王天一，梁 偉，馬增祥

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，遼寧 沈陽 110015）

0 引言

渦輪軸承座是航空發(fā)動機的主要承力部件之一,其主要功能是支撐發(fā)動機轉(zhuǎn)子軸承安全穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，工作時需要承受高溫差及高應(yīng)力載荷。隨著航空發(fā)動機性能提升的需求，整機減重已成為迫切的研究方向，而減重的一個重要方法就是采用低密度合金。因此，相當(dāng)多的航空發(fā)動機部件開始考慮使用耐高溫鈦合金材料。TA15 是一種耐高溫鈦合金材料，可以在500～550℃下長時間工作，短時工作溫度可達到800℃，用作飛行器承力結(jié)構(gòu)可以滿足耐高溫、高承載、輕質(zhì)化的設(shè)計要求[1]。本文分析了采用TA15 鍛制渦輪軸承座的優(yōu)劣性，介紹了TA15 鍛制毛坯的技術(shù)要求和主要制造問題，期望對設(shè)計和制造領(lǐng)域提供有利指導(dǎo)。

1 渦輪軸承座結(jié)構(gòu)

圖1 為某型航空發(fā)動機渦輪軸承座結(jié)構(gòu)示意圖，其主要特征為內(nèi)環(huán)和外環(huán)的尺寸跨度較大，內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間有一個傾斜壁過渡，同時設(shè)計有安裝孔、回油孔等結(jié)構(gòu)要素，內(nèi)環(huán)部位安裝軸承。經(jīng)過結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，零件外表面并沒有凸起式構(gòu)型，比較適合采用鍛件制造，基本可以采用鍛制毛坯+車削+銑銷的工藝流程完成加工。

圖1 某型渦輪軸承座1/4 剖視圖

2 采用TA15 鍛制優(yōu)劣分析

TA15 鈦合金的名義成分為Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，對應(yīng)的國外牌號為BT20（俄羅斯）。屬于高Al 當(dāng)量的近α 型鈦合金，所以它既具有α 型鈦合金良好的熱強性和可焊性，也具有接近于α-β 型鈦合金的工藝塑性。具有中等的室溫、高溫強度，以及良好的熱穩(wěn)定性。

在早前的航空發(fā)動機型號中，渦輪軸承座也曾采用高溫合金GH4169 材料制備。但GH4169 材料密度較高，為8.24g/cm3。而TA15 鈦合金材料的材料密度較低，為4.45g/cm3。所以采用TA15 材料后零件重量可以降低40%以上，具有相當(dāng)可觀的收益。

與高溫合金相比，鈦合金力學(xué)性能指標(biāo)相對較低，棒料的拉伸性能對比如表1[2-3]所示。為了縮小力學(xué)性能上的短板，在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中需要注重對渦輪軸承座工作載荷的優(yōu)化。如采取冷卻氣及隔熱材料降低軸承座工作溫度、優(yōu)化軸承座結(jié)構(gòu)尺寸及轉(zhuǎn)折部位圓角等措施。本文中渦輪軸承座進行了加載溫度場的三維強度仿真分析，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后，其最大工作載荷為284MPa，滿足強度設(shè)計要求。

表1 高溫拉伸性能對比

渦輪軸承座徑向尺寸梯度較大，為了節(jié)省材料和成本，也曾使用過鑄造工藝進行加工。雖然鑄造工藝可實現(xiàn)近凈成形，但鑄造過程會在產(chǎn)品的表面及內(nèi)部產(chǎn)生缺陷，由于高溫鈦合金含有的合金化元素較多，使其在澆鑄時流動性差，極易在薄壁筋條的表面及內(nèi)部出現(xiàn)偏析、疏松、縮孔等缺陷。而鍛制毛坯性能更好，內(nèi)部缺陷少，一般來說同種材料下的鍛件拉伸力學(xué)性能比鑄件更加優(yōu)異。

