具和终锻模具,对棒坯进行模锻形成预锻件,提高了棒料至预锻件过程的变形均匀性；经过模锻得到的预锻件采用终锻模具进行模锻形成锻件,变形量和均匀性均得到提高,有效变形范围得到扩大。还提高了原材料利用率。(The invention discloses a manufacturing method of a TC17 titanium alloy large-size variable-section blisk forging, belongs to the field of forging, and aims to improve the overall deformation and distribution uniformity of the large-size variable-section blisk forging. Firstly, designing an optimal theoretical forging blank and an optimal theoretical blank by adopting digital simulation according to the shape and the size of a TC17 large-size variable-section blisk part; step two, preparing a finish forging die and a preforging die; step three, processing the bar stock to form a bar blank; moving the bar blank to a pre-forging die for pre-forging to prepare a pre-forged blank; and fifthly, transferring the pre-forging blank to a finish forging die for finish forging to manufacture a forging blank. The pre-forging die and the finish-forging die are designed through digital simulation, and the bar billet is subjected to die forging to form a pre-forging piece, so that the deformation uniformity of the bar stock to the pre-forging piece is improved; the pre-forging piece obtained by die forging is subjected to die forging by using a finish forging die to form a forging piece, the deformation and uniformity are improved, and the effective deformation range is expanded. And the utilization rate of raw materials is also improved.)
技术领域
本发明属于锻造领域，具体的是TC17钛合金大尺寸变截面整体叶盘锻件制作方法。
背景技术
随着高性能航空发动机涵道比、推重比以及服役寿命要求的不断提高，将发动机用TC17钛合金转子叶片和轮盘形成一体，省去了传统连接中的榫头、榫槽及锁紧装置，减少结构重量及结构数量，避免榫头气流损失，提高气动效率，可极大简化发动机结构，基于此优势，TC17钛合金大尺寸变截面整体叶盘应运而生，该类整体叶盘需借助大型锻压机进行制备，目前国内已投入使用了800MN、200MN等大型模锻压机，满足了大尺寸变截面整体叶盘制备的设备需求，此类整体叶盘已在军用和民用航空发动机上得到了广泛运用。
