CN101954481B - 一种钛合金转子近净制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种钛合金转子近净成形制造方法，该方法包括如下步骤：(a)加工芯模及包套；(b)制备钛合金球形粉末；(c)装配芯模和填粉、除气；(d)热等静压处理；(e)去除包套、化铣脱模。本发明采用等离子旋转电极制备低温钛合金球形粉末，以金属材质加工芯模及包套，优化热等静压工艺参数，机械去除包套，化铣脱除芯模，可制造出复杂、薄壁、半封闭结构高性能钛合金转子。本发明制造的钛合金转子，材料性能高，已达到锻件的性能水平，成品率高，净成形叶片尺寸精度高，表面质量高，产品具有各向同性。

Description

一种钛合金转子近净制造方法
技术领域
本发明涉及粉末冶金领域，钛合金转子近净制造方法，具体涉及一种可应用于新一代大运载液体火箭氢氧发动机用复杂、薄壁结构钛合金转子结构件制造方法。
背景技术
钛合金转子应用于我国航天新一代运载火箭高性能发动机，是重要的高速旋转零部件之一，只有保证钛合金转子的强度在最高转速情况下仍具有较大的裕度，才能满足发动机的使用要求。
钛合金转子具有形状非常复杂、工矿恶劣、对材料性能及产品可靠性要求极高等特点。采用精密铸造制备钛合金转子，由于铸造工艺本身的因素，使得产品表面及内部存在大量气孔、砂眼、粘砂、缩孔、夹杂、微裂纹等缺陷，内部组织过分粗大，经过高速旋转以后，在叶片的表面或内部出现裂纹缺陷，严重时叶片会发生延迟断裂，而且叶片的尺寸精度和形位精度也达不到要求，表面粗糙度很差，产品具有各向异性，精密铸造钛合金转子无法满足使用要求。
精密铸造钛合金转子已不能满足高性能氢氧发动机的使用需求，钛合金粉末冶金技术已成为制造此类产品的重要发展方向。目前国内外针对粉末冶金钛合金技术制备运载火箭用转子的公开报道较少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种满足高性能氢氧发动机的使用需求，钛合金转子性能高，尺寸精度高，表面质量高的钛合金转子近净制造方法。
实现本发明目的的技术方案在于：一种钛合金转子近净成形制造方法，该方法包括如下步骤：
(a)加工芯模及包套：采用低碳钢机械加工芯模和包套；
(b)制备钛合金球形粉末：采用等离子旋转电极制备钛合金球形粉末，其中钛电极直径在Φ40～60mm，转速为13000～18000rpm，雾化形成钛合金球形粉，筛取收集粒度在45～150μm钛合金球形粉；
(c)装配芯模和填粉、除气：将芯模装配入包套内，固定后均匀装填步骤(b)所得钛合金球形粉，然后焊封包套盖，并在包套上焊接除气管；对包套抽取至真空度小于或等于10-3Pa，升温至650～800℃，保温5～8h；
(d)热等静压处理：将步骤(c)所得包套整体置于热等静压炉内，抽真空打压，压力在60～80MPa；然后开始升温，温度升至900～950℃，压力≥120MPa，保温保压2～3h后冷却取出包套；
(e)去除包套、化铣脱模：机械加工去除包套，直至露出钛合金与芯模界面；然后与将化铣工装连接，接通电源，以芯模为阳极、铅锑合金为阴极，采用浓度为3～25wt％的硫酸溶液，温度在10～35℃，电压在3～20V，腐蚀掉芯模，得到钛合金转子。
如上所述的一种钛合金转子近净成形制造方法，其在步骤(b)中，均匀装填钛合金球形粉是在振动台上进行2～3次的振实，每次持续时间10～30s。
如上所述的一种钛合金转子近净成形制造方法，其在步骤(e)化铣过程中施加机械搅拌，以加速脱芯模进程。
本发明的效果在于：
