貴州黎陽航空動(dòng)力有限公司 樊國福 呂日紅 雷黎平 敖 斌 楊參軍

貴州安大航空鍛造有限責(zé)任公司 魏志堅(jiān) 葉俊青

駐黎陽公司軍代表室 崔建軍 黎 剛

TC25熱強(qiáng)鈦合金是一種綜合性能優(yōu)良的馬氏體兩相（α+β型）熱強(qiáng)鈦合金，其名義成分為Ti-6.5Al-2Sn-2Zr-2Mo-1W-0.2Si，合金的化學(xué)成分見表1，它兼有TC11合金的高熱強(qiáng)性和TC8合金的熱穩(wěn)定性，在500℃以下工作時(shí)間可達(dá)6000 h，在550℃高達(dá)3000 h，被推薦用于制造500～550℃下長時(shí)工作的航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤等零件，已在國外航空發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得成熟應(yīng)用。

表1 TC25鈦合金的化學(xué)成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

圖1 TC25鈦合金盤環(huán)鍛件顯微組織圖片F(xiàn)ig.1 Microstructure of TC25 ti-alloy forgings of disk and rings

TC25鈦合金盤環(huán)鍛件采用β鍛造熱加工方式得到網(wǎng)籃組織形態(tài)，其盤、環(huán)零件典型組織圖片見圖1，目的是為了獲得斷裂韌性、蠕變抗力及裂紋擴(kuò)展抗力高的綜合性能,滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)長壽命、高性能和可靠性要求。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)中TC25熱強(qiáng)鈦合金制零件主要用在高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子及高壓壓氣機(jī)靜子部件上。其中，高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子由鼓筒、帶軸頸的盤、封嚴(yán)篦齒盤和鼓筒軸等零件組成，鼓筒由多個(gè)零件電子束焊焊為一體，焊縫為鎖底結(jié)構(gòu)。高壓壓氣機(jī)靜子由機(jī)匣、整流器和導(dǎo)流窗等零件組成，機(jī)匣零件外部殼體上焊接TA15薄板，焊縫為鎖底和內(nèi)腔結(jié)構(gòu)。

在零件制造過程中，由于鈦合金材料本身切削性能差的特點(diǎn)，加上TC25鈦合金材料合金化程度高、組織為網(wǎng)籃組織，組件結(jié)構(gòu)為內(nèi)腔、鎖底等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，給制造帶來了極高的難度。通過開展熱成形工藝、機(jī)械加工工藝、特種工藝和特種檢測等技術(shù)研究，突破了TC25熱強(qiáng)鈦合金大高徑比盤件和高筒環(huán)件的β網(wǎng)籃組織均勻性控制；網(wǎng)籃組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的零件表面完整性控制；鎖底和密閉腔結(jié)構(gòu)的電子束焊、自動(dòng)氬弧焊工藝及焊縫無損檢測；超聲檢驗(yàn)可探性差等關(guān)鍵技術(shù)，研制出了TC25熱強(qiáng)鈦合金β鍛造盤環(huán)構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)了我國550℃高溫?zé)釓?qiáng)鈦合金TC25新材料的工程應(yīng)用，達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

1 盤環(huán)鍛件制造關(guān)鍵技術(shù)分析

1.1 β鍛熱成形技術(shù)

熱工藝決定組織，組織影響性能。由于TC25鈦合金鍛造窗口窄、熱成形性能差，加上航空發(fā)動(dòng)機(jī)盤環(huán)鍛件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、鍛件毛坯高度差大的特點(diǎn)，鍛件組織均勻性不易保證，影響先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)長壽命、高性能和高可靠性的要求。

1.2 機(jī)械加工技術(shù)

TC25熱強(qiáng)鈦合金是以高熔點(diǎn)和高比重鎢、鉬作為合金化元素的高合金化鈦合金。β鍛獲得的網(wǎng)籃組織形態(tài)具有完整的β晶粒邊界，在原始的β晶粒內(nèi)存在許多集團(tuán)（集束），各集團(tuán)間的α片彼此取向不同。因受高合金化元素和組織形態(tài)的雙重影響，其切削性能較差，零件在機(jī)械加工過程中，抗力大、變形嚴(yán)重，更重要的是β鍛零件加工過程中容易產(chǎn)生表面紋理現(xiàn)象，精度難于保證，給加工工藝帶來了挑戰(zhàn)。

1.3 特種工藝技術(shù)

1.3.1 電子束焊接技術(shù)

高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的鼓筒組件為電子束焊接結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)示意圖見圖2），由于焊縫為帶鎖底結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在電子束焊接過程中易存在焊縫鎖底處未焊透、氣孔超標(biāo)和零件上存在飛濺殘留物等問題，給電子束焊接焊縫質(zhì)量控制帶來極大的難度。

圖2 鼓筒焊接結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Diagram of drum welding structure

