정밀 제어 기술: 터빈 블레이드의 등온 단조 및 품질 보증
TiAl 합금의 제한된 열가소성으로 인해 고온 및 매우 낮은 변형률에서 단조해야 합니다. 등온 단조 장비는 상대적으로 등온 환경과 느린 변형률을 제공할 수 있습니다. 기존의 TiAl 블레이드 단조 공정은 주조 빌렛 또는 압출 바를 부분적으로 단조하여 단조 빌렛으로 만든 후 추가로 예비 단조를 준비하고, 예비 단조와 최종 단조를 거쳐 블레이드를 준비하는 공정이다. 이러한 방식으로 독일의 Rolls-Royce BR715 HPC 블레이드는 3-단계 등온 단조로 제작되고, 최종 부품은 열처리 및 기계 가공으로 준비됩니다(그림 1).
그림 1 블레이드 단조 단계(a) 및 가공 블레이드(b)
도 1에 도시된 블레이드. 2는 Thyssen Company가 그림 1에 표시된 경로를 사용하여 Rolls Royce용으로 생산한 Ti45AL8NB0.65(B, C) 압축기 블레이드입니다. 2a는 고온 강도가 우수합니다. MTU는 2016년 A320 여객기 PW1100G-JM 엔진에 단조 TNM 저압 터빈 블레이드를 적용해 첫 비행을 완료했다고 발표했다. 단조 TiAl 합금 블레이드는 응용 가능성이 매우 높으며, 2015년 현재 10000 단조 TNM 합금 블레이드가 PW1100G 엔진용으로 조립되었습니다. TNM 합금은 우수한 열간 가공 특성을 나타내며, 2회 주조 빌렛 단조 및 후속 열처리를 통해 이상적인 미세 구조와 포괄적인 기계적 특성을 얻습니다.
그림 2 Thyssen에서 Rolls-Royce를 위해 제작한 Ti45Al8Nb0.5(B,C) 블레이드
생산 효율성을 높이기 위해 압출 쇼트바 빌렛을 Ti-45Al-5Nb-0.2B-0.2C(TNB-V4)로 직접 단조했습니다. Rolls-Royce E3E 테스트 엔진의 합금 HPC 블레이드. 수율을 더욱 높이고 경제성을 높이기 위해 여러 블레이드 부품(특히 소형 압축기 블레이드)을 한 번에 단조할 수 있는 금형을 설계했습니다. 30개의 동일한 캐비티가 직경 Φ600mm의 몰리브덴 디스크에 가공되었습니다. 프레스 외부에서는 하부 다이에 프리폼 부품이 적재되고, 다이와 블랭크 전체가 프레스 챔버에 배치되어 등온 단조를 위해 단조 온도까지 가열됩니다. 이 방법을 사용하면 한 번에 30개의 블레이드를 단조할 수 있습니다(그림 3).
그림 3 여러 개의 사전 단조 부품이 있는 금형(a) 및 단조 후 블레이드(b)
등온 단조는 TiAl 블레이드의 성형이 어려운 문제를 효과적으로 해결할 수 있지만 금형과 단조품을 1150도까지 가열하기 때문에 장기 단조 공정에서 부품의 온도 손실을 방지하기 위해 금형은 몰리브덴 합금으로 만들어집니다. 높은 내열성. 금형 재료가 산화되는 것을 방지하기 위해 단조 챔버에는 진공 또는 불활성 가스가 필요합니다. PW1134G 엔진의 TNM 합금 저압 터빈 블레이드도 몰리브덴 합금 금형을 사용한 진공 등온 금형 단조로 제작되었습니다. 독일 GKSS 연구 센터는 직접 가공을 위해 밀봉된 압출 TNB 합금을 사용하거나 등온 단조와 결합하여 고압 압축기 TiAl 합금 블레이드를 만들었으며 이는 고압 압축기 TiAl 합금 블레이드의 주요 준비 방법이 되었습니다.
TETSUI T et al. Ti-42Al-5Mn(%, 질량 분율)로 구분되는 새로운 TiAl 합금을 발명했습니다. 제조 공정은 그림 12와 같이 잉곳을 1300°C로 가열하여 열처리하고 단조 또는 압연을 위해 약 1200°C로 냉각하는 전통적인 열간 가공을 사용합니다. 이 가공 방법은 일반 열간 금형과 동일합니다. 단조 성형 방식으로 블레이드 제조 공정이 바의 열간 압출 공정을 줄이고 비용을 크게 절감하며 더 큰 부품을 제조할 수 있습니다. 단조 블레이드는 매우 미세한 미세 구조를 가지고 있어 중온 및 저온에서 인장 강도가 매우 높습니다. 그러나 상의 영향으로 이 합금의 고온강도가 현저히 떨어지므로 터보차저 등 장기간 고온부품에는 사용하기 어려우며, 저온 또는 단기고온 블레이드에 더 적합하다. 부분품.
