基于楔横轧小余量制坯的叶片低成本精密成形技术研究

FMMM 2021年4月19日浏览：1615

金属叶片是航空、航天发动机正常运转的关键部件，目前，锻造类叶片的成形方法一般是借助挤压+镦粗、自由锻或平锻的方法制坯，然后经过热模锻，从而最终成形。由于锻造类叶片的叶身薄、带扭角，且具有带榫头甚至阻尼凸台等特征，因此其预制坯的结构设计多为异形变截面，采用传统工艺制备预成形坯时，虽然可制备出合格的预制坯，但都存在制坯效率低、工序繁杂、尺寸精度控制差、稳定性差和组织均匀性差等问题，最终影响着叶片锻件制备的成本和整体性能。

楔横轧，原用于阶梯轴类零件的生产，可在一道工序中以连续、局部的方式对不同部位进行压缩与延伸。因其具有精确成形、工艺可控性好的特点，本项目创新性的提出采用楔横轧工艺替代原来锻造叶片所采用的自由锻、挤压+镦粗或平锻等制坯工艺。通过将楔横轧工艺应用在叶片制坯上，在一道工序中将叶片棒料轧制为异形变截面形状，实现叶片榫头、叶尖、阻尼凸台和叶身等多部位的预成形，精确成形出小余量钛合金叶片异形变截面预制坯，以期提高锻造叶片预成形制坯的制坯效率、尺寸精度、材料利用率和组织稳定性，降低锻造叶片的制备成本。

因此，针对航空发动机叶片对高效率低成本制造技术的需求，探索基于楔横轧技术的异形变截面叶片预制坯高效率低成本精密制造，通过技术创新，解决叶片制坯尺寸精度差、效率低和成本高等问题，实现叶片制造过程的降本增效，对发展我国航空发动机既有长远意义，又是当前亟待攻克的重要课题。

成形工艺流程

航空发动机锻造叶片是具有榫头、叶身薄且带扭角、甚至两侧有高而薄阻尼凸台特征的复杂形状结构件。国外对于锻造叶片也是采用制坯和模锻方法成形。圆柱形的棒料先通过制坯环节发生形状上的改变，由原先的统一截面演变成变截面，实现叶片叶尖、叶身、榫头和阻尼凸台等异形结构的预成形。然后，通过模锻环节，已经具有异形变截面特征的叶片预制坯各部位进一步成形，从而完成最终成形，获得加工余量1 ～1.5mm 的叶片模锻件。

根据资料统计，国外钛合金叶片锻件传统的制坯方法有三种：一是挤压+镦粗技术；二是局部聚集镦粗技术(图1)；三是楔横轧技术(图2)。前两种技术是通用技术，第三种楔横轧技术处于研究阶段，是国外探索发展的方向，暂未见工程应用。

图1 国外主要的两种叶片制坯技术示意图

挤压+镦粗技术，如图1(а)所示，设备通常为普通压力机，虽然单个工序成本较低，但是由于工序数量的增多，钛合金叶片坯料每加热一次，大部分只能完成一个工序，无法同时实现叶片叶尖、叶身、榫头和阻尼凸台的同时预成形。并且，钛合金坯料每加热一次，都需要进行一次吹砂-腐蚀-涂润滑剂等一系列辅助工序，增加了工艺的不确定性和整个工艺流程的成本。此外，在挤压工序中，处理内部形变产生热量的技术难度大，容易导致局部温升，会严重影响构件的微观结构。而且，坯料与模具长时间接触，在摩擦作用下，坯料容易粘附，模具容易损坏。

局部聚集镦粗技术，如图1(b)所示，设备(平锻机)及模具都是专用的，造成设备及工艺成本高，而且，微观组织由于工艺特点而不够均匀。但与挤压+镦粗技术相比，局部聚集镦粗技术提高了效率，降低了成本。

目前，俄罗斯、美国、日本等国家主要采用卧式锻造机对叶片坯料头部或冠部进行局部聚集镦粗，而英国、德国等欧洲国家主要采用多组模具配合的挤压+镦粗联合制坯获得预制坯。

近些年，短流程、低成本制造高性能航空发动机部件，逐渐成为国外制造技术的发展方向。据2008年公开发表的研究成果显示，德国科研人员率先将楔横轧工艺加入到了叶片预制坯制备过程中。图2 是基于楔横轧工艺优化后的航空发动机用钛合金叶片锻件制备工艺，楔横轧工序代替了原先的挤压工序和镦粗工序。

图2 优化后的航空发动机用钛合金叶片制备工艺

楔横轧技术作为传统的阶梯轴制备技术，将其应用到同样具有阶梯状的异形变截面叶片预制坯的制备，从工艺可行性和设备、工艺成本上优势非常明显。第一，通过楔横轧，原材料棒材改变了原先的几何形状，中间细，两头粗，即叶片锻件的榫头、叶尖和叶身实现了预成形，因此，楔横轧工艺可以达到叶片预制坯异形的要求及效果；第二，借助楔横轧工艺，叶片棒料沿轴向的截面积不再是一致不变的，原始材料棒材经过轧制后，呈现阶梯状分布，即类“阶梯轴”形，可见，楔横轧工艺也可以实现叶片预制坯变截面的要求；第三，楔横轧工艺在一道工序内可以同时完成两件甚至更多钛合金叶片的预制坯制备工作，提高了生产效率，降低了制备工艺成本；第四，楔横轧工艺所用设备结构简单，重点在于轧辊辊型的设计，以相同轧制力(工作载荷)计算，相比于平锻机，楔横轧设备成本可以降低70 ～80%；第五，通过工序的简化，挤压＋镦粗工艺带来的坯料反复加热、校正和润滑的问题也不存在了，提高了工艺的稳定性，降低了预制坯的尺寸余量，提高了材料的利用率。