超细晶粒钛合金护套及其复合挤压成形模具及方法

摘要

一种用于碳纤维叶片的超细晶粒钛合金护套及其复合挤压成形模具及方法，采用钛合金毛坯在模具型腔中加热后经正、反挤压得到弧形带侧壁的半成品，再由带有V形结构凸模的弯曲模挤压制成。本发明创新地先对钛合金TC4晶粒组织做超细化处理，使其超塑性成形温度由900℃降到650℃，然后通过一般热模具钢成形，以大幅度降低成本。用精密模锻方法在保护性气氛中成形薄壁，使其极少机械加工，保护流线完整流畅，以大幅度提高其抗应力腐蚀能力；其强度也增加20～30％。

权利要求

1.一种超细晶粒钛合金护套模具的复合挤压成形方法，其特征在于，该模具包括：上模机构以及带有模芯的下模机构，其中：下模机构内设有倒梯形空腔，模芯活动设置于空腔内并正对上模机构；该模芯由两块相同结构且相对设置的半凹模组成，两个半凹模和上模机构中的凸模构成模具型腔；所述方法具体包括以下步骤：

1)原始毛坯置于模具型腔中，对模具型腔中的原始毛坯通过中频感应方式同步加热；

2)闭合模具型腔后在保护气氛中打开中频感应加热并进行正挤压成形，得到带有前缘加强部分的护套半成品；

3)在相同的模具型腔内随着压机滑块继续下行进行反挤压成形，得到弧形带侧壁的半成品；

4)采用顶端为V形结构的凸模对半成品进行弯曲并校正，得到超细晶粒钛合金护套精密锻件。

2.根据权利要求1所述的复合挤压成形方法，其特征是，所述的上模机构包括：由上而下依次固定连接的上模板、上模座以及定位圈，以及活动设置于定位圈内的凸模，其中：定位圈与上模座固定连接。

3.根据权利要求1所述的复合挤压成形方法，其特征是，所述的凸模的顶端分别为U形结构和V形结构，分别用于正反挤压和弯曲校正处理。

4.根据权利要求1所述的复合挤压成形方法，其特征是，所述的下模机构包括：固定设置于下模座上的模芯固定块和定位滑道，以及活动设置于模芯固定块和定位滑道之间的两个导套，其中：模芯固定块和定位滑道构成所述倒梯形空腔，两块相同结构且相对设置的导套正对所述半凹模的底部。

5.根据权利要求1所述的复合挤压成形方法，其特征是，所述的原始毛坯为具有超细晶粒组织的钛合金带材，采用钛合金棒料经过变换轴向载荷锻造，然后在逐步降低温度条件下沿着X、Y、Z轴方向反复多次镦粗拔长，最后再轧制成带材，具体为：先将高H、直径D的圆棒镦粗到高0.4H，拔方滚圆后垂直于原轴线方向拔长至H；再按第一次工艺及尺寸进行第二次镦粗-拔长；再进行第三次镦粗拔长；经反复多次变换x、y、z轴方向多次镦粗拔长，对数变形量e≈3，相当锻造比达到20，即可达到超细晶粒要求；在镦粗过程中逐步降低温度，始镦温度为750℃，降到650℃；由于原始毛坯轧制造成在水平面上具有曲线形状，必须校平校直。

6.根据权利要求1所述的复合挤压成形方法，其特征是，所述的模具型腔与原始毛坯之间设有润滑剂，并在设置润滑剂前对原始毛坯进行喷丸处理。

7.根据权利要求1所述的复合挤压成形方法，其特征是，所述的正挤压的变形速度为

0.3～0.5mm/min；所述的反挤压的变形速度为：0.3～0.5mm/min。

说明书

超细晶粒钛合金护套及其复合挤压成形模具及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种金属处理领域的技术，具体是一种用于碳纤维叶片的超细晶粒钛合金护套及其复合挤压成形模具及方法。

