航空发动机转子叶片用TC4棒材研制

侯 鹏，文 娜，贠鹏飞，马士峰，张 哲，谢 强，母果路

（西部钛业有限责任公司，陕西西安 710201）

·材 料·

航空发动机转子叶片用TC4棒材研制

侯 鹏，文 娜，贠鹏飞，马士峰，张 哲，谢 强，母果路

（西部钛业有限责任公司，陕西西安 710201）

为了获得综合性能良好的航空发动机高压压气转子叶片用TC4棒材，采用相变点以上大变形和相变点以下多火次小变形两种变形方式相结合的工艺路线，制备航空发动机转子叶片用TC4 Φ20 mm、Φ40 mm棒材，通过力学数据、金相组织及超声波探伤检验的试验手段进行分析研究，结果表明：（1）按照试验路线生产的TC4棒材，低倍组织均为模糊晶，不存在裂纹、折叠、气孔、金属或非金属夹杂、偏析、缩尾和其它肉眼可见的缺陷；高倍组织分布均匀，晶粒尺寸细小，没有流线形成，均为等轴双态组织；（2）按照试验路线生产的TC4棒材，室温力学性能、高温力学性能等综合性能良好，均满足标准要求，且性能稳定；（3）按照试验路线生产的TC4棒材，超声波探伤检验满足Φ0.8～12 dB杂波水平要求，无缺陷波。

钛合金；低倍组织；高倍组织；力学性能；超声波探伤

钛及钛合金是20世纪40年代才开始投入商业生产的金属结构材料，由于其熔点高、密度小及强度高等主要特点，被广泛应用于航空发动机结构中，如制造压气机盘、叶片等承受大压力的旋转件［1］。其中TC4钛合金是目前应用最广的一种（α＋β）两相钛合金［2］，其名义成分为Ti－6Al－4V，具有良好的强度、塑性及韧性等综合力学性能，适合于各种压力加工成型，可用于制作工作温度400℃以下的各类零件［3，4］。转子叶片是航空发动机结构件中的关键零部件之一，由于其为高速旋转的动部件，数量多、形体单薄、载荷状况严酷、工作环境复杂［5］，使其一直成为发动机使用和试验中故障率最高的零部件之一。据有关统计其占发动机故障率的40%以上，而且转子叶片的损坏还对整机性能影响很大，有的可能导致严重的事故。现代发动机压气机转子叶片大多采用钛合金锻制而成，为了促进其在航空发动机行业的发展，提高其安全可靠性，对其进行研究试验成为生产技术工作者所关心的问题。压气机转子叶片属于高速旋转状态下工作的零件，自身质量在旋转时产生的离心力是其工作时承受的最大、最主要的应力，为了使叶片能克服这种应力，如何加工生产具有良好的综合性能的转子叶片目前成为问题的关键。本文采用相变点以上大变形＋相变点以下多火次小变形的工艺路线，制备航空发动机转子叶片用TC4Φ20 mm、Φ40 mm棒材，通过力学性能、金相组织及超声波探伤检验的试验手段对其进行分析研究，对相关方面的实际生产具有一定的参考依据。

1 试 验

1.1 试验材料

试验采用西部钛业有限责任公司真空自耗电弧炉三次熔炼生产的TC4钛合金铸锭，经扒皮、探伤、切除冒口和顶底、取样后，尺寸为：Φ690 mm×2 710 mm，净重4 600 kg，如图1所示。

图1 Φ690 mm TC4钛合金成品铸锭

其化学成分符合标准GB／T 3620.1－2007［6］及GB／T 3620.2－2007［7］的要求，铸锭化学成分见表1。采用差热法测得该合金的（α＋β）／β相变点为993℃。

表1 TC4合金的化学成分%

1.2 试验方法

试验采用相变点以上大变形＋相变点以下多火次小变形两种变形方式相结合的工艺路线，相变点以上大变形目的是为了充分破碎铸态组织，为后面变形提供良好的组织基础，相变点以下多火次小变形目的是改善组织由内到外整体的均匀性及细化晶粒的效果，相变点以下单火次大变形容易造成材料变形不均匀和变形热的产生，从而大大降低材料的综合性能，影响材料的使用寿命甚至造成材料报废。

1.2.1 相变点以上大变形

试验采用2500 T压机对TC4铸锭在β区进行开坯锻造，电炉加热，尺寸变化：Φ690 mm→Φ300 mm，过程中采用大压下量大变形，单次压下量≥200 mm，终端温度≥850℃，锻后空冷后，修磨坯料表面缺陷。

1.2.2 相变点以下多火次小变形

1.2.2.1 镦拔＋拔长、滚圆

分两火次完成，第一火在β－（10℃～50℃）进行加热，坯料执行三镦三拔工艺，锻比＝1.6，尺寸变化：Φ300 mm→Φ230 mm；第二火在β－（30℃～70℃）进行加热，经拔长、滚圆工序，尺寸变化：Φ230 mm→Φ160 mm。过程中单次压下量≤100 mm，终端温度≥750℃，锻后空冷、修磨。

1.2.2.2 精锻＋矫直

采用奥地利制造的SX－16径向锻造机进行精密锻造，如图2（a）所示，电炉加热温度β－（50℃～90℃），精锻分两火次完成，每火次道次变形量控制在约12%，第一火精锻尺寸变化：Φ160 mm→Φ85 mm，锻后空冷，修磨表面缺陷；第二火精锻尺寸变化：Φ85 mm→Φ46 mm，每火次终端温度≥800℃，锻后余热矫直，终矫温度≥600℃，矫直设备为七辊矫直机，如图2（b）所示。

图2 TC4棒材精锻与矫直

1.2.2.3 轧制＋矫直

从精锻后的棒材中取出一部分棒材，对每支棒材进行外观检查与裂纹、折叠、起皮等修磨，保证热轧前表面无宏观缺陷。采用250轧机进行轧制，电炉加热温度β－（70℃～110℃），一火五道次完成Φ22 mm×L成品规格毛棒热轧加工，终轧温度≥800℃，轧后余热矫直。轧制过程中注意控制送料速度，防止变形热影响材料组织。

采用扒皮机、车床、无心磨床对Φ46 mm、Φ22 mm棒材进行机械冷加工，外径尺寸及公差分别为Φ40±0.6 mm和Φ20±0.4 mm，切除棒材两端烂头，端面平齐倒角，去除毛刺。

2 试验结果

在成品棒材上按照标准要求分别截取试样，检测试样的热处理制度为800℃／1 h AC处理，按照GJB 493－88［8］要求测试TC4棒材产品的横向高、低倍组织。

2.1 低倍组织

两种规格的TC4棒材的横向低倍组织测试结果如图3所示。由图3可以看出两种规格棒材的低倍组织均为模糊晶，不存在裂纹、折叠、气孔、金属或非金属夹杂、偏析、缩尾和其它肉眼可见的缺陷。

图3 Φ40 mm、Φ20 mm TC4棒材低倍

2.2 高倍组织

两种规格的TC4棒材的横向高倍组织测试结果如图4所示。由图4可以看出Φ40mm、Φ20mmTC4合金棒材高倍组织为等轴状态组织，由初生α相和次生α相组成，α相等轴化程度好，组织分布均匀，没有流线形成。Φ20 mm的棒材由于比Φ40 mm的棒材多了一道轧制工序，变形量大，所以晶粒尺寸更加细小均匀。

图4 Φ40 mm、Φ20 mm TC4棒材高倍组织

2.3 力学性能

按照GJB 493－88要求委托红原航空锻铸工业公司中心实验室和西安航空发动机集团有限公司理化检测中心测试两种规格TC4棒材产品的纵向室、高温力学性能。

2.3.1 室温力学性能

两种规格的TC4棒材试样的室温力学性能测试结果见表2。由表2可以看出两种规格TC4棒材的室温力学性能（拉伸、冲击、硬度）均符合标准要求。Φ20 mm比Φ40 mm抗拉强度高十几兆帕，其它性能基本相同，结合高倍组织，说明当变形量、晶粒尺寸达到一定程度时，变形量与强度不再呈现线性关系。

2.3.2 高温力学性能

两种规格的TC4棒材试样的高温力学性能测试结果见表3。由表3可以看出两种规格TC4棒材的两种规格TC4棒材的高温力学性能（400℃高拉、持久）均符合标准要求，且高拉超过标准一百多兆帕，性能稳定。

表2 TC4合金棒材室温力学性能

表3 TC4合金棒材高温力学性能

2.4 超声波探伤

采用USN60探伤仪对两种规格的TC4棒材进行水浸法探伤，探头规格：C－25 10MHZ；标准试样：Φ0.8平底孔；检验级别：Φ0.8～12 dB。结果显示：棒材均未出现大于灵敏度反射波。通过超声波探伤检验说明棒材组织均匀，差异性小，内部不存在缺陷。

通过高低倍组织、力学性能及超声波探伤分析表明，本试验设计的工艺路线比较合理，相变点以上大变形使得材料的铸态得到充分破碎，相变点以下采用精锻、轧制的锻造方式本身具有变形量小、变形均匀的优点，两种方式相结合，生产的TC4棒材金相组织均匀，差异性小，晶粒细小，没有流线趋向，没有过热组织，组织形貌为等轴双态组织，等轴双态组织相比其它组织形貌可以使材料获得良好的强度、塑性及高温持久性能，材料综合性能稳定，探伤水平良好，为转子叶片提供了安全可靠的质量保证。态组织。

2.按照试验路线生产的TC4棒材，室温力学性能、高温力学性能等综合性能良好，均满足标准要求，且性能稳定。

3.按照试验路线生产的TC4棒材，超声波探伤检验满足Φ0.8～12 dB杂波水平要求，无缺陷波。

3 结 论

1.按照试验路线生产的TC4棒材，低倍组织均为模糊晶，不存在裂纹、折叠、气孔、金属或非金属夹杂、偏析、缩尾和其它肉眼可见的缺陷；高倍组织分布均匀，晶粒尺寸细小，没有流线形成，均为等轴双

［1］ 汪波，曾卫东，彭雯雯.不同锻造工艺对TC4钛合金棒材显微组织与力学性能的影响［J］.钛工业进展，2014，31（5）：14－18.

［2］ 王蕊宁，杨建朝，吕利强，等.不同热处理工艺对TC4合金板材组织和性能的影响［J］.钛工业进展，2010，27（6）：27－29.

［3］ 李小勇，赵西成.单相区变形量对TC4钛合金组织和探伤水平的影响［J］.科技创新与应用，2015，（3）：27－28.

［4］ 王敏，郭鸿镇.TC4钛合金晶粒细化及超塑性研究［J］.塑性工程学报，2008，4（15）：154－158.

［5］ 傅国如，禹泽民，王洪伟.航空涡喷发动机压气机转子叶片常见失效模式的特点与规律［J］.失效分析与预防，2006，1（1）：18－24.

［6］ GB／T 3620.1－2007，钛及钛合金牌号和化学成分［S］.

［7］ GB／T 3620.2－2007，钛及钛合金加工产品化学成分允许偏差［S］.

［8］ GJB 493－88，航空发动机压气机叶片用TC4钛合金棒材［S］.

Experimental Study of TC4 Bars for Rotor Blades of Aero Engine

HOU Peng，WEN Na，YUN Peng-fei，MA Shi-feng，ZHANG Zhe，XIE Qiang，MU Guo-lu
（Western Titanium Technologies Co.，Ltd.，Xi＇an 710201，China）

In order to obtain TC4 bars for aero engine high-pressure compressor rotor bladeswith good comprehensive properties，this paper adopts the process route of combining two deformation modeswith large deformation above the transformation points and multi fire small deformation under the transformation point，prepared the TC4Φ20 mm and Φ40 mm bars for rotor blades of the aero engine，analyzed by the experimental means of mechanical data，microstructure and ultrasonic testing.The results show that：（1）According to the experimental routes for the production of TC4 bars，macrostructure is fuzzy crystal，and there are no cracks，folding，stomata，metal or nonmetallic inclusions，segregation，shrinkage and other macroscopic defects；Microstructure distributes uniformly，grain size is small，there are no streamline form，organization is equiaxed duplex microstructure.（2）The TC4 bars produced according to the experimental route have good comprehensive properties at room temperature mechanical properties and high temperaturemechanical properties，allmeet the standard requirements，and the performance is stable.（3）According to the experimental route production of TC4 bar，ultrasonic testing tomeet theΦ0.8～12dB clutter level requirements，no defectwave.

titanium alloy；macrostructure；microstructure；mechanical properties；ultrasonic testing

TG146.23

A

1003－5540（2017）04－0039－05

2017－05－18

侯 鹏（1984－），男，工程师，主要从事钛及钛合金的锻造工艺研究工作。