그림 4 미쓰비시 중공업에서 제작한 TiAl 합금 블레이드
(a) 및 그 속성(b)
TiAl 합금 블레이드의 등온 금형 단조 공정의 다단계 시뮬레이션은 유한 요소 시뮬레이션을 통해 수행됩니다. 이를 통해 재료 유변학 법칙을 효과적으로 숙지하고 공정 매개변수의 영향을 분석하며 공정 및 금형 설계를 최적화할 수 있습니다. 동시에 유한 요소 시뮬레이션은 생산 주기를 단축하고 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 TiAl 합금 블레이드의 단조 성형 법칙에 대한 지식을 심화하고 블레이드의 성형 공정을 최적화하는 데 중요한 지침이 됩니다. Xin Jingjing et al. 높은 Nb-TiAl 합금 블레이드의 등온 단조 공정을 시뮬레이션하기 위해 Deform-3D 유한 요소 소프트웨어를 사용하여 다음과 같은 결론에 도달했습니다. 등온 단조에서 블레이드 본체와 블레이드 장부의 등가 변형률 분포는 균일하며, 상부 다이 압축 속도와 예열 온도가 증가함에 따라 변형 중 매체 유효 힘이 감소하여 동적 재결정이 발생하는 데 도움이 됩니다. Nb-TiAl 합금 블레이드의 단조 품질은 상부 다이의 프레스 속도가 1.0 ~ 1.5 mm·s-1이고 예열 온도가 1250 ~ 13일 때 향상될 수 있습니다. 00 학위 . Guan Honget al. Ti{11}}Al-2.5V-1.0Cr-0.3Ni 블레이드 등온 단조를 제작했습니다. 결과는 사전 단조와 최종 단조를 결합한 TiAl 합금의 등온 단조가 가능하다는 것을 보여줍니다. Tial 합금의 가열 온도는 1200~1250도이며, 이송 과정에서 온도가 너무 빨리 떨어지지 않도록 샘플을 케이싱으로 보호해야 합니다. 변형률은 0.02~0.07mm·s-1이며, 변형률은 20%~40%로 제어된다. 최근 우리 팀과 AVIC Power Co., Ltd.는 시뮬레이션과 테스트 검증을 결합하는 방법을 공동으로 채택하고 Deform-3D 유한 요소 시뮬레이션 소프트웨어를 통해 적절한 공정 매개변수를 얻었으며 거의 등온 단조로 TNM 합금 블레이드를 준비했습니다. Ni3Al 몰드를 사용한 기술(그림 5)은 블레이드의 다양한 단면 프로파일을 비교했습니다. 유한 요소 시뮬레이션을 통해 근등온 단조 공정의 예측 정확도는 90% 이상일 수 있습니다. 전통적인 (진공) 등온 단조 공정과 비교하여 효율성이 높고 진공이 없으며 정밀한 형상 제어가 쉽고 공정 비용이 낮다는 장점이 있습니다.
그림 5 시뮬레이션된(a) 및 실제(b) 등온에 가까운 단조 블레이드
저온에서 TiAl 합금의 단조 성능을 조사하기 위해 WANG X et al과 ZHANG H et al은 유한 요소법을 사용하여 저온에서 고 Nb 함량 TiAl 합금 블레이드의 등온 금형 단조 공정을 분석하고 높은 NB를 성공적으로 준비했습니다. - 표면 품질과 성능이 높은 합금 블레이드(그림 6). TiAl 합금 블레이드의 성형 공정 중, 예비 성형된 부품의 형상 및 크기를 최적화함으로써 블레이드의 폴딩 불량을 방지하고 블레이드의 성형력을 감소시킬 수 있다. 온도가 1000도보다 낮을 경우 단조온도와 변형율은 등온단조 블레이드의 유효변형률 분포에 거의 영향을 미치지 않는다. 단조 온도가 증가하고 변형률이 감소함에 따라 단조 블레이드의 최종 유효 응력은 감소하고 그 분포는 점차 균일해집니다. 고 Nb-TiAl 합금 블레이드는 0.01 mm·s-1 미만의 변형 속도와 950도 미만의 온도에서 성공적으로 제조되었으며 블레이드에 거시적인 균열이 형성되지 않았습니다. 동시에 하얼빈공업대학은 진공 등온 단조 및 등온 압출 기능을 실현할 수 있는 최초의 진공 등온 열간 가공 장비를 개발했으며 TiAl 합금 등온 단조 부품 준비에 사용되었습니다. 이 장치는 TiAl 합금의 등온 변형에 사용될 수 있을 뿐만 아니라 분말 초합금 디스크 부품 준비에 중요한 응용 가치를 가지고 있습니다.
그림 6 저온 등온 단조 공정으로 제조된 고 Nb-TiAl 합금 블레이드
TETSUI T et al. Ti-42Al-5Mn(%, 질량 분율)로 구분되는 새로운 TiAl 합금을 발명했습니다. 제조 공정은 그림 12와 같이 잉곳을 1300°C로 가열하여 열처리하고 단조 또는 압연을 위해 약 1200°C로 냉각하는 전통적인 열간 가공을 사용합니다. 이 가공 방법은 일반 열간 금형과 동일합니다. 단조 성형 방식으로 블레이드 제조 공정이 바의 열간 압출 공정을 줄이고 비용을 크게 절감하며 더 큰 부품을 제조할 수 있습니다. 단조 블레이드는 매우 미세한 미세 구조를 가지고 있어 중온 및 저온에서 인장 강도가 매우 높습니다. 그러나 상의 영향으로 이 합금의 고온강도가 현저히 떨어지므로 터보차저 등 장기간 고온부품에는 사용하기 어려우며, 저온 또는 단기고온 블레이드에 더 적합하다. 부분품.