TC17钛合金大尺寸整体叶盘锻件验收时需满足组织及性能指标检测要求，检测项目具体包括：低倍组织、高倍组织、室温拉伸、高温拉伸、高温光滑持久、室温缺口持久、蠕变、高周疲劳、低周疲劳、断裂韧性、硬度、H含量等，整体叶盘锻件对组织和性能水平要求较高。某TC17钛合金大尺寸变截面整体叶盘锻件如图1所示，包括盘状的叶盘体部和叶盘体部一端的沿其轴向凸出的轮毂部。该锻件轮缘部位较厚，致使锻件淬透性较差，难以通过热处理提高锻件组织和性能水平，尤其难以实现强度和塑性的良好匹配。
目前，该叶盘锻件的制作工艺为：下料形成棒料→对棒料进行镦饼形成饼坯→饼坯加工形成荒坯→对荒坯进行模锻得到大尺寸变截面整体叶盘锻件。其中，饼坯加工形成荒坯，是对饼坯中间进行切孔形成荒坯。采用该制作方式形成的叶盘锻件的锻件变形量及其分布如图2所示，由图2可知：荒坯模锻时的等效应变量较小、变形分布不均、存在变形死区且锻件轮毂四环处余量较大，影响产品质量。不仅如此，其制作工艺还存在以下弊端：采用荒坯中间切孔，材料去除量大，切孔加工难度大，并且锻件轮毂四环处余量较大，此两者导致原材料浪费较为严重。
发明内容
本发明的目的是解决现有大尺寸变截面整体叶盘锻件变形量小且变形分布不均的问题，提供一种大尺寸变截面整体叶盘锻件制作方法，提高大尺寸变截面整体叶盘锻件的整体变形量及分布均匀性。
本发明采用的技术方案是：TC17大尺寸变截面整体叶盘锻件制作方法，
步骤一、根据TC17大尺寸变截面整体叶盘零件的外形及尺寸，采用仿真模拟设计出最佳理论锻件毛坯和最佳理论荒坯；根据最佳理论锻件毛坯设计终锻模具，根据最佳理论荒坯设计预锻模具；
步骤二、制备与最佳理论锻件毛坯适配的终锻模具；制备与最佳理论荒坯适配的预锻模具；
步骤三、棒料下料后沿其轴向在其两端中心加工定位孔，形成锻前棒坯；
步骤四、棒坯移至预锻模具进行预锻，制成预锻坯；
步骤五、预锻坯转移至终锻模具进行终锻，制成锻件毛坯；
所述预锻坯沿其径向包括中部的轮毂成型部和外周的盘体成型部；所述轮毂成型部与盘体成型部之间的轮盘过渡面呈沿轴向向中部延伸且沿径向向外倾斜的斜面。
进一步的，所述预锻坯轮毂成型部的两端设置有定位盲孔，轮毂所在侧的定位盲孔呈阶梯状，且其孔壁呈内凹的弧形；另一侧的定位盲孔呈阶梯状，且其孔壁呈直线形；轮毂所在侧的定位盲孔的阶梯级数小于另一侧的定位盲孔的阶梯级数。
进一步的，所述锻件毛坯沿其径向包括中部的轮毂部和外周的盘体部；沿其轴向轮毂所在的锻件毛坯的一端为前端，另一端为后端；锻件毛坯前端，轮毂部与盘体部的前端过渡面呈沿轴向向中部延伸且沿径向向外倾斜的斜面；锻件毛坯后端，轮毂部与盘体部的后端过渡面呈沿轴向向中部延伸且沿径向向外延伸的阶梯面。
进一步的，锻件毛坯后端，在轮毂部设置有沿其轴向向内凹陷的凹槽。
进一步的，锻件毛坯后端，在盘体部的外侧设置有沿其轴向向外凸出的凸起部，所述凸起部与盘体部的前端面之间呈弧形过渡。
进一步的，步骤一的具体操作如下：
步骤1、根据TC17大尺寸变截面整体叶盘零件的外形轮廓，根据加工量要求，设计出适应TC17大尺寸变截面整体叶盘零件的理论锻件毛坯；
步骤2、对理论锻件毛坯采取仿真模拟推算出理论荒坯；
步骤3、采用仿真模拟对理论荒坯进行仿真模拟终锻过程，根据模拟结构对理论锻件毛坯进行局部特征优化，得到最佳理论锻件毛坯和最佳理论荒坯；
步骤4、设计出与最佳理论锻件毛坯适配的终锻模具；设计出于最佳理论荒坯适配的预锻模具。
进一步的，步骤3包括以下步骤：
步骤3.1、对步骤2得到的理论荒坯进行终锻过程仿真模拟，得到仿真锻件；
步骤3.2、根据仿真锻件的变形量及变形量分布情况与TC17大尺寸变截面整体叶盘零件进行比对；
