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钛合金无模碾压技术进展及产业化分析


    无模碾压技术在发动机用双性能涡轮盘成形方面具有特色优势,并广泛应用于高温合金、钛合金、轻合金和钢类等大型复杂盘件的加工成形。

  盘件无模碾压技术及设备在 20 世纪 90 年代首先由俄罗斯科学院乌法超塑性问题研究所发明,技术亮点在于取代大型压机和节约模具成本,当时可成形 φ 800  mm 钛合金的涡轮盘并已用于燃汽轮机;后由美国GE公司出资支持的相关研究证明该备可成形出形状复杂,微观组织分布和力学性能良好的钛合金涡轮盘。但因其技术保密,迄今尚未查到他们的工艺和设备研究报告,也未见其成形出高温合金涡轮盘的相关研究成果。

  国内机械科学研究总院从 2003 年开始跟踪这项技术,相关人员做了大量基础研究工作,金泉林团队终于在 2006 年研制出一台小型碾压试验设备样机,但当时只能在室温下成形直径不大于 φ 280  mm 的铅盘。2009 年该团队对原设备进行数控改造并增加了加热系统,从而实现合金盘件的数控碾压成形,并取得了一些如何控制微观组织分布的工艺设计成果。

  2010 年金泉林等采用温控高频感应加热设备解决了高温不足的问题,为避免与碾压头干涉,感应线圈只能套在盘件两端,由此形成了盘心低温区和盘缘高温区的不均匀温度场。对于钛合金恰好形成了双相区成形的局面(盘心 α+β 相细晶,盘缘 β 相粗晶),与双性能涡轮盘指标不谋而合,由此设计者放弃初对碾压工艺等温超塑成形的提法,转而提出非均匀温度场+双性能成形的工艺特色,并通过对 TC4 试验样件的解剖分析,取得了不同组织分布的效果。

  但在尝试碾压高温合金材料时,设备表现出能力不足。此外,在允许的锻造温度之上进行反复碾压成形的方法缺乏研究价值,无法开展深入的高温合金碾压成形机理和工艺研究。因此,目前国内无模碾压技术和设备仍处于基础研究阶段。

  随着我国 400  MN、800  MN 模锻压机、 360  MN 垂直挤压机、200  MN 等温锻压机等大型设备陆续服役,钛合金和高温合金整体锻造成形的吨位瓶颈已经解决,如 2014 年直径为 2  m 重达 6  t 的高温合金涡轮盘已在中国第二重型机械集团公司 800  MN 模锻压机上研制成功。

  在降低设备载荷和 无模化成形方面,2005 年宝钢在 40 MN 快锻机上 采用分区锻造法,锻造出直径2 m 的 GH2674 燃机轮机盘;

  2008 年,贵州安大采用非矩形截面锥辊 在5 MN辗环机上成形出直径2  m的不锈钢燃机轮机盘,并轧制出对称、非对称的空心或实心盘件;

  西北工业大学近年来应用 ACDR 摆辗技术展开了大型盘件成形的探索研究,以上新设备和工艺均对无模碾压技术产生极大冲击。碾压技术是基于“点”的连续成形,可通过调整碾头的转速和进给量,并配合温控系统实现对工件所有区域的微观组织柔性控制,从而达到“双性 能”目标;而整体锻、分区锻和轧制等工艺为“面、线”成形,无法实现小局部组织控制。因此,试制一台大刚度和大载荷的中型设备样机,成形出具有双性能或者较佳性能的涡轮盘产品样件,证明该技术的可行性和先进性,从而实现其产业化道路,对于提高我国高性能涡轮盘制造水平及解决工艺瓶颈具有重要意义。


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