钛合金叶片电磁冲击复合成形调控的方法技术

本发明专利技术涉及一种钛合金叶片电磁冲击复合成形调控的方法，其使用带有保压保温和电磁冲击复合成形功能的专用装置，在电磁热力耦合作用下进行叶片的近恒温校形和随模热处理。该方法能促进锻压叶片畸变晶格回复和再结晶，快速消除锻压残余应力，避免产生形变裂纹，并减小叶片退火处理过程中的组织粗化和热应力变形，有效提高叶片生产质量。所提出的电磁冲击复合成形调控装置由电磁冲击复合处理设备、温控设备、压力成形设备等组成，能施加可调节的电磁热力作用完成钛合金叶片的热成形和热处理工艺。艺。艺。

【技术实现步骤摘要】
钛合金叶片电磁冲击复合成形调控的方法


[0001]本专利技术涉及钛合金构件高精度制造和性能强化领域，更具体地说，涉及一种钛合金叶片电磁冲击复合成形调控的方法。

技术介绍

[0002]钛合金具有热强度高、耐腐蚀性能好、导热系数和弹性模量小等优点，因此成为航空航天领域的重要结构材料。钛合金切削加工性不高，常温塑性成形困难，热锻成形是钛合金构件成形的一种主要方法，以钛合金航发叶片为例，其精密锻造工艺一般包含：原材料检验、加热挤杆、镦头、加热预锻、加热终锻、切边、加热校形、热处理、机加工抛修、检验等，期间穿插多次叶片表面处理和质检工序，总工艺流程十分精细和复杂。由于钛合金的变形抗力大、对变形温度敏感，在钛合金叶片类复杂结构精锻件的实际生产过程中，常因形变残余应力和反复加热冷却过程中产生的热应力而出现零件回弹、扭曲变形的现象，导致工艺尺寸偏差，使得锻造成形工艺控制难度大，成品率不高。叶片锻压成形后一般采用压力校形和长时间热处理的方法改善成形精度，调控组织和残余应力状态，其流程复杂且工艺参数范围窄，控制不当极易引发裂纹和组织不均等新的缺陷。
[0003]相关专利《一种叶片激光喷丸校形的方法与装置》CN106270005A公开了一种叶片激光喷丸校形的方法与装置，借助三维轮廓扫描仪将叶片实际尺寸与CAD模型尺寸对比，通过数据分析确定激光喷丸校正参数和路径，利用高功率的脉冲激光冲击波作用于叶片表面进行校形。该方法需反复对比数模进而调整校形参数多次校形，效率难以保证，且单点或多点激光喷丸对曲面尺寸超差较大的叶片校形效果有限，反复激光喷丸处理也可能对叶片表面质量造成影响。
[0004]相关专利《一种钛或钛合金电脉冲辅助热冲压成形方法及装置》CN112246944A公开了一种钛或钛合金板料电脉冲辅助热冲压成形方法及装置，将预热板料放入带有电脉冲处理工装的冷模具上进行冲压成形得到钛或钛合金零件。该方法将导热性差的钛合金板料转运至冷成形模具成形，板料的厚度和变形量都不宜过大，否则在快速冲压成形过程中易发生开裂，由于脉冲电流回路的择优性，该电辅助成形装置中的电极布置形式也不适用于叶片类变截面构件，且没有采用温控装置对脉冲电流引起的热效应进行控制，钛合金叶片热成形组织对温度非常敏感，一旦引起局部过热导致超温现象，无法再通过热处理方法调控，多次重复热校形还会造成组织粗大，不符合叶片技术规范。
[0005]相关专利《航空发动机叶片校形装置及其校形方法》CN110421024A公开了一种航空发动机叶片冷校形装置及校形方法，该校形方法比较适合塑性良好的铝合金叶片，而钛合金叶片在冷校形的过程中会产生较大的弹性变形，还可能引发校形裂纹和残余应力，冷校形后需进行更严格的消除应力退火和缺陷检验，所以该方法和装置难以保证钛合金叶片成形的质量和效率。
[0006]相关专利《复杂钛合金机加零件的校形模具及方法》CN111266462A公开了一种钛合金机加零件的校形模具及方法。按照该专利申请说明，所用方法是在原有钛合金锻件毛
坯上增设凸台用于工艺定位和辅助校形，用等温热成形压力机对机加工后的锻件进行升温保压来完热处理和校形工作，待校形完成后铣切去除凸台得到精准零件。该方法采用等温热成形压力机将零件升温至退火热处理温度效率较慢，如用于钛合金叶片类曲面构件，额外设置凸台需对锻造模具和工艺参数做调整，使原有工序复杂化，且成形后铣切凸台易导致零件发生再次形变影响精度。