步骤3.3、比对结果为仿真锻件有效变形区与TC17大尺寸变截面整体叶盘零件吻合，则步骤1中的理论锻件为最佳理论锻件，步骤2中的理论荒坯为最佳理论荒坯；
比对结果为仿真锻件有效变形区与整体叶盘零件不吻合，对步骤1中的理论锻件进行修正，然后依次重复步骤2、步骤3.1、步骤3.2和步骤3.3。
本发明的有益效果是：通过采用预锻制作荒坯，与传统的镦饼后加工得到荒坯相比，具有以下优势：
其一、锻造火次不增加，预锻坯至锻件的过程中，锻件截面变化程度大大减缓，变形量增大，且变形分布更均匀，有效变形范围得到扩大，消除了变形死区，锻件性能富裕度高，更易于满足整体叶盘锻件对组织和性能的使用要求。
其二、由于变形量增加且变形分布更均匀，可有效缩减锻件毛坯的截面尺寸，利于节约原材料；
其三、预锻形成预锻件后直接转移至终锻模具进行终锻，无需对预锻件进行加工，避免了加工成本以及原材料浪费问题，且预锻件的一致性好；轮毂四环处的余量较小，利于节约原材料。
其四、通过数字模拟获得最佳锻件毛坯，使得实际终锻得到的锻件毛坯与所需要的TC17大尺寸变截面整体叶盘零件的形状更接近，使得锻件截面尺寸得到缩减，进一步利于节约原材料，同时有利于锻后快速冷却，利于提高锻件性能。
附图说明
图1是某TC17大尺寸变截面整体叶盘锻件截面图；
图2是采用现有技术获取的叶盘锻件的等效应变图；
图3是本发明的棒坯截面图；
图4是本发明棒坯预锻图；
图5是本发明预锻件截面图；
图6是本发明锻件毛坯截面图；
图7是本发明锻造得到的叶盘锻件的等效应变图。
附图标记：棒坯1、定位孔1A、预锻坯2、轮毂成型部2A、盘体成型部2B、轮盘过渡面2C、定位盲孔2D、锻件毛坯3、轮毂部3A、凹槽3A1、盘体部3B、凸起部3B1、前端过渡面3C、后端过渡面3D。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明如下：
TC17大尺寸变截面整体叶盘锻件制作方法，步骤一、根据TC17大尺寸变截面整体叶盘零件的外形及尺寸，采用数字模拟设计出最佳理论锻件毛坯和最佳理论荒坯，根据最佳理论锻件毛坯设计预锻模具和终锻模具。
步骤二、制备与最佳理论锻件毛坯适配的终锻模具；制备与最佳理论荒坯适配的预锻模具；
根据TC17大尺寸变截面整体叶盘零件的外形及尺寸和数字模拟得出的锻件毛坯和最佳理论荒坯来设计预锻模具和终锻模具，使得采用预锻模具和终锻模具锻造得到的锻件毛坯与所需要的TC17大尺寸变截面整体叶盘零件的形状更接近，能有效的控制锻件毛坯的截面尺寸，从而能够降低原材料浪费率，提高原材料的利用率，同时也利于锻后快速冷却，利于提高锻件性能。
而设计模具的过程中，根据材料对变形量的要求，结合数值模拟技术，调整理论荒坯与理论锻件毛坯的局部特征，可提高变形量的同时实现了变形量的均匀分配，达到消除变形死区的目的。
步骤三、棒料下料后沿其轴向在其两端中心加工定位孔1A，形成锻前棒坯1。棒坯1结构如图3所示，仅需要在其中心加工定位孔1A，无需进行其它加工，加工简单、容易。
步骤四、棒坯1移至预锻模具进行预锻，制成预锻坯2，模锻设备为800MN模锻压机。此步骤中，棒坯1仅需要加工定位孔1A，无需经过镦饼等其它方式进行处理。
步骤五、预锻坯2转移至终锻模具进行终锻，制成锻件毛坯3，模锻设备为800MN模锻压机。预锻坯2无需进行加工等处理，直接移至终锻模具进行终锻。与传统的加工方式相比，预锻坯2无需进行加工，避免了材料切除的损耗，而且，预锻坯2至锻件毛坯3的过程中，截面变化程度缓解，从而缓解了因截面剧烈变化导致的变形量分布不均匀的问题。
本发明通过数字模拟设计的预锻模具进行预锻得到的预锻坯2，如图4和图5所示，沿其径向包括中部的轮毂成型部2A和外周的盘体成型部2B；所述轮毂成型部2A与盘体成型部2B之间的轮盘过渡面2C呈沿轴向向中部延伸且沿径向向外倾斜的斜面。该预锻坯2已经初步具备TC17大尺寸变截面整体叶盘零件的外形，使得预锻坯2与其终锻后形成的锻件毛坯3之间的截面变化程度得到缓解，使得变形量分布更均匀。
