（材料加工工程专业论文）等温校正工艺及参数对改善tc11钛合金叶片精确度的作用研究.pdf

摘要 摘要 本文针对t c i1 钛合金叶片热加工翘曲变形导致大量报废的问题，为了减 少锻造变形的残余应力和冷却时的温度应力叠加造成的叶身型面翘曲，采用 等温校正的方法释放残余应力，使翘曲变形减轻，叶片尺寸达到合格，保证 叶片的金相组织和力学性能得到改善。 校正试验结果表明，t c ll 钛合金叶片采取先校正后固溶+ 时效热处理的工 艺方案得到的叶片型面公差、力学性能和金相组织优于先固溶热处理后校正 的叶片：在等温热校形过程中，随着校正温度的提高，叶片校正效果越来越 明显，当校正温度提高到9 0 0 时，等温校正型面透光度最小；先校正后热处 理的叶片其最佳组合工艺方案为a 2 8 2 c 1 d 2 。即为8 6 0 。c 时，校正压力为3 m p a ， 保压时问3 m i n ，应变速率1 0 。2 ( s 。) 这时得到的校正件组织和性能最优；经等 温校正工艺处理后的叶片，金属流线沿制件外廓分布顺畅，高低倍组织均匀。 关键词t c l1 钛合金；等温校正；叶片型面透光度；组织；性能 a b s t r a c t a b s t a r c t i nt h i sp a p e r , t h ei s o t h e r m a la d j u s t m e n tm e t h o di sa d o p t e df o rr e d u c i n gt h er e s i d u a l s t r e s so fa s f o r g e da n dt h et e m p e r a t u r es t r e s sd u r i n gh e a tt r e a t m e n t i no r d e rt or e d u c e o rr e l i e fd i s t o r t i o no fb l a d e p r o f i l e a n dt oo b t a i nu n i f o r ms t r u c t u r e sa n dh i g h m e c h a n i c a lp r o p e r t i e st h ep r o c e s s i n gp a r a m a t e r sa r es e l e c t e da n dc o n t r o l e d t h ea d j u s t m e n te x p e r i m e n t a lr e s u l ti n d i c a t e st h a tt c l1 a l l o yb l a d ew h i c ha d o p t s f o r e a d j u s t m e n ta n dp o s t - - s o l u t i o np l u sa g i n gh e a tt r e a t m e n th a v eb e t t e rt r a n s m i s s i v i t y o fb l a d ep r o f i l e ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t ya n dm a c r o s t r u c t u r ea n dm i c r o s t r u t u r et h a n t h a tb l a d ew h i c ha d o p t sf o r e s o l u t i o nh e a tp r o c e s s i n ga n dp o s t - a d j u s t m e n tt e c h n i c a l s c h e m e ；i nt h ei s o t h e r m a la 蝎u s t m e n t ，t h ei m p r o v e m e n to fb l a d ep r o f i l eb e c o m em o r e a n dm o r eo b v i o u ia st h e a a j u s t m e n tt e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g ，m i n i n u m t h e t r a n s m i s s i v i t yo fb l a d ep r o f i l e si sr e a c h e dw h e nt h ea d j u s t m e n tt e m p e r a t u r eu pt o 9 0 0 。c t h eb e s tt e c h n i c a ls c h e m eo fb l a d ea d j u s t m e n ti sa 2 8 2 c i d 2a c c o r d i n gt o r a n g e a n dv a r i a n c ea n a l y s i s ，t h a ti st os a y , u n d e rt h ec o n d i t i o n o f8 6 0 。