技术实现思路

[0007]本专利技术要解决的技术问题在于，提供一种钛合金叶片电磁冲击复合成形调控的方法，能够改善叶片成形温度均匀性，促进锻压叶片畸变晶格回复和再结晶，快速消除锻压残余应力，减少形变裂纹的产生，降低常规热成形及热处理方法中多次加热所造成的叶片组织粗化和热应力变形等不良影响，提升叶片的成形精度和力学性能。
[0008]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种钛合金叶片电磁冲击复合成形调控的方法，包括以下步骤：
[0009]S1、将预热后的叶片坯料放入成形模具的下模中进行压力成形，压力机合模的速度设置为多段式，先快速完成合模空行程，当模具上模即将接触到叶片时转变为低速率合模，完成合模操作后进行保压处理；
[0010]S2、在模具压力成形和保压过程中，同时对叶片施加间歇式的高频脉冲电流，脉冲电流激发的电热效应将预热叶片加热到合适的变形温度，并抵消该过程中叶片的散热量，此过程能量平衡满足以下公式：
[0011]ΔTCρdS+qFt＝I2Rt'
[0012]ΔT为温度传感器测得的叶片温度与设定校形温度差值，C为钛合金比热，ρ为钛合金密度，d为叶片等效厚度,S为脉冲电流通过叶片的等效截面积，q为叶片在模具中的等效热传递速率，表示单位时间内通过单位截面积的散热量，F为叶片在模具中换热面积，t为电磁脉冲处理总时间，t'为脉冲电流导通时间，I为脉冲电流激发电热效应的有效电流大小，R为脉冲电流通过叶片的电阻值；
[0013]电磁冲击处理过程分为两个阶段，第一阶段使用持续高频电磁冲击处理使叶片局部温度迅速达到热变形温度，由于该阶段耗时短可忽略叶片散热，设置脉冲电流恒定进行电磁冲击处理，则第一阶段所需高频电磁冲击处理时间t1计算过程如下：
[0014][0015]式中ρ'为钛合金电阻率，J为电磁冲击处理的电流密度；
[0016]当温控设备监测到ΔT≤10℃时进入到第二阶段近恒温电磁冲击处理，对叶片施加参数恒定的脉冲电流，使电热效应与叶片散热量达到平衡；在选定脉冲电流I和单次脉冲时长t2情况下，按照单位时间t内维持热量平衡条件来估算相应的脉冲频率f：
[0017][0018]S3、电磁冲击复合热处理；压力机在保持合模状态，卸载或减小保压力，通过模具预热和电磁冲击复合加热协同作用，将叶片加热到钛合金叶片热处理工艺所需的温度范围，并维持等温状态直到完成叶片热处理；
[0019]S4、脱模取件。
[0020]按上述方案，在所述步骤S1中，保压压力值为10
‑
50MPa，保压时间为2
‑
10min。
[0021]按上述方案，所述叶片坯料表面均匀涂覆具有导电和防氧化效果的高温润滑涂层。
[0022]按上述方案，在所述步骤S1之前，对上模和下模进行预热。
[0023]按上述方案，成形模具中设有多组参数独立可调的脉冲电流回路，多组电极既可以对叶片整体同步施加电磁冲击处理，也可针对叶片不同变形量区域和应力集中区域单独进行电磁冲击处理，调控成形温度和应力分布。
[0024]实施本专利技术的钛合金叶片电磁冲击复合成形调控的方法，具有以下有益效果：
[0025]1、本专利技术方法在叶片压力成形和热处理过程中同步施加电磁冲击处理，促进锻压叶片畸变晶格回复和再结晶，消除锻压残余应力，减少形变裂纹的产生，降低常规成形及热处理方法中多次加热所造成的叶片组织粗化和热应力变形等不良影响，综合提升叶片成形精度和力学性能。
[0026]2、本专利技术能够在叶片压力成形和热处理过程施加本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钛合金叶片电磁冲击复合成形调控的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将预热后的叶片坯料放入成形模具的下模中进行压力成形，压力机合模的速度设置为多段式，先快速完成合模空行程，当模具上模即将接触到叶片时转变为低速率合模，完成合模操作后进行保压处理；S2、在模具压力成形和保压过程中，同时对叶片施加间歇式的高频脉冲电流，脉冲电流激发的电热效应将预热叶片加热到合适的变形温度，并抵消该过程中叶片的散热量，此过程能量平衡满足以下公式：ΔTCρdS+qFt＝I2Rt'ΔT为温度传感器测得的叶片温度与设定校形温度差值，C为钛合金比热，ρ为钛合金密度，d为叶片等效厚度,S为脉冲电流通过叶片的等效截面积，q为叶片在模具中的等效热传递速率，表示单位时间内通过单位截面积的散热量，F为叶片在模具中换热面积，t为电磁脉冲处理总时间，t'为脉冲电流导通时间，I为脉冲电流激发电热效应的有效电流大小，R为脉冲电流通过叶片的电阻值；电磁冲击处理过程分为两个阶段，第一阶段使用持续高频电磁冲击处理使叶片局部温度迅速达到热变形温度，该过程耗时短可忽略叶片散热，设置脉冲电流恒定，则第一阶段所需高频电磁冲击处理时间t1计算过程如下：式中ρ'为钛合金电阻率，J为电磁冲击处理的电流密度；当温控设备监测到ΔT≤10℃时进入到第二阶段近恒温电磁冲击处理，对叶片施加参数恒定的脉冲电流，使电热效...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋燕利，余永情，路珏，王中美，芦赛，柳泽阳，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：