1.3.2 TC25+TA15自動(dòng)氬弧焊技術(shù)

高壓壓氣機(jī)靜子機(jī)匣組件為TC25+TA15兩種鈦合金材料采用自動(dòng)氬弧焊焊接，且4條Ⅰ級(jí)焊縫為鎖底和內(nèi)腔結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)示意圖見圖3），由于機(jī)匣結(jié)構(gòu)特殊，焊縫長、尺寸精度要求高、TC25和TA15兩種鈦合金材料焊接等特點(diǎn)，需要解決鈦合金焊接氣孔缺陷、焊縫線性顯示（未焊透）等技術(shù)關(guān)鍵。

圖3 機(jī)匣組件結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 Diagram of casing assembly structure

1.4 無損檢測技術(shù)

1.4.1 超聲波檢測技術(shù)

TC25鈦合金β鍛零件因具有網(wǎng)籃組織形態(tài)，加上零件形狀復(fù)雜、高度差大，存在超聲檢驗(yàn)衰減大、噪聲高、信噪比低，可探性差等問題。

1.4.2 X射線檢測技術(shù)

機(jī)匣上的4條焊縫均為Ⅰ級(jí)焊縫，焊縫為鎖底和內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，焊縫接頭結(jié)構(gòu)示意圖見圖4，通過X射線檢測判定內(nèi)部質(zhì)量。由于鎖底結(jié)構(gòu)影像與零件底層臺(tái)階影像相似，無法區(qū)分，造成X光檢測時(shí)容易形成假象。

2 關(guān)鍵技術(shù)解決方案及實(shí)施效果

2.1 β鍛熱成形技術(shù)

圖4 焊縫接頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Diagram of welding butts struture

圖5 典型環(huán)件實(shí)物照片F(xiàn)ig.5 Photograph of typical ring par

2.1.1 模具設(shè)計(jì)

TC25熱強(qiáng)鈦合金屬于難變形材料，為保證盤鍛件組織均勻性，采用近等溫鍛造工藝。在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造中，系統(tǒng)對(duì)比、分析了各種模具材料的綜合性能，選用 K403作為模具材料。根據(jù)鍛件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定了組合模具分體方案。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)分析不同模具分體方案下各模塊的受力情況，降低近等溫鍛造過程中各個(gè)模塊承受的周向拉應(yīng)力和等效應(yīng)力水平，使工作應(yīng)力平均分配到各個(gè)模塊中，有利于提高模具可靠性和使用壽命。

2.1.2 盤件鍛造

通過數(shù)值模擬對(duì)TC25熱強(qiáng)鈦合金盤預(yù)定工藝條件下β鍛過程的數(shù)值計(jì)算，掌握鍛件各個(gè)部位的熱力參數(shù)分布和演化、速度載荷情況，分析得出所需的工藝參數(shù)（坯料形狀、尺寸、壓力、變形速度等），確定了合理鍛造的加工窗口。研制的盤鍛件組織均勻、質(zhì)量一致，且鍛件的表面質(zhì)量好。

2.1.3 環(huán)件鍛造

通過開展等效應(yīng)變的分布規(guī)律和徑向、軸向軋制力與軋制速度的確定方法等工藝研究，掌握了TC25熱強(qiáng)鈦合金徑-軸雙向聯(lián)合軋制關(guān)鍵技術(shù)，確定了合理的工藝參數(shù)，應(yīng)變?cè)诃h(huán)形件截面整體分布較為均勻，研制的環(huán)鍛件組織均勻、質(zhì)量一致，且鍛件的表面質(zhì)量好，典型環(huán)件實(shí)物照片見圖5。

2.2 機(jī)械加工技術(shù)

2.2.1 金相法檢測機(jī)加近表面顯微組織

從盤件輪轂、輪緣和輻板轉(zhuǎn)接R處切取試樣，觀察機(jī)加表面顯微組織，根據(jù)檢測結(jié)果對(duì)輪緣和輻板的轉(zhuǎn)接R處機(jī)加工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2.2.2 變形控制

TC25鈦合金β鍛盤零件為典型的薄壁、工字型結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)示意圖見圖6），加工過程中易產(chǎn)生變形，該零件的變形主要表現(xiàn)在加工后幅板的偏移，直接反應(yīng)在影響零件裝配的配合止口處形位公差的變化。

圖6 典型盤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Diagram of typical disk structure

變形控制通過以下途徑解決：

（1）半精加工后增加消除應(yīng)力處理；

（2）優(yōu)化工藝施工邊的結(jié)構(gòu)，減少機(jī)加應(yīng)力；

（3）刀具材料：由于TC25鈦合金材料特性，導(dǎo)致加工中切削力較大、切削溫度高，刀具易磨損、壽命縮短，所以在選擇刀具材料時(shí)應(yīng)選用硬度高、耐磨性好的刀具材料。通過試驗(yàn)研究，選用CBN刀片或帶有涂層的硬質(zhì)合金刀具；

圖7 環(huán)形榫槽刀具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Diagram of circular slots cutting tools

（4）工藝參數(shù)：預(yù)留加工余量，加工中兩邊均勻去除余量；固化切削參數(shù)，避免由于轉(zhuǎn)速過高、進(jìn)給過大、刀尖過大等造成加工時(shí)對(duì)零件表面的擠壓產(chǎn)生應(yīng)力；