c ，3 m p a a d j u s t m e n tp r e s s u r e ，3 m i np r e s s u r em a i n t a i n i n gt i m ea n d1 0 。2 ( s 一1 ) s t r a i nr a t e ，t h e d i s t r i b u t i o no fm e t a l l i cf l o wl i n ea r o u n dt h ew o r kp i e c eo u t l i n ei su n i f o r m ，t h e m i c r o s t r u c t u r ea n dm a c r o s t r u c t u r ea r eu n i f o r ma sw e l la f t e rt h ei s o t h e r m a l a d j u s t m e n t k e y w o r d s t c l la l l o y ；i s o t h e r m a la d j u s t m e n t ：t r a n s m i s s i v i t yo fb l a d ep r o f i l e ： m a c r o s t r u c t u r ea n dm i c r o s t r u c t u r e ：p r o p e r t y l i 筇i 章资 ： 综述 1 1 叶片概述n 2 第1 章资料综述 叶片是航空发动机、船用和陆用燃气轮机和蒸汽轮机的重要工作零件之 。j e 特点表现为形状和载荷情况十分复杂，而且用量大，以航空发动机为例， f t 总数io i 发动机零件总数的l 5 l 2 ，每台发动机的叶片数为5 0 01 0 0 0 件， 仃_ ji ，n 厶3 0 0 0 仆以j ：。一般米说，叶片的加 ：工作昔r 寺整台发动机加工j ：作量 的3 0 4 0 。1 1 1 是在低温或高温( 对涡轮叶片，可达1 0 0 0 以上) 、高转 速、高频振动的复杂应力状态下睦时问工作，所以对叶片的可靠性和寿命要求 较高。f i 手：l l l l 上叶片形状特殊从外观上看是简单片状结构，实际是由多向空间 曲面组成的螺旋体，因此加工制造极为困难。 在航空发动机中，叶片的作用主要分以下两种：一是压气机叶片的增压作 用，即压气机叶片将流入发动机的空气进行压缩，使气流的压力和温度升高， 以满足燃烧室对气流压力、流量和温度的需要；二：是涡轮叶片的膨胀减k 作用， 即将燃烧过的高温燃气减压、降温，使燃气的部分能量转换成涡轮功，再通过 发动机轴带动儿i 气机，其余部分能量以产生发动机推力。 它炎零件十l l 比，叶片有其f 1 身的形状特点和性能要求，”r 片的制造技 术业址t i 刖1 ：i c 它类零件。叶片的主要制造工艺过程分为毛坯制造和机械加工 两火阶段。毛坯的制造分为铸造、锻造( 包括辊轧毛坯) ，机械加工过程中有的 还要进行管l 【接、涂层、电加：l ：和热表处理等。 铸造t 艺多| j 于涡轮l ：作叶片和导向器叶片，特别足空心叶片。早朗的酱 通铸造叶j 其叶身都留有加工余量，最终需进行机械加工。随着铸造工艺的发 展，叶片铸造已由普通铸造发展为精密铸造，叶身形状及其非配合尺寸可以得 到一次完成。但铸造叶片的强度一般不高。但是近几年发展起来的定向结晶和 单晶技术使铸造叶片的强度大大提高，工艺可行性好，是目前铸造的先进方法。 采用锻造工艺加r 1 t 片最大的优势就是叶片强度高，但锻造模具的加工难 度大，赞用高。叶片锻造工艺也是以半精锻逐步发展到精锻。半精锻叶片的叶 身研有机械加丁余量( 主要是用于粗抛光和精抛光) 。半精锻叶片比起铸造叫。片 和机械加j r i f l j h 姒度挺商了很多。但山于最后的抛光工序导致叶片i t i 身表面 的部分锻造流线被抛断，使得叶片姒度有所降低。目前高性能航空发动 j l 对u i 。 序r ：能和似度提了业商 j 要求，无余量精密锻造叶片成为今后压气机叶片制 河北【；q k 人学硕十学位沦文 造的发腱趋势。精密锻模的加工虽有难度，对锻模材料性能要求也极为，格， ”i i tr 疔锻1 1 j 姒嫂“，l - s “：效二簪高，。i v 省踬材料，i l 又钉去抛光和机加1 此，j ；| j 外都花积极发展精锻工艺。 经过锻造历蝴f 的些部位还需进行机械加： ，主要包括叶片粹头、叶 身型l 和安装扳的d i l 工。i i l 4 片摊头晌加工采用拉削、铣削、磨削、车削等加工 方法进行加】：。拉削r 艺能很好地保i , j e n t - 根复杂形状及尺寸篮求。钶的叶根部 砹汁成圆弧柞齿，可采用车力工、圆弧磨削等方法加r 。叶身一般多采用铣加 丁、电解加工等设计方法去除大部分余量，再经过抛光达到图纸要求。另外， 如1 5 h 尼台、叶冠、内、外安装板及轴颈等大多采用机械加工。 