綜上所述，渦輪軸承座采用TA15 鍛制工藝具有重量輕、毛坯性能好的優(yōu)勢。

3 毛坯制備要求

鍛制毛坯主要尺寸如圖2 所示。為了從毛坯本體取樣進行力學(xué)性能試驗,毛坯尺寸需留有余量。

圖2 鍛制毛坯圖

沿纖維縱向切取的試樣，其室溫力學(xué)性能應(yīng)符合表2 性能要求。鍛件熱處理后其500℃高溫力學(xué)性能應(yīng)符合表3 性能要求。

表2 室溫拉伸性能要求

表3 高溫拉伸性能要求

從鍛制后毛坯的本體取樣進行力學(xué)性能試驗，鍛件的室溫拉伸、500℃拉伸性能全部滿足技術(shù)條件要求，并且拉伸強度都有比較大的富裕量。鍛件的室溫抗拉強度超過指標(biāo)40MPa～100MPa，屈服強度超過指標(biāo)61MPa～151MPa，鍛件的室溫拉伸延伸率也與指標(biāo)相比有較多的富裕量。

4 加工中的問題

（1）加工完成后，零件部分尺寸存在超差。而且零件靜置一段時間后，復(fù)測尺寸還會出現(xiàn)與前期測量結(jié)果不一致的情況。除了加工中機械設(shè)備的精度和人為操作因素外，這種尺寸變形問題應(yīng)該與鍛件的殘余應(yīng)力大有關(guān)，但是目前的水平，尚很難達到對鍛坯、鍛件、零件各階段殘余應(yīng)力的準(zhǔn)確評估。引起殘余變形的主要原因是鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)低，僅為鋼的1/3，加熱過程中極易造成溫度的不均勻分布，從而在熱處理后引起較大的殘余變形[4]。

（2）在去應(yīng)力退火工藝上，大多數(shù)工廠使用的去應(yīng)力退火工藝取自手冊數(shù)據(jù)，而手冊中的這些數(shù)據(jù)有些是經(jīng)過試驗研究驗證過的，有些是引自國外的性能數(shù)據(jù)手冊，以去應(yīng)力退火溫度為例，往往給出的是一個溫度范圍，工廠一般選取中間值溫度作為退火溫度，是否最優(yōu)缺乏數(shù)據(jù)支持。

（3）雖然鍛件取樣的力學(xué)性能試驗結(jié)果滿足制造標(biāo)準(zhǔn)要求，但是仍然低于同材料棒材的力學(xué)性能數(shù)據(jù)。不同取樣部位的力學(xué)性能數(shù)據(jù)存在一定差異，這也給零件的強度仿真計算分析的準(zhǔn)確性帶來一定影響。

5 解決措施建議

（1）深入進行渦輪軸承座用TA15 合金材料與鍛件制備工藝及應(yīng)用技術(shù)研究，包括：合金成分的優(yōu)化與控制、鍛件制備與熱處理工藝優(yōu)化研究、零件加工與表面處理工藝等，加強考核驗證試驗，提升材料與鍛件的冶金質(zhì)量、冶金質(zhì)量穩(wěn)定性，進一步完善鍛件標(biāo)準(zhǔn)。

（2）在鍛件殘余應(yīng)力的研究上，應(yīng)開展零件表面殘余應(yīng)力和零件解剖后殘余應(yīng)力測量研究，廣泛開展試驗積累加工用數(shù)據(jù)，進一步保證零件加工質(zhì)量。

6 結(jié)語

本文以渦輪軸承座為例，介紹了TA15 鍛制毛坯的技術(shù)要求和加工問題。從毛坯的本體取樣力學(xué)性能測試結(jié)果看，TA15 鍛制毛坯基本滿足設(shè)計使用需求。雖然在加工制備過程中還存在一定的問題，但隨著研究的進一步深入和數(shù)據(jù)的積累，問題將逐步得到改善和解決。隨著航空發(fā)動機性能不斷提升的需求，鈦合金材料與鍛件制備技術(shù)在整機減重設(shè)計領(lǐng)域仍有廣闊的應(yīng)用前景。