超細晶粒鈦合金護套及其復(fù)合擠壓成形模具及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種金屬處理領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種用于碳纖維葉片的超細晶粒鈦合金護套及其復(fù)合擠壓成形模具及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代航空發(fā)動機風(fēng)扇和壓縮機葉片使用碳纖維制造。由于在保證結(jié)構(gòu)強度和可靠性條件下大幅度地減輕了質(zhì)量，與鈦合金葉片比較有更為光明的前景。
[0003]但是，碳纖維葉片最大弱點，即葉片在使用過程中，前緣部分最常受到表面磨蝕和外面進入物體打擊作用，砂石和飛鳥等等。因此為了保證飛行安全，葉片的前緣借助于固定零件或膠水施以高強度鈦合金保護。然而，鈦合金防護套的制造是足夠復(fù)雜的課題，因為防護套有不同截面，零件的截面厚度差很大，包括薄的壁和增強的厚重前緣橫截面；此外，護套有復(fù)雜的空間形狀，包括在水平面方向上有曲面形狀和直立彎曲平面。
[0004]美國有色燃氣透平公司(Chromalloy Gas Turbine Corporat1n USA)設(shè)計并使用鈦合金TC4(T1-6A1-4V)立體毛坯制造護套。毛坯借助銑削制出內(nèi)部V形型腔。接著在模具中擠壓成形側(cè)壁，擠壓溫度850?900°C，再進行最后的機械加工。零件的壁厚只有0.5?0.2_。沒有保護性氣體導(dǎo)致表面氣體飽和。在如此高的溫度下擠壓鈦合金，務(wù)必需要昂貴的鎳基高溫合金做模具；在沒有保護氣氛下作業(yè)，使擠出薄壁受到氣體(如氧氣、氫氣等)傷害。為了去除工件受浸的表面，必須要做大量機械加工，這樣，不僅切除了受氣體浸蝕表面，而且也切除了擠壓中形成的纖維流線，使流線外露，增加應(yīng)力腐蝕機會。
[0005]經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利文獻號CN103009018A，公開(公告)日2013.04.03，公開了一種超細晶、高強度合金葉片鍛件的制造方法，制造過程包括，擠壓、終鍛、切毛邊、熱處理，所述的擠壓過程前采用鋇鹽爐加熱；所述的擠壓模具采用“菱形葉身和榫頭”對開式方形錐臺結(jié)構(gòu)，并對擠壓模具喉部進行強化處理；但該技術(shù)二次擠壓(變形量20?60% )只能達到細晶粒，且該工藝無法適用于鈦合金TC4。
[0006]中國專利文獻號CN1439467，公開(公告)日2003.09.03，公開了一種熱強鈦合金葉片的擠壓、精密輥鍛方法，采用擠壓小余量半精鍛葉片作為輥鍛工藝的坯料，采取有效防護潤滑涂層，和采用化學(xué)銑削工藝清除各種加熱中形成的污染層；優(yōu)選中溫輥鍛工藝實現(xiàn)了中、小型壓氣機鈦合金葉片微余量(彡0.1Omm)的精密輥鍛成形；以及采用真空除氫和調(diào)整葉片組織性能的熱處理相結(jié)合的工藝，主要工藝流程是:下料，涂玻璃潤滑劑；熱擠壓；打磨、清理玻璃潤滑劑；化銑除污染層；真空再結(jié)晶退火；粗加工葉片榫頭及轉(zhuǎn)接圓角；溫?zé)彷佸懀坏诙纬Ａ櫥瑒┘盎姵廴?；真空除氫及再結(jié)晶退火；校正；第二次退火；精密機械加工，但該技術(shù)處理對象形狀較為簡單，截面變化小。無法適用于護套的成形。
