本发明属于钛合金叶片制备，具体涉及一种tc4合金径锻棒材制备压气机叶片的加工方法。
背景技术：
1、tc4合金是美国于1954年开发的一种α+β合金。由于其比强度高、耐腐蚀性优异和工作温度范围高等优点，已广泛应用于航空、航天、武器、汽车、能源、医疗设备和体育器材等领域。tc4合金在航空发动机中的应用主要是风扇和压缩机盘、叶片以及各种类型的紧固件。tc4压气机叶片是航空发动机的关键零件之一，通常用于极其复杂和恶劣的条件下，承受着巨大的气动应力、离心应力和温度载荷。与其他零件相比，叶片不仅结构复杂、精度要求高，加工工序繁复，对其力学性能的均衡性以及疲劳寿命都提出了很高要求。
2、目前生产航空发动机叶片主要使用的是通过轧制加工制备的tc4小规格棒材。最近的研究文献报道了通过径锻加工制备的tc4小规格棒材相比于轧制棒材具有更高的强度和力学性能的均匀一致性。而且由于径锻棒材的晶粒更加细小，有利于后续叶片的加工中的晶粒控制。因此，使用径锻棒材有望制备性能更佳的压气机叶片。然而，径锻棒材的织构强度较高，在叶片精锻过程中，由于变形的累积容易产生“宏区”，影响叶片的保载疲劳性能。
3、通过精锻加工生产钛合金叶片效率高，省去了大量的机械加工，能够极大地节约原材料，保证了叶片表面的完整性和金属流线的连续性，提高了叶片的强度和疲劳寿命，能够满足航空发动机对叶片的高性能指标要求。现有的精锻工艺往往采用四火精锻成型，如图1所示：钛合金棒材下料制成圆柱形原料棒坯1，然后通过加热挤杆制备出挤压件2，再通过加热镦粗制备镦头件3，最后通过加热预锻和加热终锻依次制备出预锻件4和终锻件5即叶片毛坯。多火次锻造对叶片材料晶粒的控制，织构的演变均有影响。特别是挤杆过程中，棒材沿轴向进行减径变形，进一步加剧了<10-10>//轴向的丝织构，容易形成织构“宏区”，影响成品叶片的疲劳性能。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种tc4合金径锻棒材制备压气机叶片的加工方法。该方法使用改造挤压模具对tc4合金径锻棒材进行电辅助加热变形，提升了坯料的高温塑性，并控制挤杆变形为恒温慢速变形，减少了坯料的变形能量，调控叶片内的织构强度，避免出现织构“宏区”，改善了叶片的疲劳性能，延长叶片的使用寿命，解决了现有四火精锻成型加剧形成织构“宏区”影响成品叶片的疲劳性能的难题。
2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种tc4合金径锻棒材制备压气机叶片的加工方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
3、步骤一、从tc4合金径锻棒材上切取圆柱形坯料，并对圆柱形坯料圆周面喷涂防氧化涂料；
4、步骤二、将步骤一中喷涂后的圆柱形坯料放置于改造挤压模具中，然后开通电源，通过交流电对模具和坯料同时进行电阻加热，并通过红外测温装置测量坯料温度，当坯料温度到达变形温度后保温，接着进行挤杆变形，完成挤压件制备，并保持变形温度，获得加热态挤压件；
5、步骤三、将步骤二中的加热态挤压件卸载并取出，然后放置于镦头模具中进行冲压，空冷后获得镦头件；
6、步骤四、将步骤三中的镦头件依次进行加热预锻和加热终锻，制备得到叶片毛坯，然后经切边、化铣、振动光饰、热处理，获得压气机叶片。
7、叶片用小规格径锻tc4棒材虽然晶粒更加细小，抗拉强度和屈服强度远超轧制棒材，但是其织构很强，边部和心部的极密度分别为7.81和6.84，如图2所示。这种强织构在棒材坯料挤杆变形过程中进一步强化，极易形成“宏区”组织，影响成品叶片的疲劳性能。针对该技术难题，本发明以tc4合金径锻棒材为原料切取坯料，且坯料重量偏差控制在±2g以内，通过改造挤压模具，采用电辅助加热变形的方式对tc4合金径锻棒材进行挤杆变形，由于通过交流电对模具和坯料同时进行电阻加热，坯料在电致塑性效应的影响下，电流能够冲击消弭位错，使得坯料的高温塑性得到了提升，流变抗力减小；由于模具和坯料同时升温，挤杆变形为恒温慢速变形，作用于坯料的变形能量大大减少，有效避免了强织构的形成，改善了叶片的疲劳性能，延长压坯的使用寿命。
