航空发动机Ti6242s合金压气机盘锻件的成形均匀性研究

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航空发动机中包含大量圆盘类零部件,长期在高温高压和交变载荷下工作,其组织均匀性要求极高,而这类锻件常因为预成形坯料和锻造工艺的不合理而无法保证锻件组织的均匀性,进而影响其使用性能及发动机的安全。随着国家航空事业的迅速发展,特别是新一代战机和大飞机的自主研制,对航空发动机转动类零部件性能的稳定性提出了更高的要求。因此研究盘类锻件的成形工艺优化及变形均匀性控制,保证实际生产锻造出变形合理、组织均匀、质量稳定的盘类锻件,具有重大的工程应用价值。本文以某型航空发动机Ti6242s合金压气机盘锻件为研究对象,从锻件材料的高温塑性变形行为、锻件的类型特征及其预成形坯料设计方法,以及锻件的成形工艺优化等三个方面进行了研究,主要工作有以下几点:(1)在Gleeble-3500热模拟试验机上对Ti6242s合金在变形温度为900-1100℃,应变速率为0.001-10s-1的条件下进行等温热压缩试验,根据合金的真应力-应变曲线,分析了变形条件对Ti6242s合金流变应力的影响规律,在此基础上建立了Ti6242s合金在α+β两相区和β单相区变形的本构方程,为数值模拟分析奠定了理论基础;(2)以经过数值模拟优化和实际生产验证的多个航空发动机盘类锻件及其预成形方案为基础,分别建立了预成形坯料高度与锻件高度、预成形坯料直径与锻件直径之间的关系模型;根据形状和结构相似性对这些盘类锻件进一步分类,针对每一类的特点设计了其合理的预成形坯料,通过分析总结得到了基于盘类锻件变形均匀性的预成形坯料设计方法;(3)针对压气机盘锻件原工艺方案存在的变形不均匀、部分性能未达标等问题,在以上预成形坯料设计方法的指导下对变形区域进行了划分,通过有限元数值模拟分别从预成形坯料形状、锻件结构和保温工艺三个方面对锻件的变形均匀性进行了优化,得到了压气机盘锻件新的成形方案,将锻件的有效变形区域由原方案的45.8%提高到了79.5%,大变形区和小变形区分别减少了28.4%和5.3%,整体变形均匀性得到了显著提高;(4)通过实际生产试制对数值模拟优化方案进行了验证,检测结果表明锻件组织均匀性较好,力学性能均达到了相关标准的要求。
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