一家专注流体压力成形技术
【作 者】魏志坚;李金山;杨艳慧;吕楠;王建国
【引 言】
机匣是航空发动机的主要承力件，也是形成发动机气流通的主要构件，其结构和承载情况十分复杂，多采用高温合金和钛合金制造。其中，进气机匣、风扇机匣、部分高压压气机机匣等近1/3的冷端部分机匣均采用高比强的钛合金制造[1-5]。
航空发动机工作时，机匣不仅本身承受高温、高压、离心力等各种负荷，还要传递转、静子的复杂负荷，是发动机中所承受载荷最复杂的构件之一，极易产生变形，进而影响转、静子间隙，造成发动机效率降低和性能衰减。因此，除了高强度，机匣还要求具备高刚度的特性。然而，前期的研究工作更侧重于机匣的强度要求，包括机匣选材、成形工艺对材料强度的影响等[6-10]，缺乏对发动机机匣使用中变形控制的系统研究。实际上，环形件作为航空发动机机匣类锻件，其在成形及热处理过程中均会在材料内部产生一定的残余应力，并在各工步逐步积累，最终残留在成品零件中[11]。已有研究表明[12,13]，毛坯锻件初始残余应力的释放和重新分布是零件加工和使用过程中变形的重要原因之一。因此，为了有效控制和减小机匣在使用过程中发生的偏离发动机轴线的变形，需要尽可能减小机匣毛坯锻件内的残余应力。另外，针对机匣使用中产生不圆度的变形，还需要尽可能地使机匣毛坯锻件内的残余应力沿周向均匀分布。常用的减小和均化残余应力的方法主要有“高温退火”和“振动时效”方法。高温退火去应力法，由于要采用较高的温度，会使环件具有晶粒粗化倾向从而降低强度，不适用于机匣环件的高强度要求。西北工业大学对振动时效消除GH4169合金辗扩成形环件的残余应力进行的试验研究发现，振动时效可适当消减环件端面的残余应力，对周向应力没有消减作用。另外，振动去应力方法，作为一种新技术[14-16]，一方面，该技术的许多工艺方法尚处于探索阶段；另一方面，该工艺在材料本身模量较大的高温合金、钛合金等材料中的应用尚少见报道。
【结 论】
1) 环件经胀形进入塑性状态后，环件内会附加周向拉应力σθ、径向压应力σr和轴向拉应力σz，且由环件内壁到外壁其应力范围分别为：σθ：（0.892σs~σs）；σr：（–0.108σs~0）；σz：（0.392σs~0.5σs）。
2) 采用绘制雷达图的方式可对环形件残余应力大小和分布均匀性进行表征和分析，TC4合金环件A、B表面残余应力均为残余压应力，–50~–150 MPa范围内波动。
3) 胀形可实现辗轧环件的残余应力调控，经胀形处理后环件残余应力均值整体略小于环B，周向应力较轴/径向应力的降幅更加显著，内环面与上端面周向应力经胀形后应力均值降幅分别达24.8%与20.2%。
4) 环A各测试区域残余应力雷达图八边形内角标准差、应力数值标准差以及极差整体低于环B，其中上端面均匀性评价指标的差异性最显著。
5) 采用极差、标准差和内角标准差对各测试面残余应力分布均匀性对比发现，经胀形处理的环A下端面上的周向残余应力 σθ分布均匀性较未胀形处理的环B差。其原因可能是该部位残余应力本身较大（–100~ –150 MPa），本文胀形工艺采用的胀形量约2%不能对环件内残余应力高于–100 MPa 的部位产生明显应力调控效果。
以下是正文：