背景技术

[0002] 现代航空发动机风扇和压缩机叶片使用碳纤维制造。由于在保证结构强度和可靠性条件下大幅度地减轻了质量，与钛合金叶片比较有更为光明的前景。

[0003] 但是，碳纤维叶片最大弱点，即叶片在使用过程中，前缘部分最常受到表面磨蚀和外面进入物体打击作用，砂石和飞鸟等等。因此为了保证飞行安全，叶片的前缘借助于固定零件或胶水施以高强度钛合金保护。然而，钛合金防护套的制造是足够复杂的课题，因为防护套有不同截面，零件的截面厚度差很大，包括薄的壁和增强的厚重前缘横截面；此外，护套有复杂的空间形状，包括在水平面方向上有曲面形状和直立弯曲平面。

[0004] 美国有色燃气透平公司(Chromalloy Gas Turbine Corporation USA)设计并使用钛合金TC4(Ti-6Al-4V)立体毛坯制造护套。毛坯借助铣削制出内部V形型腔。接着在模具中挤压成形侧壁，挤压温度850～900℃，再进行最后的机械加工。零件的壁厚只有0.5～0.2mm。没有保护性气体导致表面气体饱和。在如此高的温度下挤压钛合金，务必需要昂贵的镍基高温合金做模具；在没有保护气氛下作业，使挤出薄壁受到气体(如氧气、氢气等)伤害。为了去除工件受浸的表面，必须要做大量机械加工，这样，不仅切除了受气体浸蚀表面，而且也切除了挤压中形成的纤维流线，使流线外露，增加应力腐蚀机会。

[0005] 经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103009018A，公开(公告)日2013.04.03，公开了一种超细晶、高强度合金叶片锻件的制造方法，制造过程包括，挤压、终锻、切毛边、热处理，所述的挤压过程前采用钡盐炉加热；所述的挤压模具采用“菱形叶身和榫头”对开式方形锥台结构，并对挤压模具喉部进行强化处理；但该技术二次挤压(变形量
20～60％)只能达到细晶粒，且该工艺无法适用于钛合金TC4。

[0006] 中国专利文献号CN1439467，公开(公告)日2003.09.03，公开了一种热强钛合金叶片的挤压、精密辊锻方法，采用挤压小余量半精锻叶片作为辊锻工艺的坯料，采取有效防护润滑涂层，和采用化学铣削工艺清除各种加热中形成的污染层；优选中温辊锻工艺实现了中、小型压气机钛合金叶片微余量(≤0.10mm)的精密辊锻成形；以及采用真空除氢和调整叶片组织性能的热处理相结合的工艺，主要工艺流程是：下料，涂玻璃润滑剂；热挤压；打磨、清理玻璃润滑剂；化铣除污染层；真空再结晶退火；粗加工叶片榫头及转接圆角；温热辊锻；第二次除玻璃润滑剂及化铣除污染；真空除氢及再结晶退火；校正；第二次退火；精密机械加工，但该技术处理对象形状较为简单，截面变化小。无法适用于护套的成形。

[0007] 中国专利文献号CN103781588A，公开(公告)日2014.05.07，公开了一种制作用于加强叶片12的前缘16的加强件30的方法，其中，所述加强件30通过受压热喷涂在所述前缘16上沉积金属涂层来制作。一种叶片12，特别是涡轮机引擎的叶片，直升机的叶片，或者螺旋桨的叶片，在其中前缘16受到这样的加强件的保护。但该技术中热喷涂到前缘上的金属仅受压力40Pa，不能经受超塑性模锻挤压那样压力80～120MPa充分变形，因此有些像铸造组织那样晶粒粗大，这样护套抗冲击力和耐蚀能力远远不如钛合金的挤压件强度极限σb＝
1200～1500MPa；此外，该技术对喷涂表面处理、设备、填料等都很复杂、繁琐，实施条件要求苛刻。