所述预锻坯2轮毂成型部2A的两端设置有定位盲孔2D，由于孔位置处以及截面变化处的变形量分布容易出现不均匀现象，为了提高孔位处的变形量且提高其分布的均匀性，以满足性能要求，优选的，轮毂所在侧的定位盲孔2D呈阶梯状，且其孔壁呈内凹的弧形；另一侧的定位盲孔2D呈阶梯状，且其孔壁呈直线形；轮毂所在侧的定位盲孔2D的阶梯级数小于另一侧的定位盲孔2D的阶梯级数。该结构的预锻坯2终锻形成锻件毛坯3后，孔位处以及截面变化处的最小有效应变大于0.25，而该位置还能作为锻件毛坯3的加工余量被切除。
预锻坯2在终锻模具上锻造得到的锻件毛坯3如图6所示，沿其径向包括中部的轮毂部3A和外周的盘体部3B；沿其轴向轮毂所在的锻件毛坯3的一端为前端，另一端为后端；锻件毛坯3前端，轮毂部3A与盘体部3B的前端过渡面3C呈沿轴向向中部延伸且沿径向向外倾斜的斜面；锻件毛坯3后端，轮毂部3A与盘体部3B的后端过渡面3D呈沿轴向向中部延伸且沿径向向外延伸的阶梯面。该锻件毛坯3的前端过渡面3C为预锻坯2前端的轮盘过渡面2C挤压形成，其等效应变量大，前端过渡面3C处的等效应变量达到0.875。后端过渡面3D呈阶梯面留出加工余量，以保证加工后的锻件各处的性能满足要求。
为了进一步降低锻件毛坯3的截面尺寸，锻后快速冷却，利于提高锻件性能，锻件毛坯3后端，在轮毂部3A设置有沿其轴向向内凹陷的凹槽3A1。
为了进一步提高变形量并提高变形量分布的均匀性，锻件毛坯3后端，在盘体部3B的外侧设置有沿其轴向向外凸出的凸起部3B1，所述凸起部3B1与盘体部3B的前端面之间呈弧形过渡。
该锻件毛坯3的等效应变图如图7所示，由其等效应变图可知：1、锻件毛坯3的最小等效应变量提高至0.5。且等效应变量大于0.875的区域覆盖面积大且集中分布于轮毂部3A和盘体部3B，几乎无变形死区，利用该锻件毛坯3加工得到的锻件的性能富裕度高，能满足高性能航空发动机的使用要求；2、轮毂四环处余量缩小，利于节约原材料。
进一步的，步骤一的具体操作如下：
步骤1、根据TC17大尺寸变截面整体叶盘零件的外形轮廓，根据加工量要求，设计出适应TC17大尺寸变截面整体叶盘零件的理论锻件毛坯；
步骤2、对理论锻件毛坯采取数字模拟推算出理论荒坯；
步骤3、采用数字模拟对理论荒坯进行数字模拟终锻过程，根据模拟结构对理论锻件毛坯进行局部特征优化，得到最佳理论锻件毛坯和最佳理论荒坯；
步骤4、设计出与最佳理论锻件毛坯适配的终锻模具；设计出于最佳理论荒坯适配的预锻模具。
通过对理论锻件毛坯进行局部特征优化，在提高变形量的同时实现了变形量的均匀分配，利于消除变形死区，从而准确获得最佳理论锻件毛坯和最佳理论荒坯。最佳理论锻件毛坯和最佳理论荒坯的准确获取更利于减少后期加工量，节约原材料，还进一步减少实际锻造过程汇总锻件的最大截面尺寸，利于锻后冷却。
进一步的，步骤3包括以下步骤：
步骤3.1、对步骤2得到的理论荒坯进行终锻过程数字模拟，得到仿真锻件；
步骤3.2、根据仿真锻件的变形量及变形量分布情况与TC17大尺寸变截面整体叶盘零件进行比对；
步骤3.3、比对结果为仿真锻件有效变形区与TC17大尺寸变截面整体叶盘零件吻合，则步骤1中的理论锻件为最佳理论锻件，步骤2中的理论荒坯为最佳理论荒坯；
比对结果为仿真锻件有效变形区与整体叶盘零件不吻合，对步骤1中的理论锻件进行修正，然后依次重复步骤2、步骤3.1、步骤3.2和步骤3.3。
分别采用本发明公开的方法和传统的方式获取同一规格的某航空发动机用第一级整体叶盘，结果如下：
整个制作过程，由镦饼制坯改为预锻制坯，锻造火次不增加，由表可知：单个锻件所需要的原材料重量减少至少40Kg，锻件毛坯的最小等效应变量提高了4倍。