i i f 片的制造过程中往往要经过多种冷热加t 的工艺过程，还常需对叶片进 行表面保护、表面强化、涂( 渡) 耐磨涂层、防腐层、涂高温陶瓷等表面处理， 要综合考虑叶片精度、性能、强度、振动频率等技术嘤求，考虑加工于段年能 力榆验方法等诸多冈索，同时还要考虑叶片生产周期、制造成本等经济指标。 鼬符帆，发动f j l l i s 发瓞干i i ” 能的刁i 断提高，叶片的结构和制造技术也在不 断发腱，新，弘复合材t ：l - ( i t l 应用、确、叶片一体化结构、超塑成形扩散连接、柔 f ：加1 等新结构、新l ：艺不断出现，将成为叶片制造工艺的发展方向。 1 1 1 叶片的分类 叶j 【| 种类规格繁多，但大致可归纳为如下几类： ( 1 ) 按材料分类，有钢叶片、铝合会叶片、钛合金i i 。| i 片、高温合金叶片以 及其他材料( 如碳素纤维复合材料) 叶片。 ( 2 ) 按j ：作状态分类，有转予( 工作) 叶片和静子( 整流或导向) 叶片。 ( 3 ) 按l ：f 4 ：范h ；】分类，有风扇叶片、压气机叶片和涡轮i if 片。 ( 1 ) 按j 髟状分类，：仃l 丫l 头i i 、带冠叶片和叶身带阻尼台叶片，有的压气 机卜还i r 0 ：镬枰又的简，- i i | 有的涡轮机卜还有取i 轮艋连在一起的 牾体叶 。 j ：泞见的jj j j ；形状如幽1 一l 所示。 1 ，1 2 叶片的构造 叶片主要山棒头和叶身以及i i 。r 冠等部分组成。桦头是叶片和轮盘的连接部 分，是承力的重要部位，有燕尾形、铰链形、安装板形、梢轴形和枞树形。转 予叶片多采用定位较好、女装方便的燕尾形和枞树形。叶身是叶片的工作部分， 第l 章资料综述 受力最大，一j ：作条件最差，因此叶身部位的流线方向、组织、性能必须满足叶 片工作的需要。叶身有变截面和等截面两种，型面有直纹面、衍生而和其他形 状多种。为了减少叶片的高频振动，对较大较长的叶片需在叶身中部增设| 5 尼 追b 国国 abcdet _ 图1 1常见的航空发动机叶片 f i g 1 1 c o m m o nb l a d eo f a v i a t i o ne n g i n e e i 台。但凸台给锻压和机械加j ：都带来了许多麻烦，还直接影响叶片的纤维方 向，所以设计锻件时必须特别注意。 桥头干叶身纠lj 戍f t , j i i | 片称为单 z - 叶片( 如图1 1 a ，b ，f ) ，有叶冠的叶片 称为- 特冠i i | j 1 ( 如图1 一l c ) ，没有样头和叶冠f r , j i t f - 1 1 称为简巾叶片( 如图1 一 l d c ) 。 叶片e i j 1 1 i 身纵向，靠柞头一端称为叶根，远离叶根一端称为叶尖；叶身横 向，逆气流方向一边称为进气边，顺气流一边称为排气边：叶型凸起一面称为 叶背，叶型凹下一面称为叶笳。榫头和叶冠靠叶身一侧为内缘面，又称为内侧， 具体部位如图1 - 二2 所示。 l 一摊头2 一山缘面3 一1 1 l 根4 一排1 边5 一n l 盆 6 一叶尖7 一叶背8 一叶身9 一进气边 心北| = 、j k 人学顺十似论文 图1 2 叶片构造圈 f i g 1 2 s t r u c t u r a ld r a w i n go f b l a d e 1 2 叶片材料及叶片热加工 1 ，2 1 叶片材料 用于成形叶片的材料有铝合会、钛合会、不锈钢和高温合会几种。现在航 空及动机常刖l ：| j 叶片材料是钛合会和高温合会。基于本课题研究的是t c l l 钛合 会i i h 放 j t l e1 ：婴术讨沦钛合金。 121 1 钛台金概述“”7 铁地2 ( 1 l = 纪发眨起来的种最要的金属材利，钛合金凶其仃熔点商 ( 1 6 6 h 5 ) 、晰度小( 4 5 0 5 9 c m ) 、比强度高、中温性能好，f 司时具有俐 蚀性好、i 刷热性高等显著优点。在室温下，钛合余的比拉伸强度为高强度结构 铡的1 2 6 倍，为高强度铝台金的1 3 8 倍。在4 0 0 。c 5 ( ) 0 温度范围内，钛合 会的比持久强度和比疲劳强度都明显优于耐热不锈钢。因此，钛合金被广泛应 用于航空、航天、导弹、舰船、化工和医疗器材等工业中，其中航窄工业是钛 合金的主要使用部门。 航空机体用的结构钛合金是从2 0 世纪5 0 6 0 年代丌始发展的，辛要用 ： 制造爪7 i 机舷、叶片等承受大应力的旋转件上。随着航空航天事业的迅速发展 刈b 行水结构材利的需求更为突出地集中于轻质、高强高韧、高模量和商损伤 + f 邓m 办j 柚。eij ：擀结构材料比瞩减少、j u 以提商e 机摊匝比，增加e 行距离硐j 0 出少燃荆衍川，咖采川比强j = ! ：如、综合性能好的( u + b ) 型两相钛合仓，是 匕机结构什减轻艰艟的一个艰要方法，用钛合会代臀结构钢，可使发动机质精 减轻1 0 0 5 0 0 k g ：同时还可以鼹著降低山于离心力作用产乍的拉应力。 铁往! 态下有同索异品转变：a t i ! 二二：0 一t i 。在8 8 2 j 以下钛具有 密排 方6 格，称为n 一r i ，它的强度高、而塑性低，变形加工较为困难；在 8 8 2 j 以上，铁具有体心立方品格，称为b t i ，它的迥性较高，易于变形加 工。