发明内容

[0008] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种超细晶粒钛合金护套及其复合挤压成形模具及方法，先对钛合金TC4晶粒组织做超细化处理，使其超塑性成形温度由900℃降到650℃；然后通过一般热模具钢成形，不必用昂贵的难以机械加工的高温合金做模具，以大幅度降低成本。用精密模锻方法在保护性气氛中成形薄壁，使其极少机械加工，保护流线完整流畅，以大幅度提高其抗应力腐蚀能力，其强度也增加20～30％。

[0009] 本发明是通过以下技术方案实现的：

[0010] 本发明涉及一种超细晶粒钛合金护套及其复合挤压成形模具，包括：上模机构以及带有模芯的下模机构，其中：下模机构内设有倒梯形空腔，模芯活动设置于空腔内并正对上模机构；该模芯由两块相同结构且相对设置的半凹模组成，两个半凹模和上模机构中的凸模构成模具型腔。

[0011] 所述的上模机构包括：由上而下依次固定连接的上模板、上模座以及定位圈，以及活动设置于定位圈内的凸模，其中：定位圈与上模座固定连接。

[0012] 所述的凸模的顶端为U形结构或V形结构，分别可以用于正反挤压和弯曲校正处理。

[0013] 所述的半凹模优选根据凸模顶端的结构不同和工步工件形状不同具有对应的半凹模尺寸。

[0014] 所述的定位滑道的外部优选设有感应加热器，对应所述的半凹模中设有与之相连的热电偶，从而实现对毛坯及模具温度的控制。

[0015] 所述的滑动连接通过导柱机构实现。

[0016] 所述的下模机构包括：固定设置于下模座上的模芯固定块和定位滑道，以及活动设置于模芯固定块和定位滑道之间的两个导套，其中：模芯固定块和定位滑道构成所述倒梯形空腔，两块相同结构且相对设置的导套正对所述半凹模的底部。

[0017] 所述的导套通过下顶杆驱动并进行向上运动以实现退料。

[0018] 所述的上模座和下模座中优选设有冷却水管。

[0019] 本发明涉及一种基于上述模具的超细晶粒钛合金护套的复合挤压成形方法，采用钛合金毛坯在模具型腔中加热后正反挤压得到弧形带侧壁的半成品，再由带有V形结构凸模的弯曲模挤压制成。

[0020] 所述方法具体包括以下步骤：

[0021] 1)原始毛坯置于模具型腔中，对模具型腔中的原始毛坯通过中频感应方式同步加热。

[0022] 所述的同步加热，优选加热温度为650℃。

[0023] 所述的原始毛坯为具有超细晶粒组织的钛合金带材，采用钛合金棒料经过变换轴向载荷锻造，然后在逐步降低温度条件下沿着X、Y、Z轴方向反复多次镦粗拔长，最后再轧制成带材，具体为：先将高H、直径D的圆棒镦粗到高0.4H，滚圆后垂直于原轴线方向拔长至H高；再进行第二次镦粗-拔长；再进行第三次镦粗拔长；经反复多次变换x、y、z轴方向多次镦粗拔长，对数变形量E＝3，相当锻造比达到20即满足超细晶粒要求。在镦粗过程中逐步降低温度，始镦温度为750℃，降到650℃。