本发明采用等离子旋转电极制备低温钛合金球形粉末，以金属材质加工芯模及包套，优化热等静压工艺参数，机械去除包套，化铣脱除芯模，可制造出复杂、薄壁、半封闭结构高性能钛合金转子。
本发明制造的钛合金转子，材料性能高(σb≥795MPa，δ5≥11.5％)，已达到锻件的性能水平，成品率高，净成形叶片尺寸精度高(壁厚4±0.2mm)，表面质量高(表面粗糙度≥Ra3.2)，产品具有各向同性。并且采用本发明方案，工序简单，热等静压设备炉腔直径≥360mm即可，不需要大型电阻炉。
本发明制造的钛合金转子在真空环境下已顺利通过超转试验，35000rpm、持续30min，经检测叶片表面及内部均未发现任何缺陷(精密铸造件在28000rpm时，叶片根部就出现裂纹)。
附图说明
图1为制造钛合金转子装配图；
图中：1.包套；2.除气管；3.芯模；4.低温钛合金球形粉末。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种钛合金转子近净成形制造方法作进一步描述。
实施例1
本发明所述的钛合金转子近净成形制造方法步骤如下：
(a)加工芯模及包套：采用低碳钢、依据待制得的钛合金转子流道腔机械加工芯模3和包套1；考虑到后续钛合金粉末的收缩致密化，包套的内径和高度要留有一定余量。
(b)制备钛合金球形粉末：采用等离子旋转电极制备钛合金球形粉末，其中钛电极直径在Φ40mm，转速为18000rpm，雾化形成钛合金球形粉，筛取收集粒度在45～150μm钛合金球形粉；
(c)装配芯模和填粉、除气：如图1所示，将芯模3装配入包套1内，固定后均匀装填步骤(b)所得钛合金球形粉4，在振动台上进行2次的振实，每次持续时间30s。然后焊封包套盖，并在包套上焊接除气管2。将包套放置在电阻炉内，除气管2接入真空机组，抽取至真空度小于或等于10-3Pa，将包套升温至650℃，保温8h；在除气管2根部进行人工锻封。
(d)热等静压处理：将步骤(c)所得包套1整体置于热等静压炉内，抽真空打压，真空度在10-2，压力在60MPa；然后开始升温，温度升至900℃，压力≥120MPa，保温保压3h，炉冷至300℃以下取出包套1；
(e)去除包套、化铣脱模：机械加工去除包套1，直至露出钛合金与芯模界面；然后与将化铣工装连接，接通电源，以芯模3为阳极、铅锑合金为阴极，采用浓度为3wt％的硫酸溶液，温度在35℃，电压在20V，腐蚀掉芯模，得到钛合金转子。化铣腐蚀过程中施加机械搅拌，以加速脱芯模进程。对所得钛合金转子，由于叶片和流道是净成形，不需再加工。
实施例2
本发明所述的钛合金转子近净成形制造方法步骤如下：
(a)加工芯模及包套：采用低碳钢、依据待制得的钛合金转子流道机械加工芯模3和包套1；考虑到后续钛合金粉末的收缩致密化，包套的内径和高度要留有一定余量。
(b)制备钛合金球形粉末：采用等离子旋转电极制备钛合金球形粉末，其中钛电极直径在Φ60mm，转速为13000rpm，雾化形成钛合金球形粉，筛取收集粒度在45～150μm钛合金球形粉；
(c)装配芯模和填粉、除气：如图1所示，将芯模3装配入包套1内，固定后均匀装填步骤(b)所得钛合金球形粉4，在振动台上进行3次的振实，每次持续时间10s。然后焊封包套盖，并在包套上焊接除气管2。将包套放置在电阻炉内，除气管2接入真空机组，抽取至真空度小于或等于10-3Pa，将包套升温至800℃，保温5h；在除气管2根部进行人工锻封。
(d)热等静压处理：将步骤(c)所得包套1整体置于热等静压炉内，抽真空打压，压力在80MPa；然后开始升温，温度升至950℃，压力≥120MPa，保温保压2h，炉冷至300℃以下取出包套1；