钛合金的矧素异晶转变温度随其所含合会元素及杂质的种类和含量而变化。 根掘合盒元素和杂质对b 转变温度的影响，可将合金元素和杂质分为三类。凡 提高0 转变温度的元素，称为。稳定元素，如锅、镓、氧、氮、碳等；凡降 低b 转变泓发j _ l 元素，称为b 稳定元素，如锱、馄、钒等：儿介_ 丁两者之间 f | 1 几鬃，! j ! l j 称为，i 厄索如销、锡、镁等。 铁及j l 合企撇埸从陵沈液、腐蚀液和热加t ( 热变形和热处理) 的t 哲m 7c 第l 章资料综述 氛巾吸收氢而受到氢污染。钛及其合会在含氢气氛中加热到3 0 0 。c ，即月：始大 删灶氰，m5 0 0o c i l , j i 收氯述率急刷增加。受氧污染的钛及其钛台金会发乍“氢 儿埴”。氧禽i j ；j 丑，：、会0j 起钛及其合会零f ，| ：的提日破坏。因此在钛合金应j = = 】巾应舰 定t l 1 1 1 人允y f ：瓴含j j 。通常规定，钛台会成品零件的氢含量应小于0 叭。 铁合企按退火态f c j , t t l 组成，可划分为三种类型：a 型、n4 - b 型、b 型。 o 掇钛合金多属rt i _ a 1 系。添加合金元素铝，能显著提高合会的室温和商温 性能，f d l j h 入过多会引起脆性，o 型钛合会属于单相合会，不能热处i 里强化； b 型钛合金加热到b 相区淬火，b 相可以保留到室温。淬火所得到的b 相在 随后加热过程中将分解为a + b 两相组织。这类合余的缺点是合会化复杂、熔 炼困难、性能不够稳定、耐热性也较差；n - i - 0 型钛合金是兼有。型和b 型 钛合金的优点，具有较高的耐热性，热加工比较容易，并能热处理强化，因此， 用途广泛。o4 - 0 型钛合金的基体是a 与1 3 相的固溶体，斟此这类合金部含 有“树稳定元素铝，为了迸一步强化合会，还常加入b 相稳定元素钼、钒等。 所以，c - + 1 3j 社饮合金综合性能较好。故1 1 。l _ 片常用a + b 型钛合会t o t 、1 c 6 、 jc 1 1 锋。 1 21 2 钛合金组织结构简介”。 钛合金的显微组织形态二卜要决定于热加rr 艺过程，在热处耻过程i ii 变化 小人。划二：j _ _ 过热组织，必须通过进一步的热变形才能改善。在n - t - b 型钛合金 中，腆型的显微组织形念有4 种： ( 1 ) 魏氏组织 如图卜3 ( a ) 所示，其特点是原始1 3 晶粒清晰完整，晶界n 相非常明显晶 内a 相呈粗大片状有规则排列。当合盒的加热或变形都在t 3 相区进行时才形成 这种显微组织”1 。这类组织的断裂韧性、持久、蠕变强度最好，但塑性、疲劳 强度、抗缺f l 敏感性、热稳定性、抗热盐应力腐蚀性很差。其性能随a 片束域 的人小硐i ，讯界a 的厚度而异，a 片的束域变小，品界。变薄，综合性能好转。 般, tl 个，j 、j , 这类纰织为过热组织，存生产l 应尽力避免。一旦出现这类过热组织， 股认为雕以川热处蔓l ! 的方法纠正，即所谓铁合金的遗传性只有通过在a + b 两十【) t 足够人的变形，力+ 可纠m 。然而，已有研究工作表叫：通过热处理的 办法将魏氏组织改变为网僬组织或等轴组织还是有可能的。 ( 2 ) 网篮组织 如图卜3 ( b ) 所示，其特点是原始0 晶粒边界不同程度的被破碎，晶界a 桐已经不明显，品内a 相变短变粗，在原始0 晶粒轮廓内出现高度扭曲和类似 网篮的片状组织。当合金在b 相区加热或丌始变形，在a + b 相区的变形量不够 火时形成这种硅微组织。细小的网篮组织不仅有较好的塑性、冲击韧性、断裂 v q 1 l ：i ：业人1 学坝十学何论文 韧性：和l 岛周疲劳强度，还具有较好的热强性。对这类组织的低周疲劳强度有两 利，观点，一种观点认为它降低低周疲劳强度，另一种观点认为它与等轴。组织 的低周疲劳强度没有本质上的差别。同等轴组织相比，网篮组织在热强性方面 有无卅争议的优越性，对于长期在高温和拉应力下工作的零件，最好采用网醮 组织。 ( ： ) 混合组织 如f 割卜： ( ( 、) 所示其特点足在转变b 组织的基体上分布着一定数量的等 轴幸j j7 l - “十，f l 【总龠：i ；：1 i 超过5 0 ，转变日实际上是次生片状a 相和保留b 十 的泓介体，”1 介企仡n + 6 区较高温度加热和变形时形成这种组织。 ( 1 ) 等轴组织 如劁1 3 ( d ) 所示，其特点是在均匀分布的含量超过5 0 的初生n 基体上， 分币j 薪定数量的转变b 组织，合会在低下相变点3 0 5 0 。cf 加热和变形形成 这种微观组织。同其他组织相比，这类组织的耀性、疲劳强度、抗缺口敏感性 和热稳定性最好，但断裂韧性、持久、蠕变强度差一些。出于这类组织有较好 的综合性能，目前采用最广泛。这类组织随等轴n 和1 3 转的比例、形貌、尺寸 而异”5 。等轴。桐对裂纹扩散有阻碍作竹j ，合金的塑性、疲劳强度与等轴n 相 的数量尺寸有很大关系。然而，等轴。相本身的性能对热处理是不敏感的，在 4 i 川的热处圳条件下，其显微硬度是基本不变的。热处理主要足改变等轴。