[0024] 所述的原始毛坯由于轧制而在水平面上具有曲线形状，必须校直校平。

[0025] 所述的模具型腔与原始毛坯之间优选设有润滑剂，进一步优选在设置润滑剂前对原始毛坯进行喷丸处理。

[0026] 2)闭合模具型腔后在保护气氛中打开中频感应加热并进行正挤压成形，得到带有前缘部加强部分的护套。

[0027] 所述的正挤压的变形速度为0.3～0.5mm/min。

[0028] 3)在同一副的模具型腔内随着压机滑块继续下行进行反挤压成形，得到弧形带侧壁的挤压半成品。

[0029] 所述的反挤压的变形速度为：0.3～0.5mm/min。

[0030] 4)采用顶端为V形结构的凸模对半成品进行弯曲并校正，得到超细晶粒钛合金护套精密锻件。

[0031] 本发明涉及上述方法制备得到的超细晶粒钛合金护套，为长条形V形结构，该护套内腔的曲线形状与叶片外缘相匹配。

[0032] 本发明涉及上述超细晶粒钛合金护套的应用，通过高强度粘结剂固定于叶片上。

[0033] 技术效果

[0034] 与现有技术相比，本发明工艺得到的护套壁的成形均匀，在壁部对数变形程度达到e≈3，力学性能平均提高20～30％。在温度不超过700℃条件下，本发明大幅度地降低了制造零件的成本。

附图说明

[0035] 图1为护套超塑性复合挤压模具示意图；

[0036] 图中：a为装配示意图；b～d为模芯工作示意图；1螺钉I、2上模板、3定位圈、4感应加热器、5螺钉II、6定位滑道、7销钉、8螺钉III、9毛坯、10下顶杆、11凸模、12导销、13半凹模、14上模座、15模芯固定块、16导套、17导柱、18热电偶、19冷却水管、20下模座、21垫板、22护套正挤前缘后半成品、23护套反挤侧壁后半成品。

[0037] 图2为棒材经过变换轴向载荷镦拔示意图；

[0038] 图3为V形结构的凸模的弯曲工步示意图：

[0039] 图中：24护套锻件；

[0040] 图4为在挤压弯曲工步中毛坯变形过程示意立体图：

[0041] 图中：a为坯料在半凹模具中的变化过程示意图；b为毛坯的变形阶段示意图；

[0042] 图5为毛坯显微组织示意图；

[0043] 图6为本发明成品护套锻件立体示意图；

[0044] 图7为护套试样显微组织示意图；

[0045] 图中：a为试样取自前缘部，b为试样取侧壁。

具体实施方式

[0046] 本实施例以钛合金TC4为实施材料，毛坯超细晶粒组织的制备包括要用直径棒料、变换轴向载荷、在逐步降低温度条件下沿着X、Y、Z轴方向反复多次镦粗、拔长，如图2所示，其具体操作步骤如下：

[0047] 采用组分为：5.8～6.5％Al、3.9～4.2％V、0.12％Fe、＜0.15％Si、0.08％C、＜0.02％N、＜0.01％H、＜0.15％O以及余量为Ti的 棒料，其α+β/β的转变温度为990℃。

[0048] 第一步：将圆柱形棒料在微氧化气氛中升温加热至800℃±10℃；

[0049] 第二步：在2吨电液自由锻锤上对待锻坯进行多次镦粗拔长变形，使其对数变形程度达到e≈3，其锻造比在20左右；然后置于炉中600℃完全退火，随炉冷却至室温，制成轧坯。

[0050] 第三步：在600℃环境下将轧坯轧制成厚5mm带材，其对数变形程度e≈3。变形结果平均晶粒度在0.5μm，如图5所示。

[0051] 本实施例采用的设备为数控等温锻造液压机，其主要技术参数为：公称力25MN、活动横梁工作速度0.05～0.30mm/s、液体工作压力25MPa、工件及模具加热温度≤1200℃、工作台有效尺寸为2500×1800mm。

[0052] 本实施例具体通过以下操作实现复合挤压工艺：

[0053] 1)采用钛合金TC4作为原始毛坯的材料，从获得的具有超细晶粒组织的带材中切割出整齐的坯料尺寸5×10×270mm，对坯料做抛丸处理；

[0054] 2)如图1a所示，对原始毛坯9涂上FR-6玻璃润滑剂，然后将图1b～d中模芯装入图1a模具中，其中两半凹模由工具钢5Cr3W3MoVSi制成的，该模芯由两块相同结构且相对设置的半凹模13组成。