(e)去除包套、化铣脱模：机械加工去除包套1，直至露出钛合金与芯模界面；然后与将化铣工装连接，接通电源，以芯模3为阳极、铅锑合金为阴极，采用浓度为25wt％的硫酸溶液，温度在10℃，电压在3V，腐蚀掉芯模，得到钛合金转子。化铣腐蚀过程中施加机械搅拌，以加速脱芯模进程。对所得钛合金转子，由于叶片和流道是净成形，不需再加工。
实施例3
本发明所述的钛合金转子近净成形制造方法步骤如下：
(a)加工芯模及包套：采用低碳钢、依据待制得的钛合金转子流道机械加工芯模3和包套1；考虑到后续钛合金粉末的收缩致密化，包套的内径和高度要留有一定余量。
(b)制备钛合金球形粉末：采用等离子旋转电极制备钛合金球形粉末，其中钛电极直径在Φ50mm，转速为15000rpm，雾化形成钛合金球形粉，筛取收集粒度在45～150μm钛合金球形粉；
(c)装配芯模和填粉、除气：如图1所示，将芯模3装配入包套1内，固定后均匀装填步骤(b)所得钛合金球形粉4，在振动台上进行3次的振实，每次持续时间20s。然后焊封包套盖，并在包套上焊接除气管2。将包套放置在电阻炉内，除气管2接入真空机组，抽取至真空度小于或等于10-3Pa，将包套升温至700℃，保温6h；在除气管2根部进行人工锻封。
(d)热等静压处理：将步骤(c)所得包套1整体置于热等静压炉内，抽真空打压，压力在70MPa；然后开始升温，温度升至950℃，压力≥120MPa，保温保压3h，炉冷至300℃以下取出包套1；
(e)去除包套、化铣脱模：机械加工去除包套1，直至露出钛合金与芯模界面；然后与将化铣工装连接，接通电源，以芯模3为阳极、铅锑合金为阴极，采用浓度为15wt％的硫酸溶液，温度在30℃，电压在15V，腐蚀掉芯模，得到钛合金转子。化铣腐蚀过程中施加机械搅拌，以加速脱芯模进程。对所得钛合金转子，由于叶片和流道是净成形，不需再加工。

Claims (3)

1.一种钛合金转子近净成形制造方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
(a)加工芯模及包套：采用低碳钢机械加工芯模(3)和包套(1)；
(b)制备钛合金球形粉末：采用等离子旋转电极制备钛合金球形粉末，其中钛电极直径在Φ40～60mm，转速为13000～18000rpm，雾化形成钛合金球形粉，筛取收集粒度在45～150μm钛合金球形粉；
(c)装配芯模和填粉、除气：将芯模(3)装配入包套(1)内，固定后均匀装填步骤(b)所得钛合金球形粉(4)，然后焊封包套盖，并在包套上焊接除气管(2)；对包套抽取至真空度小于或等于10-3Pa，升温至650～800℃，保温5～8h；
(d)热等静压处理：将步骤(c)所得包套(1)整体置于热等静压炉内，抽真空打压，压力在60～80MPa；然后开始升温，温度升至900～950℃，压力≥120MPa，保温保压2～3h后随炉冷却至300℃以下取出包套(1)；
(e)去除包套、化铣脱模：机械加工去除包套(1)，直至露出钛合金与芯模界面；然后与化铣工装连接，接通电源，以芯模(3)为阳极、铅锑合金为阴极，采用浓度为3～25wt％的硫酸溶液，温度在10～35℃，电压在3～20V，腐蚀掉芯模，得到钛合金转子。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金转子近净成形制造方法，其特征在于：在步骤(c)中，均匀装填钛合金球形粉(4)是在振动台上进行2～3次的振实，每次持续时间10～30s。
3.根据权利要求1所述的一种钛合金转子近净成形制造方法，其特征在于：在步骤(e)化铣过程中施加机械搅拌，以加速脱芯模进程。
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