8、此外，现有的钛合金叶片四火径锻工艺中，镦头加工过程需要对挤压件进行加热保温，但是挤压件的细杆部位在镦头过程中未发生变形，细杆部位的晶粒尺寸在该过程中迅速长大粗化，影响叶片性能。针对给技术难题，本发明的挤压变形采用恒温变形，且变形后获得的加热态挤压件可直接转移至镦头模具进行镦头变形，避免了二次加热过程，简化了叶片的精锻流程。
9、上述的一种tc4合金径锻棒材制备压气机叶片的加工方法，其特征在于，步骤二中所述改造挤压模具采用钨基金属陶瓷材料，包括配套的上模具和下模具，所述上模具和下模具外均设置有铜电极，且铜电极均与电源相连，所述改造挤压模具还包括控制系统。本发明的改造挤压模具采用钨基金属陶瓷材料，通常由w、pt、zrc组成，具有耐高温和抗氧化的特性，适用于电辅助加热的挤杆变形工艺。
10、上述的一种tc4合金径锻棒材制备压气机叶片的加工方法，其特征在于，步骤二中所述电阻加热的加热速率为10℃/s，所述到达变形温度后保温的时间为1min。通过采用较快的加热速率，并在到温后保温1min使得坯料各部分温度一致，大大节省了加热时间。
11、上述的一种tc4合金径锻棒材制备压气机叶片的加工方法，其特征在于，步骤二中所述挤杆变形为恒温变形，变形温度为相变点下20℃-30℃，变形速率为2mm/s～3mm/s。本发明通过控制挤杆变形温度，使得该温度区间内tc4合金径锻棒材坯料的流变抗力进一步减少，有利于慢速挤杆变形的完成和模具使用寿命的延长；同时，通过控制变形速率为2mm/s～3mm/s，即采用慢速变形，使得挤杆变形使用的压力降低，作用于坯料的能量减少，没有足够能量使得晶粒偏转形成强织构，进一步避免出现织构“宏区”。此外，虽然较高的变形温度会加快晶粒长大的速率，但本发明采用的电辅助加热变形的加热速率快，从升温至变形结束的总时间在3min内，不会对叶片的显微组织产生不利影响。
12、本发明与现有技术相比具有以下优点：
13、1、本发明以tc4合金径锻棒材为原料，采用电辅助加热变形的方式对tc4合金径锻棒材进行挤杆变形，使得模具和坯料同时进行电阻加热，提升了坯料的高温塑性，将原有快速冲压的挤杆变形为恒温慢速变形，减少了坯料的变形能量，有效避免了强织构的形成，改善了叶片的疲劳性能，延长压坯的使用寿命。
14、2、本发明采用tc4合金径锻棒材为原料，该原料棒材的初始晶粒更加细小，强度更高，棒材力学性能更加均匀一致，经挤杆变形及锻造或制备的叶片性能更好。
15、3、本发明将挤杆变形和镦头变形通过一次加热完成，不仅缩短了加工流程，提高了叶片加工的效率，而且避免了细杆区域的空烧，改善了叶片组织。
16、下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
1.一种tc4合金径锻棒材制备压气机叶片的加工方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种tc4合金径锻棒材制备压气机叶片的加工方法，其特征在于，步骤二中所述改造挤压模具采用钨基金属陶瓷材料，包括配套的上模具(1)和下模具(2)，所述上模具(1)和下模具(2)外均设置有铜电极(3)，且铜电极(3)均与电源(5)相连，所述改造挤压模具还包括控制系统(4)。
3.根据权利要求1所述的一种tc4合金径锻棒材制备压气机叶片的加工方法，其特征在于，步骤二中所述电阻加热的加热速率为10℃/s，所述到达变形温度后保温的时间为1min。
4.根据权利要求1所述的一种tc4合金径锻棒材制备压气机叶片的加工方法，其特征在于，步骤二中所述挤杆变形为恒温变形，变形温度为相变点下20℃～30℃，变形速率为2mm/s～3mm/s。