[0007]中國專利文獻號CN103781588A，公開(公告)日2014.05.07，公開了一種制作用于加強葉片12的前緣16的加強件30的方法，其中，所述加強件30通過受壓熱噴涂在所述前緣16上沉積金屬涂層來制作。一種葉片12，特別是渦輪機引擎的葉片，直升機的葉片，或者螺旋槳的葉片，在其中前緣16受到這樣的加強件的保護。但該技術(shù)中熱噴涂到前緣上的金屬僅受壓力40Pa，不能經(jīng)受超塑性模鍛擠壓那樣壓力80?120MPa充分變形，因此有些像鑄造組織那樣晶粒粗大，這樣護套抗沖擊力和耐蝕能力遠遠不如鈦合金的擠壓件強度極限σ b= 1200?1500MPa ;此外，該技術(shù)對噴涂表面處理、設(shè)備、填料等都很復(fù)雜、繁瑣，實施條件要求苛刻。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種超細晶粒鈦合金護套及其復(fù)合擠壓成形模具及方法，先對鈦合金TC4晶粒組織做超細化處理，使其超塑性成形溫度由900°C降到650°C ;然后通過一般熱模具鋼成形，不必用昂貴的難以機械加工的高溫合金做模具，以大幅度降低成本。用精密模鍛方法在保護性氣氛中成形薄壁，使其極少機械加工，保護流線完整流暢，以大幅度提高其抗應(yīng)力腐蝕能力，其強度也增加20?30%。
[0009]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0010]本發(fā)明涉及一種超細晶粒鈦合金護套及其復(fù)合擠壓成形模具，包括：上模機構(gòu)以及帶有模芯的下模機構(gòu)，其中：下模機構(gòu)內(nèi)設(shè)有倒梯形空腔，模芯活動設(shè)置于空腔內(nèi)并正對上模機構(gòu)；該模芯由兩塊相同結(jié)構(gòu)且相對設(shè)置的半凹模組成，兩個半凹模和上模機構(gòu)中的凸模構(gòu)成模具型腔。
[0011]所述的上模機構(gòu)包括：由上而下依次固定連接的上模板、上模座以及定位圈，以及活動設(shè)置于定位圈內(nèi)的凸模，其中：定位圈與上模機構(gòu)固定連接。
[0012]所述的凸模的頂端為U形結(jié)構(gòu)或V形結(jié)構(gòu)，分別可以用于正反擠壓和彎曲校正處理。
[0013]所述的半凹模優(yōu)選根據(jù)凸模頂端的結(jié)構(gòu)不同和工步工件形狀不同具有對應(yīng)的半凹模尺寸。
[0014]所述的定位滑道的外部優(yōu)選設(shè)有感應(yīng)加熱器，對應(yīng)所述的半凹模中設(shè)有與之相連的熱電偶，從而實現(xiàn)對毛坯及模具溫度的控制。
[0015]所述的滑動連接通過導(dǎo)柱機構(gòu)實現(xiàn)。
[0016]所述的下模機構(gòu)包括：固定設(shè)置于下模座上的模芯固定塊和定位滑道，以及活動設(shè)置于模芯固定塊和定位滑道之間的兩個導(dǎo)套，其中：模芯固定塊和定位滑道構(gòu)成所述倒梯形空腔，兩塊相同結(jié)構(gòu)且相對設(shè)置的導(dǎo)套正對所述半凹模的底部。
[0017]所述的導(dǎo)套通過下頂桿驅(qū)動并進行向上運動以實現(xiàn)退料。
[0018]所述的上模座和下模座中優(yōu)選設(shè)有冷卻水管。
[0019]本發(fā)明涉及一種基于上述模具的超細晶粒鈦合金護套的復(fù)合擠壓成形方法，采用鈦合金毛坯在模具型腔中加熱后正反擠壓得到弧形帶側(cè)壁的半成品，再由帶有V形結(jié)構(gòu)凸模的彎曲模擠壓制成。
[0020]所述方法具體包括以下步驟：
[0021]1)原始毛坯置于模具型腔中，對模具型腔中的原始毛坯通過中頻感應(yīng)方式同步加熱。