[0055] 所述的毛坯的形状在水平面上有曲线形状和垂直平面上有扭角，在挤压前对相应平面进行了校正。

[0056] 所述的FR6玻璃润滑剂，其组分及质量百分比为54％SiO2、5％Al2O3、8.5％B2O3、27.5％Na2O、5％CaO。

[0057] 为了润滑剂能粘附在坯料表面，用喷雾器喷到坯料表面上，喷涂后在空气中干燥20～30分钟或在60℃～80℃烘箱中烘干。完成后原始毛坯9的表面具有厚度为0.1mm～
0.2mm的涂层。该涂层在变形过程中使模具和坯料之间的摩擦系数减小到0.08～0.10；从而使模具寿命延长20～30％。

[0058] 所述的半凹模13分别由内向外固定在模芯固定块15上，且合模后的内壁形状与护套各变形工步锻件22～23的外形相匹配；半凹模13合模后以及与U形结构的凸模11组成模具型腔。

[0059] 所述的模具为工具钢5Cr3W3MoVSi制成，其热处理硬度为48～52HRC。

[0060] 如图1所示，所述的模具中的定位滑道6与下模座固定且与垂直方向成25°倾角；当下顶杆10顶起时，导套16中两个半模向上运动时，由于它们分别固定在模芯固定块15上，于是半凹模与模芯固定块沿定位滑道6上行而张开，其水平打开的距离，恰好取出锻件。

[0061] 所述的下顶杆10的行程为150mm，这样的顶出行程保证定位滑道上升时沿滑槽打开的距离，可以顺利取出锻件。

[0062] 当压力机滑块回程时，随着顶杆的下落，模芯随自重滑落到下模座底部，两半模合拢。毛坯放入型腔中，随着压力机滑块下行，带动固定在滑块下平面上的上模与下模合模，对坯料进行挤压锻造。锻造结束，顶杆顶出锻件，形成脱模，这样循环反复，可以生产传统生产无法脱模的复杂精密零件。

[0063] 3)在校平模具水平面条件下，将原始毛坯敷设于模具型腔中，然后通过中频感应加热装置将模具和毛坯加热到650℃，使用凸模对原始毛坯进行第一工步变形，即正挤压成形，完成半成品护套的前缘加强部分，如图1c所示。

[0064] 所述的正挤压的变形速度为0.3～0.5mm/min。在此情况下储存材料以用于成形侧壁。

[0065] 4)当凸模继续下行时在同一模膛中进行第二工步，即反挤压成形，完成护套的侧壁，如图1d所示，并使毛坯成形成所需形状，得到半成品复合挤压件；

[0066] 所述的反挤压的变形速度为0.3～0.5mm/min。

[0067] 如图4a和图4b所示，为上述步骤1～4过程中原始毛坯在模具中变形时状态以及对应阶段成形影象。

[0068] 5)如图3所示，将半成品移入毗邻且加热至与图1d同样温度的类似结构的弯曲模中，通过V形结构的凸模实现第三工步变形，即弯曲成形。

[0069] 所述的弯曲模包括：带有型槽的凹模和V形结构的凸模，如图3所示。

[0070] 将步骤5)得到的锻件进行检测，其在外形上无折叠和夹层缺陷。从护套壁部和前缘所剖出的试样显微组织，分别如图7a和7b所示。

[0071] 通过半透明电子显微镜测定锻件平均晶粒尺寸为0.3～0.5μm。晶粒尺寸减小到0.3μm说明，在反挤压条件下，壁部金属遭受了剧烈塑性变形。壁部的成形均匀，在壁部对数变形程度达到e≈3。储存了能量并减小了晶粒尺寸，使材料强度增加20～30％。

[0072] 根据上述实施例结果，表明本发明可以实施护套零件的大批量生产，如图6所示，为小批量生产后精密模锻件。

[0073] 上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。