的 数 l ；= 及日转的形貌。通过改变b 转n 勺形貌，可征：降低合会塑l , l - f l 、 。f 占况r ，挺 i ：刚虽艘。 6 ( d ) 等轴组织 笫j 章资料综述 图1 3 两相钛合金的典型组织 f i g 1 3t y p i c a lo r g a n i z e so ft w o - p h a s et i t a n i u ma l l o y 1 2 1 3 n + b 两相钛合金组织对性能的影响 ( 1 ) 组织对常规性能的影响 在拉伸试验测定的常规性能中，不同组织对强度的影响不大， 感的性能是塑性，特别是断面收缩率。 片状组织与球状组织相比，断面收缩率的下降可达7 0 8 0 ， 为4 0 5 0 ，而抗拉强度和屈服极限的变化不超过l o 2 0 。 ( 2 ) 组织对热强性的影响 对组织最敏 延伸率下降 钛合金的热强性是指高温下的拉伸强度、持久强度、蠕变强度。 ”状组纵的热强巾l 要比球状组织的高。在四种舆型组织中，网篇组织的热 姒i 1 - 最好，u l j i 删i i 耗组织具有最好的高温拉仲强度、持久强度、蠕变强度；魏氏 纰织次之；等轴组织的热强性最低；混合组织的热强性介于中叫。 ( 3 ) 组织对疲劳性能的影响 光滑试样在刈称循环高频应力作用下，球状组织比片状组织有更高的疲劳 强度。同刚，组织愈细疲劳性能愈好。在四种典型组织中，等轴组织疲劳性能 最好：混合组织次之：再次网篮组织；魏氏组织疲劳性能最差。 ( 4 ) 组织埘断裂特性的影响 断裂特性包括断裂韧性、断裂强度、裂纹扩散速率。 在b 相区热处理得到的片状组织，比在o + b 相区得到的球状组织有更高的断 裂韧性、断裂强度、裂纹扩散速率水平。这是因为原始1 3 晶界和。束域的影i i 向 以及裂纹分义i 眵成次生裂纹，使得裂纹在片状组织巾运动方向的改变比在球 ：佚毋【织l 一坐为n 折，l l i 于裂纹总长度的增加，需要更多的能量，对更多的金属 体积唰r i ：做助。征混合组织中增加片状n 相的百分数，会增加断裂韧性。在四 利t 贝，蝉卦【织i ，魏氏组织断裂韧性高、裂纹扩散速率小；在等轴组织中，随着 初! ln 牛l i 数量减少，断裂韧性增高：网篮组织介于中问；混合组织比等轴组织 好。 综上所述，等轴组织有最好的拉伸和疲劳性能，原因是细小弥散的u 。相、 b 相造成较高的裂纹产生和裂纹传播抗力。原始裂纹一般是在a 、b 相界上成 核的，尤其容易在较粗大的a 、b 相界上或在n 相内的滑移带上成核，并沿着 a 、0 界而前进，也可以穿过。相前进。在等轴组织结构中，由于等轴u 柏数 量较多裂纹需要在更多次的循环下j 1 能扩展，同时由于细品的塑性好，容易 发牛滞移，f | ：= 【i i l 【界多，位错塞积需要更多的空位4 能形成，所以疲劳裂纹扩展速 ；年减悭，农脱j l ；较人的裂纹扩展抗力。 阳北i ：业人学硕十学位论文 网镌组织的f 立l l f l 塑性不如等轴组织，但网篮组织具有最高的热强性和赢的 断裂阳性。片状结构对空位合并成核有极大的抗力，因此空位合并成核产生裂 纹的途径足l 分 阚难的。但一旦在涓移带上产生裂纹，则裂纹日u 段塑性区的微 裂纹嫒控制? 裂纹扩眨的方向。因此造成裂纹延滞、扩展速率减慢，、野裂纹存 f f 0 进时1 j 生l 雌i k 型多的能；i 。 魏氏 【纵的- l ：t l t l l 叫代和疲劳性能很差，但有最高的断裂切性。这是凶为原 f f f i6 - 粒羊人，l 界a 的仔在以及品内辑1 大片状结构平行排列的缘故。晶界n f | 勺仃托使断裂特性岫ti f ，间断裂改为品内断裂，从而提高合余的断裂韧性。再者 l = 1 于j 状n 具有岛的纵横比，为裂纹扩展提供了更大的c l b 相界面，必然引起 裂纹方向的多次改变，从而吸收更多的能量。 混合组织山于具有片状结构和等轴a 相，所以具有最好的综合性能。 铁合金的力学性能彳i 仅受组织类型( 球状或片状) 及混合组织中各相比例 的影响，还取决于组织中与各相的形状和尺j r 有关的一系列因素。使球状组织 和片状组织的比例最佳化，j 可能获得所需的力学性能。 钛合i ；= 片状组织的最佳参数是：尽可能小的0 晶粒，尺寸3 0 5 0um 的d 爪域，度为2 5 ：；5uf 7 】的。卅。 1 214t c l l 合金简介”“ t ( ：l l ( t i b 5 a l 一| - ： m r l 5 z r 一0 2 5 5 i ) 合会是腻于t i a 卜m o z r s i 系。是一 种腆抛的1 ：i 引”1 t l j i 氏体“+ b 型两相钛合会，它含有6 以上的a 稳定元素铝 和。定数7 门锄和铺外，还食有一定数量的b 稳定元素钼或钒等，其化学成分 如表i l 所示。其中的a 1 、z r 在合余中起着固溶强化作用，通过强化a 相使合 金获得相应的高温持久和蠕变强度，而含有的适当p 稳定元素，特别是钼，可 以提高窀温和高温拉伸强度，增加合金的热稳定性。t c l l 综合力学性能良好， 室温强度较高。在5 0 0 以下有优异的持久和蠕变强度。有良好f l 勺的热加工工艺 姆一盹和超塑性。 表l tt c i i 钛舍金的化学成分” t a b l ei - 1c h e m i c a lc o n s t i t a t i o no f t c i la l l o y 其 lv( 1 s n z l - s ii ：o cnl l( )r 1 岂 j828 ( ) 8o2 ， 余 ， 0 2 50 1 00 0 50 0 lo 1 50 ：j姑 7o： 82 o03 5 7 i c 1 1 钛合金可进行焊接和各种方式的机械加工。通过+ b 区热变形和热 处理所获得得最高长期工作温度为5 0 06 c 。般是在双重退火后使用。主要用l 二 笫l 章资料综述 制造在5 0 0 。c 以下长期工作的压气机盘、叶片、鼓筒等零什，以及飞机结构件。 合金允许的工作时间在4 5 0 下6 0 0 0 小时，在5 0 0 f 为5 0 0 d , 时。 在不同的热处理条件下，t c l l 钛合金显微硬度是基本不变的。热处理主要 是改变等轴a 的数量及8 转的形貌。通过改变b 转的形貌，可在不降低合会塑 性的情况下，提高其强度。 1 21 5 叶片用t c l l 钛合金热处理制度 ir j 川jt c l l 铁合金为了消除锻造过程的应力以及消除多次加热后钛合金 r 0 过 l i ：氧，j 6 j 刘叶片进行除应力退火和双重退火。除应力退火是将制件加热 争m 缔，* 度以| 、l j o 2 5 0 范围内，保温一定时问，然后空冷，其作用是 使制什发生叫复和多边形化过程。在回复阶段，只发生点阼缺陷的减少和一定 的物日怫1 力学性能变化：在多边形化阶段，发生亚品结构的彤成和亚品界的迁 移。使应力得以部分或完全消除，但变形晶粒的尺寸和形状不发生变化。其目 的是部分或完全消除在机加工、冷成形、弯边、校正、焊接和其他工艺过程中 产生的内应力，并获得良好的强度与塑性组合，一般适用于钛合金i l i 片消除应 力的中问热处理。双重退火是由温度高低不同的两次退火组成：第一次，将制 什加热至b 转变温度以下2 0 1 6 0 ，保持一定时间，随后空冷；第二次，将 制件加热至b 转变温度以f3 0 0 4 5 0 ( 高于使用温度) ，保持一定时间，然 后卒冷，j 使制件在高温退火时发生多边形化或再结晶过程，同时发生。相的 溶解，并例她后审冷过程中获得一定量的亚稳定6 相；然后使制件在低温遐火 寸从q f 稳定b 耳i n t 分解析j = n 次生。相，并获得转变b 组织。改变第一次退火的 濉度，可洲憋纠卜o 相和b 相的比例和成分而改变第二次退火的温度，呵改 变次e 1 - c 一水i 的析出量和尺寸最后可获得不同的强化效果和要求的综合力学性 能。其u 的魁通过多边形化和再结晶，消除内应力和变形组织；通过固溶调整 初生a 相和1 3 相的比例和成分；通过次生。相的析出使合会获得一定的强化， 从而提高合金的热稳定性和组织稳定性，并获得良好的综合力学性能。一般适 用作b 稳定元素含量较高的n + b 型钛合金叶片的最终热处理。 t c l l 合金的退火制度如下表i 一2 所示。 表1 2 叶片用t c l l 钛合金的热处理制度 t a b l e1 - 2h e a tt r e a t i n gr e g i m eo f t c l la l l o yf o rb l a d e 牌号热处理制度 依据标准 除j 、v 力巡火：5 0 0 6 0 0 i 6 h ，空冷。 r r c l lh b z 1 3 7 8 8 烈吐巡火：9 5 0 9 8 0 c ，1 2 h ，空冷：5 3 0 ，6 h ，空冷 钛合金热j 其它会属材料相比，其热处理具有如下特点： ( 1 ) 合金的最终组织形念主要取决于热变形工艺，热变形后的热处理对热 p q 北j 业人学硕j j 学位论文 变形所彤成的鲋【彭l 形态八能作定的凋整。 【! ) 住d 转变张 度以j ：_ l | | i 热时，f 仙粒尺q 叫每迅速长人。在随后冷却过乖。， 新牛u 川f i + j , ；i + f ibi 仙粒内发j t , - # l ：保持原始的料犬b 品粒边界。因此，单y lj 热 处p ! 力谢：1 ：能i f i i l 涂+ i t i i i 组织。 ( ： ) j 迎过小的热处理方法束涮整合会组钐j 。 j 不同相的比例，从而使合 企扶褂所婴求的力学性能。 ( 4 ) 热导率比铝合盒和钢低的多，加热与冷却时沿制件截面会产生很大的 温度梯度。凶此大型制件最好规定其允许的加热与冷却速率，以免产生翘曲和 裂纹，或导致组织和性能不均匀。 ( 5 ) 在高温下，制件表面与氧和水蒸汽会发，k 剧烈反应而形成氧化皮和富 氧层，使制件的力学性能变坏。因此热处理时需采取防氧化措施。 ( 6 ) 在含氢介质中加热时有增氢的可能，这常使合会中的氢量超出允许范 从而导敛“氯j j | ；2 ”。洲此，戍避免在含氰介质t l 加热，或在必要时增加真空退 火处胖以除氯。 12 1 6 t c l l 钛合金叶片的力学性能 铁合仓i i 投术标准规定的力学性能见表l 一3 所示。 表i 一3 钛合金叶片技术标准规定的力学性能 t a b l e1 - 3m e c h a n i c a lp r o p e r t yt e c h n i c a ls t a n s a r d 时拉坤妻鞋冲式寮盈捌度i辟a 和辅堂j 热持定竹 规幡热赴奢啦爿嚏璃 一型 扎i 伸赋齄_ l t ”如 牌号拄木悻准晶计 ， ： m 巾址盎疗向 盛崖 p - ，自k j m z k g l n l m z 阻墙 y r 举小一 一 不小1 “小_ f ￥小r 并置2 0一1 02 3 _ _ _ _ 幡材d 9 0卧向 一 6 6 5一 退火 肆茜 棒材姒向 退火 1 c 6 箨赳 i 。 膏什 m m 畿 世 盘俺 眷诹 口一6 s 3 j7a ： 晴* i l 疆童 。l 竺 棒甘 5 0 0 谢* 盘畦双啦 摧向i 。 赶件m is 帅 1 2 1 7t c l l 钛合金叶片的组织结构 i c 1l 钛合会在b 转变温度以上为单相b 相组织。在b 转变温度以下，其平 衡组织为n + 0 + 少量t i ：。a l 和硅化物相。在通常退火状态下，b 相含最为8 ( ) 第l 章资料综述 1 2 。从较高温度( 例如1 0 0 0 。c ) 快速冷却时，得到马氏体c a 相；从较低温度 ( 例女n 9 0 0 ) 快速冷却时，得到”相。在4 5 0 以上加热时，a 或a ”相将 分解成d 和b 相。t c l l 钛合会的b 转变温度为9 8 0 c 1 0 2 0 c ，再结晶温度为 9 0 0 ( 外始) 9 8 0 ( 结束) 。 l2 1 8t c lt 钛合金计片的工艺性麓 t c l l 铁介金叶”的典趔锻造工艺见表1 4 所示 表l 一4 叶片用t c l l 钛合金叶片的典型锻造工艺“4 “ t a b l e1 - 4 t y p i c a lf o r g i n gt e c h n o l o g yo f t c l la l l o yf o rb l a d e 牌号锻造类型加热温度 停锻温度 每火变形晕 压力机模锻b 转变渝度 8 0 0 锻锤模锻 以下2 5 5 0 8 5 0 t c l l 热切边 8 8 0 9 6 0 热校形 9 4 0 9 6 0 1 ，3 等温校正简介m 3 9 1 等濉校m 赴近儿十年发展起来的一种先进的技术，基本原理是将模具加热 到校j f 温度，在此温度下采用低速变形，可使会属产生蠕变变形，避免了高速 变彤带束的局部过热现象。因采用此工艺可使用较小吨位的没备7 卜产出复杂外 形的精锻件，例如，俄国生产的各类等温校f 的钛合会叶片其等温校时的流动 应力为1 5 0 1 7 0 m p a ，比普通锻造时要低5 8 倍。同时还使叶片获得了更为理想 的微观组织和力学性能，消灭了表面粗晶和中心的应变剪切带缺陷，主要力学 性能平均提高了1 0 - 一2 0 ，使贵重的钛合余原材料消耗减少。但随着叶片尺寸 的增加，等温校正在批量生产时会发生一定的技术困难，主要是生产效率低， 模h 加热h , j 电能消耗巨大、叶片校后仍需采取特殊的缓冷工序。 等泓校i 卜l ：艺订如下特征： ( i ) n 粘个校i r 过程c i 一校证模具和待校工件始终处于同。温度； ( 2 ) 校j i i 述度很慢，应变迷率小； ( ：”为防止氧化，模具和工件可置于真空或惰性气体环境钽： 等温校i i i 订如下优点： ( 1 ) 没有模具接触急冷、表面氯化和局部过热现象，工件具有更为均匀一 致的高、低倍组织； ( 2 ) 等温校正工艺可精确控制锻件尺寸，使产品的形状比常规锻造更符合 岑什i 冬| 纸。这f t 1 ：仪1 i 约了原材料，i n jh 大大减少了机械加工和降低了成本： ( ： ) 博濉饺i j j i 丑过控制加：参数，虫校i f 温度、应变速率、j j i 力人小、 保j | 州n l j i 等，使校小件获得均匀的机械性能； 等温校f 是继等温锻造发展起来的一种校f 工艺，具有一些不可多得的优 越性，它的出现使钛合会精确加：【成为町能，丌拓了钛合金的应用前景。 目胁，欧荧，h 本等幽家等温校币硬件条件已经很成熟，如温控器、常应 变率控制器和微型计算机的反馈系统等。等温校币实验研究较多，但理论研究 还不完薷，如怎样用更合理的塑性流动理论来更加准确地预报钛合金在等温校 正过程中高温变形行为等，理论预报越准确，一方面生产成本越低，另一方面 ：f j l | i 精度越高，这还有待于更进一步研究。 1 4 正交试验 试验波计是研究如何以尽量少的试验次数而得到尽可能多的试验结果的一 j 科学，矿交试验改 f 就是j 平4 ，科学安排试验的方法。它是从全面实验的样本 点r f t 挑选 | j 部分有代表性的样本点做实验，这些代表点具有f 交性。其作用是 只用较少的实验次数就可以找出因素水平问的最优搭配或出实验结果通过推断 得出最优搭配。 1 4 1 正交表 为了l l i 确f 止川i r 交炭安排吱验，n 先柬了解下矿交表。 1 正交表的构造 农l 一5 就址_ _ ；i 乏化交表，记做l 、( 3 1 ) 。这张矿交表的主体部分有9 行4 列 表1 - 5l 。( 3 1 ) 正交表 t a b l e1 - 5 l 9 ( 3 4 ) o r t h o g o n a ll a y o u t 列号 实验u l234 llll1 2l222 3133：j 12l23 2231 h2：l2 第l 章资料综述 f3l32 h32l3 933 l 一 山1 ，2 ，3 这3 个数字构成。用这张表安排实验最多可以安排4 个因素，每个 幽索取3 个水、弘，需傲9 次实验。 m 交表的一般汜法为l 。( m 。) ，其中p 是表的列数( 最多可安排因子的个数) ， n 是表的行数( 需做实验的次数) ，l 为f 交表符号，m 为水平数，表中的数字 都是由1 m 这m 个整数构成的。用正交表安排实验就是把实验的因素安排到j f 交表的列，允许出空白列，把各因素的水平安排到正交表的行。 2 正交性 i l i 交表的列之例具有讵交性，证交性可以保证每两个因素的水平在统计学上 越h i 川关的。i r 交性具体表现在两个方面，分别是： ( 1 ) 均匀分敞性。在矿交表的每一列中，不同数字出现的次数相等。例如： i 。( ： ) l f i 交表t h 数字l ，2 ，3 在每列中各出现3 次。 ( 2 ) 整齐r 比性。对于i f 交表的任意两列，将同一行的两个数字看作自 序数列，每种数对出现的次数相等，例如：k ) 正交表中，有序数对共有9 个， ( 1 ，1 ) ，( 1 ，2 ) ，( 1 ，： ) ，( 2 ，1 ) ，( 2 ，2 ) ，( 2 ，3 ) ，( 3 ，1 ) ，( 3 ，2 ) ，( 3 ，3 ) ， 它们各出现1 次。 凡满足以上两个性质的搭配方案称为“f 交表”。正交表有以下两个特点： ( 1 ) f 交表中任意两行或两列可以自由交换。 ( 2 ) 讵交表的每一列中不同数字之i b j 可以任意交换。 1 4 2 正交设计的初步分析极差分析 砹定的1 1 ：交 嵌，就可以安排方案做实验，每次结果填在每行的最右 列。 如犬l 一6 所“。 表 i 的k ，是指第j 列取l 水平下的指标和。例如 k l l ：8 5 7 0 + 9 5 1 0 + 9 0 9 0 = 2 7 1 7 0 ( 第一列取l 水平指标和) ，即将第一列中取1 水平所 对应的第l ，2 3 号试验所得指标值相加。同理，k 2 2 = 9 5 1 0 + 9 7 3 0 + 1 0 3 0 0 = 2 9 5 4 0 ( 第二列取2 水平指标和) 是第二列中取2 水平所对应的第2 ，5 ，8 号试验 所得指标值之和。其余可照此计算得出。 表中得r 是指第j 列中的ku ，k ，k 。之间最大值与最小值之差的三分之一， 称为极差。例如在第一列中k ，= 2 7 17 0 ，k ：，= 2 7 5 0 0 ，k l j = 2 7 6 0 0 ，则极差l 净 ( 2 7 6 0 0 2 7 l7 0 ) 3 = 4 3 0 3 。 北i 。业人。学硕卜学位论文 表1 6极差分析结果 t a b l e1 - 6t h er e s u l to fr a n g ea n a l y s i s 表头设计a bcd 实验结果 汰 l234 y j l l l 1 18 5 7 0 12 29 5 1 0 i 3 3 39 0 9 0 4】 238 7 8 0 ，2l9 7 3 0 623l 28 9 9 0 7 31328 0 3 0 832231 0 3 0 0 933119 2 7 0 k 2 7 1 7 02 5 3 8 02 7 8 6 02 7 5 7 0 k ：。2 7 5 0 02 9 5 4 02 7 5 3 02 6 5 3 0 t 2 y j = 8 2 2 7 0 k 2 7 6 0 02 7 3 5 02 6 8 5 02 8 1 7 0 r 4 3 0 34 1 6 0 3i o f 0 31 6 4 0 3 h 分析k k 。k 。，们含义。以a 冈二r 为例，对1 ：它的k ，n ，k 。州+ 甜 剑撕j 表1 7 所对隧的并种关系。 k 1 i 址筇i ，2 ，31 3 试验的指标之年，侄这j 玖试验中，b 、c d 的个水 、卜个翻现了次。同理，k 。k 。也是如此。因此，可以认为b ，c ，1 3 三个凶 f 埘k l 。，k ：，k 。的影响大体上足相同的。k ，k 。k ! 之问的差别l 叮以看作是山 于a 取了三个不同的水平所造成的。于是，k ，k ，k 。的数值大体上可以反映a 的l ，2 3 三个水平对试验结果的影响情况。同理，可分析b 、c 、d 的情况。 表1 7 因子配置示例表 t a b l e1 - 7f a c t o rc o l l o e a t i o nc h a r t 1 【人1j ，j 。 彳 ，j ； ；哪4 艰要r 比较 笫l 章资料综述 从以j ：讨沦可以看到，极差的大小代表了该因子变化对指标值的影响程度。 l 州此，i - j 从极筹的大小顺序得出各因子对指标值影响大小的相应顺序。 在上例中，心个因子的极差大小顺序为 主一一一次 b 、d 、c