[0022]所述的同步加熱，優(yōu)選加熱溫度為650°C。
[0023]所述的原始毛坯為具有超細晶粒組織的鈦合金帶材，采用鈦合金棒料經(jīng)過變換軸向載荷鍛造，然后在逐步降低溫度條件下沿著X、Y、Z軸方向反復(fù)多次鐓粗拔長，最后再乳制成帶材，具體為:先將高H、直徑D的圓棒鐓粗到高0.4H，滾圓后垂直于原軸線方向拔長至Η高；再進行第二次鐓粗-拔長；再進行第三次鐓粗拔長；經(jīng)反復(fù)多次變換X、y、z軸方向多次鐓粗拔長，對數(shù)變形量E = 3，相當(dāng)鍛造比達到20即滿足超細晶粒要求。在鐓粗過程中逐步降低溫度，始鐓溫度為750 °C，降到650 °C。
[0024]所述的原始毛坯由于乳制而在水平面上具有曲線形狀，必須校直校平。
[0025]所述的模具型腔與原始毛坯之間優(yōu)選設(shè)有潤滑劑，進一步優(yōu)選在設(shè)置潤滑劑前對原始毛坯進行噴丸處理。
[0026]2)閉合模具型腔后在保護氣氛中打開中頻感應(yīng)加熱并進行正擠壓成形，得到帶有前緣部加強部分的護套。
[0027]所述的正擠壓的變形速度為0.3?0.5mm/min。
[0028]3)在同一副的模具型腔內(nèi)隨著壓機滑塊繼續(xù)下行進行反擠壓成形，得到弧形帶側(cè)壁的擠壓半成品。
[0029]所述的反擠壓的變形速度為:0.3?0.5mm/min。
[0030]4)采用頂端為V形結(jié)構(gòu)的凸模對半成品進行彎曲并校正，得到超細晶粒鈦合金護套精密鍛件。
[0031]本發(fā)明涉及上述方法制備得到的超細晶粒鈦合金護套，為長條形V形結(jié)構(gòu)，該護套內(nèi)腔的曲線形狀與葉片外緣相匹配。
[0032]本發(fā)明涉及上述超細晶粒鈦合金護套的應(yīng)用，通過高強度粘結(jié)劑固定于葉片上。 技術(shù)效果
[0033]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明工藝得到的護套壁的成形均勻，在壁部對數(shù)變形程度達到e?3，力學(xué)性能平均提高20?30%。在溫度不超過700°C條件下，本發(fā)明大幅度地降低了制造零件的成本。
【附圖說明】
[0034]圖1為護套超塑性復(fù)合擠壓模具示意圖；
[0035]圖中:a為裝配示意圖;b?d為模芯工作示意圖;1螺釘、2上模板、3定位圈、4感應(yīng)加熱器、5螺釘、6定位滑道、7銷釘、8螺釘、9毛坯、10下頂桿、11凸模、12導(dǎo)銷、13半凹模、14通水上模座、15凹模固定塊、16導(dǎo)套、17導(dǎo)柱、18熱電偶、19冷卻水管、20通水下模座、21墊板、22護套正擠前緣后半成品、23護套反擠側(cè)壁后半成品。
[0036]圖2為棒材經(jīng)過變換軸向載荷鐓拔示意圖；
[0037]圖3為V形結(jié)構(gòu)的凸模的彎曲工步示意圖:
[0038]圖中:24護套鍛件；
[0039]圖4為在擠壓彎曲工步中毛坯變形過程示意立體圖:
[0040]圖中:a為坯料在半凹模具中的變化過程示意圖;b為毛坯的變形階段示意圖；
[0041 ] 圖5為毛還顯微組織不意圖；
[0042]圖6為本發(fā)明成品護套鍛件立體示意圖；
[0043]圖7為護套試樣顯微組織示意圖；
[0044]圖中:a為試樣取自前緣部，b為試樣取側(cè)壁。
【具體實施方式】
[0045]本實施例以鈦合金TC4為實施材料，毛坯超細晶粒組織的制備包括要用直徑Φ70_棒料、變換軸向載荷、在逐步降低溫度條件下沿著X、Υ、Ζ軸方向反復(fù)多次鐓粗、拔長，如圖2所示，其具體操作步驟如下: