先进航空发动机用高温钛合金双性能整体叶盘的制造

先进航空发动机用高温钛合金

双性能整体叶盘的制造

蔡建明1，李 娟1，田 丰2，叶俊青2

（1. 中国航发北京航空材料研究院，北京 100095； 2. 贵州安大航空锻造有限责任公司，安顺 561005）

[摘要] 钛合金整体叶盘是先进航空发动机压气机系统的典型轻质高效结构。整体叶盘零件工作时，叶片和盘承

受不同的热力条件，采用“双性能”代替传统的“均质”设计，是提高压气机转子减重效果及满足愈加严苛且多变的温度和载荷工作条件使用的有效措施。对比分析了两种“梯度热处理”工艺，即分区控温梯度热处理工艺和局部包覆控时梯度热处理工艺制备钛合金双性能整体叶盘的可行性，评估了叶片、盘及过渡区的显微组织控制能力。试验结果表明：两种工艺均能在钛合金整体叶盘的叶片与盘之间的过渡区形成稳定可控的温度梯度，得到双重组织，即叶片为双态组织，盘为细小的片层组织，过渡区位置和尺寸可控，显微组织呈渐变特征。可根据整体叶盘锻件的外形特点和组织性能要求，选用适合的制备工艺及相应的工艺参数。关键词： 钛合金双性能整体叶盘；分区控温梯度热处理；局部包覆控时梯度热处理DOI:10.16080/j.issn1671–833x.2019.19.034

同使用性能情况下，通过以钛代镍，

可实现约40%的减重效果[3]，且钛合金转子相对降低了对压气机轴的载荷作用，从而可以提高发动机的推重比和使用可靠性。与传统榫齿连接结构相比，采用整体叶盘结构可以显著提高发动机的部件减重效果，提高压气机空气增压效率和气动稳定性，并可避免榫齿连接结构因叶片榫头与盘榫槽接触区域发生微动磨损引发疲劳失效的风险。

航空发动机压气机整体叶盘工作时，叶片和盘承受的温度条件和应力条件有着显著差异，相对而言，叶片工作温度高、应力小、振动频率大，主要承受离心拉应力和高频振动应力的综合作用，且有受到外物冲击的可能，因此应重点考虑叶片的拉伸强度、高周疲劳和抗外物冲击性能；盘承受高的

先进航空发动机高推重比、高增压比、高涡轮前温度及低油耗目标的实现，除了采用先进的结构设计和精准的强度计算外，还强烈依赖于轻质耐热钛合金材料及高效轻量整体叶盘结构的综合应用。传统钛合金受航空发动机压气机转子部件高温、高压、高速工作状态引起的蠕变、保载疲劳、氧化、钛火等因素的制约，长时

工作温度不能超过600℃[1–2]

，典型的600℃高温钛合金有英国IMI834及我国Ti60等。与国内其他常用航空钛合金如TC11、TA19、TC17相比，Ti60钛合金在500℃以上有显著的蠕变性能优势，适用于高压压气机后段的整体叶盘、机匣等部件。在400~600℃温度区间，与GH4169镍基高温合金相比，Ti60钛合金的比强度和比疲劳强度有优势，在获得相蔡建明

工学博士，高级工程师，主要从事航空发动机用高性能高温钛合金的科研工作。在国内外学术期刊上发表论文30余篇。

多轴低频循环应力作用，工作温度相对较低，且从盘心到盘缘沿径向有较大的温度梯度和应力梯度[4]，又考虑到叶片与机匣需保持小的间隙以及盘破裂会带来发动机非包容损伤的巨大危害，因此应更加强调盘的高温蠕变、低周疲劳和损伤容限性能[5]，可见，同一个整体叶盘零件的不同部位实际上对力学性能是有不同特定要求的。传统的压气机转子叶片/盘的榫齿连接结构，叶片和盘分别制造，可以灵活选用钛合金材料及组织状态，叶片宜采用α+β区变形和α+β区热处理以得到细小的双态组织，盘宜采用β区锻造或β区热处理以得到细小的网篮组织或片层组织，可以实现力学性能的最优化配置。但是，对于采用整体锻件并采用高速铣削或电化学加工等减材方法制造的整体叶盘，整体锻件一般得到的是“均质”组织，即锻件所有区域的组织是相同的。航空发动机性能的提高，要求转子承受愈加严苛多变的热力条件，为了进一步优化发动机的结构设计，需要保证钛合金整体叶盘各部位有适应使用条件的力学性能，一个很好的解决措施是实现整体叶盘“双性能”，即叶片与盘体获得不同且特定的显微组织。

航空发动机盘件（包括整体叶盘）的“双性能”设计构思由来已久，在镍基高温合金涡轮盘和钛合金压气机盘上进行过探索研究。为了获得同种合金的双性能盘或整体叶盘，开发了多种制造方法，如局部高频感应加热法[6–7]、分区控温热处理法[8–9]、双重组织热处理法（DMHT）[10]，其技术共性是在盘辐与盘缘（或盘体与叶片）之间的某个位置形成精确可控的温度梯度，工艺装置的设计制造与工艺参数的精确控制是技术核心，需要精确掌控工艺实施过程中部件不同位置的温度随时间的动态变化及显微组织演变的规律。对于镍基高温合金双性能涡轮盘，通过特殊的工艺措施，控制盘缘和盘辐采用不

同的固溶温度来实现，即将盘缘在

γ′相溶解温度以上固溶处理得到

粗晶组织，将盘辐在γ′相溶解温度

以下固溶处理得到细晶组织[11]。对

于大尺寸叶片的风扇或低压压气机

钛合金整体叶盘，一种高效率的方

法是将单个叶片焊接到盘体上，基

于疲劳性能、焊接接头完整性等因

素，目前最可行的方法是线性摩擦

焊技术[12]。德国MTU公司开发和

验证了双材料钛合金线性摩擦焊整

体叶盘（DUTIFRISK：Dual Material

Titanium Alloy Linear Friction

Welded Blisk）技术[13]，盘体采用高

强高韧的Ti–6246或Ti–17（网篮组

织），叶片采用高温高强的Ti–6242S

或Ti–6Al–4V（双态组织），使得叶

片和盘的材料和组织状态更适应整

体叶盘实际使用工况对力学性能的

要求[14]；英国罗罗公司开发了异种

钛合金整体叶盘的线性摩擦焊工艺，

并评估了部件的低周疲劳性能，部件

通过了20000次循环的低周疲劳试

验[15]。对于叶片尺寸较小的高压压

气机钛合金整体叶盘，通过将盘在

β转变温度以上变形或固溶处理，

得到细小的片层组织或网篮组织，将

叶片在β转变温度以下变形和固溶

处理，得到双态组织。

本文以我国600℃高温钛合金

Ti60整体叶盘锻件为例，开发了分区

控温梯度热处理工艺和局部包覆控

时梯度热处理工艺技术，评估了这两

种工艺制备双性能整体叶盘的可行

性，实现盘体、叶片双重组织以及过

渡区位置及尺寸等的控制能力。

试验材料

试验用材料为中国航发北京

航空材料研究院研制的Ti60钛合

金，名义成分为Ti–5.8Al–4Sn–4Zr–

0.7Nb–1.5Ta–0.4Si–0.06C，合金化的

主要特点是加入Nb和Ta两个弱β

稳定化元素，由于其在α–Ti中具有

较大的固溶度，可增强α相的固溶

强化作用，有助于提高高温蠕变抗

力。通过严格控制合金低的Fe和O

元素含量，最大程度地改善高温蠕

变抗力。通过加入微量C，扩大合金

α+β两相区上部的工艺窗口，使合

金具有更好的锻造及热处理工艺适

应性。Ti60钛合金的Tβ转变温度

约为1050℃。

将Ti60钛合金Φ300mm棒材

在α+β两相区进行改锻和近等温

模锻，经粗加工得到图1所示的整体

叶盘锻件，外径Φ650mm，最大截面

厚度60mm。

试验结果与分析

1 梯度热处理工艺设计

为了实现钛合金整体叶盘锻件

的“双性能”，设计了特殊的热处理

工艺，即在预固溶处理与时效处理之

间，增加一次梯度热处理工艺。预固

溶处理温度根据所要求的初生α相

含量而定，一般控制在Tβ转变温度

以下15~50℃，时效处理温度一般控

制在700~750℃。通过梯度热处理

独特的工装设计以及工艺参数的精

确控制，在整体叶盘锻件的叶片与盘

之间的区域（即过渡区）形成足够的

温度梯度，如图2所示，控制盘区的温

度进入β相区，经过β热处理和随

后的冷却，得到所需的片层组织；控

制叶片区的温度低于预固溶处理温

图1 Ti60钛合金整体叶盘锻件示意图

Fig.1 Diagram of Ti60 titanium alloy

blisk forging