TC17合金均质整体叶盘毛坯等温成形技术研究

文／赵兴东·沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司

TC17合金均质整体叶盘毛坯等温成形技术研究

文／赵兴东·沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司

确定TC17合金均质整体叶盘毛坯的热加工工艺，生产出组织和性能均符合标准要求的大型整体叶盘毛坯，进行了锻造工艺、热处理制度对TC17合金均质整体叶盘毛坯组织和性能影响的研究。试验结果表明，采用近β等温锻成形+双固溶处理可实现整体叶盘毛坯不同部位综合性能的良好匹配，保证了不同部位对性能的不同设计要求。

整体叶盘对盘而言要有高的强度、断裂韧性、抗裂纹扩展能力、蠕变性能和较高的低周疲劳，叶片要有高的强度、塑性、热稳定性、高周疲劳性能。要在一个锻件上同时满足各项性能指标，采用合理的锻造工艺及热处理工艺是获得综合性能优良锻件的关键。某发动机用整体叶盘锻件最大直径近1100mm，重量达500kg。考虑叶盘不同部位性能各有侧重又彼此兼顾的要求，开展了整体叶盘等温锻造工艺参数和热处理工艺对TC17合金盘件组织和性能影响的研究。

试验方案

锻造工艺试验

⑴试验材料。试验用棒料（φ170mm×440mm）相变点为 895℃，将棒材加热到850℃，在水压机上锻造，变形量75%，锻成圆饼后分成六个相同的扇形饼坯。

⑵试验方案。①β锻造工艺试验。将1个扇形饼坯再次锻造，坯料加热温度920℃, 变形量50%，锻后空冷。经固溶+时效（800℃保温4h，水冷+620℃保温8h，空冷）处理后，进行组织性能检测。②α+β锻造工艺试验。将其余5个扇形饼坯再次锻造，变形量50%，每个扇形饼坯的加热温度和冷却方式见表1。经固溶+时效处理后，进行组织性能检测。

热处理工艺研究

⑴试验材料。试验料是采用近β锻的整体叶盘锻件。

表1 α+β锻造工艺试验方案

⑵试验方案。将盘件分成两个半盘，对每个半个盘件进行不同制度的热处理，具体方案见表2。处理后进行组织性能检测。

表2 热处理试验方案

试验结果与分析

锻造工艺试验

⑴β锻造工艺试验。β锻的组织见图1，性能数据见表3及表4。试验表明，采用β锻工艺，锻件的组织为典型的网蓝组织，其室温拉伸、高温拉伸、热稳性能均能达到指标要求，特别是断裂韧性、蠕变性能好，但高周疲劳性能数据偏低，无法达到性能指标要求。

⑵ α+β锻造工艺试验。α+β锻的组织见图2，性能数据见表5、表6。

图1 β锻的组织

从图2可以看出，α+β锻后经固溶+时效处理，组织均为等轴组织，但两种温度下锻造后的组织中的α相的数量有明显的差异，880℃（近β锻）组织中α的数量约为25%，与双态组织相似；而845℃（两相锻）组织中α的数量约为40%，是典型的等轴组织。相同温度锻后不同冷却方式对组织的影响不大，随着冷速的增加，等轴α相略有减少，条状α略有增加，α相总量基本没变。

从表5、表6中可以看出，采用（α+β）两相区下部锻造工艺，其室温性能、高温性能、高周疲劳性能、低周疲劳均能达到目标要求，但（α+β）两相区下部锻造断裂韧性、蠕变性能较差；采用近β锻造工艺，其室温性能、高温性能、高周疲劳性能满足目标要求的同时，其断裂韧性较（α+β）两相区下部锻造的数据有很大的提高，蠕变性能也有所改善，解决了强度、塑性、韧性、蠕变性能和高低周疲劳性能的综合匹配问题。近β锻锻后冷速对力学性能也有一定的影响，水冷的强度和高周疲劳性能比空冷的略高些。

热处理工艺试验

⑴高倍组织。两种不同热处理制度下的盘件高倍组织见图3。

表3 β锻造组织力学性能数据一

图2 α+β锻的组织（×500）

表4 β锻造组织力学性能数据二

表5 α+β锻造组织力学性能数据一

表6 α+β锻造组织力学性能数据二

从图中可以看出，经均匀化（880℃保温2h，风冷）处理较未均匀化处理的盘高倍组织中等轴α相减少，条状α增加，α相总量略有减少。

⑵力学性能。两种不同热处理制度下盘件力学性能见表7、表8。

为了提高轮盘的断裂韧性，在热处理（800℃/4h，水冷+630℃/8h，空冷）之前，增加一次高温均匀化（880℃）处理，以期适当降低合金的强度来提高轮盘的KIC值。由表7、表8可知，在固溶时效处理之前，增加一次均匀化处理，其室温强度降低，从而改善了轮盘的平面应变断裂韧性值（KIC）。另外，增加一次均匀化处理，虽使盘件的室温拉伸性能、室温高周轴向应力疲劳强度有所降低，但均能满足标准要求。

从组织来看，即使在等轴组织中，等轴α相的数量和大小同样影响合金的断裂韧性，减少组织中等轴α相的数量，断裂韧性增高。在固溶时效之前，增加均匀化处理，正是出于减少等轴组织中的等轴α相，增加条状α的目的。试验结果表明，增加一次高温均匀化处理以适当降低合金的强度，有利于提高轮盘的断裂韧性。

整体叶盘毛坯的试制

成形工序

基本成形工序：下料→加热（两相区）→制坯→加热（两相区）→镦饼→粗加工→探伤→加热（近β相区）→等温锻→热处理（双固溶+时效）。

试制结果

⑴力学性能。解剖件的力学性能见表9、表10。

图3 两种热处理制度下盘件的高倍组织

表7 室温拉伸性能

表8 室温断裂韧性性能和高周轴向应力疲劳性能

检测结果表明，整体叶盘叶片部位的室温拉伸、硬度、热稳定、缺口位伸、高温拉伸、高温持久、高周疲劳性能，盘件部位的室温拉伸、冲击、低循环疲劳、断裂韧性、高温蠕变性能均符合标准要求。

⑵高低倍组织。低倍组织无冶金缺陷，高倍组织（见图4）基本上是双态组织，组织中等轴α相的含量为15%～20%，低高倍组织均符合标准要求。

表9 力学性能（叶片部位）

表10 力学性能（盘部位）

图4 不同部位的高倍组织

结论

⑴确定的近β等温锻造，并经双固溶加时效处理的工艺，可使整体叶盘毛坯获得优异的综合性能，既能满足叶片具有高的强度、塑性和高周疲劳性能，又能满足轮盘好的高温性能、低周疲劳性能和断裂韧性性能要求。

⑵试制的整体风扇叶盘毛坯，组织和性能均达到了技术标准要求。