（5）對(duì)關(guān)鍵尺寸設(shè)置修整加工工序,避免殘余應(yīng)力產(chǎn)生的變形。

2.2.3 環(huán)形榫槽加工及檢測技術(shù)

環(huán)形榫槽加工難點(diǎn)突出表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是加工，主要是刀具的設(shè)計(jì)和編程；二是測量，這種小結(jié)構(gòu)凹槽采用三坐標(biāo)檢測無法實(shí)現(xiàn)。通過以下技術(shù)解決：

（1）榫槽加工。

a.刀具設(shè)計(jì)：由于環(huán)形榫槽較小且外小里大，不可能采用成型刀具，只能設(shè)計(jì)專用刀具。通過研究，確定選用圖7結(jié)構(gòu)形狀的刀具加工環(huán)形榫槽。

b.刀具材料：由于榫槽加工周向尺寸較大，而榫槽結(jié)構(gòu)較小，直接影響刀具剛性。所以選擇帶涂層的硬質(zhì)合金刀片，可避免加工中刀具的磨損和換刀造成的誤差；

c.編程：由于榫槽結(jié)構(gòu)小，只能采用仿形加工，同時(shí)考慮到加工中刀片的磨損，要求精加工榫槽型面時(shí)必須更換刀片。

（2）榫槽測量。由于葉片裝于盤上時(shí)只考核擺動(dòng)量，而擺動(dòng)量主要由榫槽的N尺寸和榫槽角度來控制，所以采用在N尺寸點(diǎn)上用鋼球測量求得真實(shí)值，用模擬葉片最大實(shí)體的塞規(guī)來判斷角度和其它綜合因素影響的方法，實(shí)現(xiàn)特殊結(jié)構(gòu)環(huán)形榫槽的測量，榫槽測量示意圖見圖8。

圖8 榫槽測量示意圖Fig.8 Diagram of slot measurement

2.3 特種工藝技術(shù)研究

2.3.1 電子束焊接

通過調(diào)整電子束焊加速電壓、束流、聚焦電流、焊接速度、聚焦位置和束流裕量等參數(shù)，改變焊接線能量和焊縫與熱影響區(qū)的冷卻速度，保證了焊縫質(zhì)量。通過焊前退火和焊后多重?zé)嵫h(huán)處理，調(diào)整焊接接頭的組織組成，改善焊接接頭的塑性、韌性，并降低焊縫的裂紋敏感性，提高焊縫的抗疲勞性能。

2.3.2 TC25+TA15自動(dòng)氬弧焊技術(shù)研究

通過焊接部位前處理、接頭形式、裝配間隙、焊接保護(hù)方式等研究，解決了焊接氣孔和焊透率等問題。

2.4 無損檢測技術(shù)研究

2.4.1 超聲波檢測

利用分區(qū)檢測方法：水浸超聲波檢測時(shí)采用分區(qū)聚焦檢測，使聲能聚焦于零件不同深度的區(qū)域，同時(shí)監(jiān)控底波的變化，從而保證整個(gè)厚度范圍內(nèi)的聚焦檢測；接觸法檢測時(shí)采用直探頭和雙晶探頭從零件正反兩面對(duì)零件不同深度范圍進(jìn)行分區(qū)檢測。

通過對(duì)超聲波探頭頻率、頻帶脈沖、聚焦方式以及各檢測面用波束等研究，確定了水浸超聲波探傷選擇較高頻率、分區(qū)聚焦探頭；接觸法探傷選擇較低頻率、平探頭和一收一發(fā)雙晶探頭；所有檢測面均使用縱波（LW）、寬頻帶窄脈沖探頭，解決了零件的超聲波檢測。

2.4.2 X射線檢測

通過實(shí)物透照，再解剖進(jìn)行金相對(duì)比焊縫根部、底層未熔化等研究，制定了焊縫X光檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)底片，解決了機(jī)匣的X光檢測問題。

3 結(jié)束語

通過對(duì)TC25熱強(qiáng)鈦合金β鍛造盤環(huán)鍛件制造關(guān)鍵技術(shù)的研究，突破了熱強(qiáng)鈦合金大高徑比盤件、高筒環(huán)件的β鍛造及組織均勻性控制；解決了網(wǎng)籃組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)零件表面完整性控制，超聲檢驗(yàn)衰減大、噪聲高、信噪比低、可探性差，電子束焊、自動(dòng)氬弧焊工藝及焊縫無損檢測等技術(shù)難題，制造出了合格的零件，實(shí)現(xiàn)了我國550℃高溫?zé)釓?qiáng)鈦合金TC25新材料的工程應(yīng)用。

TC25熱強(qiáng)鈦合金β鍛造盤環(huán)鍛件制造關(guān)鍵技術(shù)研究將引領(lǐng)鈦合金先進(jìn)制造技術(shù)，滿足先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件制造需要，為其他鈦合金β鍛造及其零件加工檢測奠定良好技術(shù)基礎(chǔ)。