CN102126023A - 一种钛合金整体叶片盘的粉末热等静压成型方法 - Google Patents

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Abstract

一种钛合金整体叶片盘的粉末热等静压成型方法。该方法包括制备模具、包套和球形钛合金粉末、将模具和粉末装入包套、对包套内部进行抽真空处理、将已抽真空的包套进行热等静压处理、机械去除包套及部分模具和利用强酸腐蚀掉其余部分模具等步骤。本发明提供的钛合金整体叶片盘的粉末热等静压成型方法是利用热等静压技术对钛合金粉末进行固结、成型并致密化，同时利用模具约束整体叶片盘上复杂叶片曲面的成型，而整体叶片盘上形状简单且易于加工的部位则由包套自由成型，从而达到利用模具一次成型复杂型面零件的目的，这样不仅能够提高零件的成型效率、钛合金材料的利用率，而且得到的零件性能均匀，机械性能优异，并且零件的致密度高达99％以上。

Description

一种钛合金整体叶片盘的粉末热等静压成型方法
技术领域
本发明属于航空宇航制造技术领域，特别是涉及一种钛合金整体片叶盘的粉末热等静压成型方法。
背景技术
整体叶片盘是上世纪80年代中期出现的一种新结构，其是将位于中部的轮盘和一端相隔距离连接在轮盘外部圆周上的多个叶片做成一体，省去了连接用的榫头、榫槽，从而可以使结构大为简化。另外，由于整体叶片盘具有结构简化、零件数量少、效率高、结实可靠等特点，因此到90年代其已经在战斗机中迅速得到推广应用，并且在本世纪初已经用于大型民用发动机中。
目前，整体叶片盘的加工有多种方法，比如精铸、锻件机加工、电化学加工和线性摩擦焊等。但是，由于上述各种加工方法存在着一定的局限性，比如铸造出的叶片存在偏析、夹杂等缺陷；锻件机加工对叶片的结构复杂程度有限制，且加工周期长、费用较高等。
热等静压是上世纪50年代发展起来的一种粉料固结、成型和热处理的新技术，其是通过将高温(2000℃)、高压(200MPa)介质同时均等地作用在材料的整个表面，从而使材料产生固结。该技术集成粉末冶金和冷等静压成型的双重优势，将粉末的成型和烧结两步作业合成一步进行，而且经过热等静压压制的制品可达到致密状态，基本上能够消除内部气孔，材料性能各向相同，从而大大地改善了产品的性能。但是，这种热等静压技术却无法成型具有复杂型面结构叶片的整体叶片盘。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供的钛合金整体叶片盘的粉末热等静压成型方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)根据整体叶片盘的形状制备出模具，该模具由相隔距离呈环状设置在中部的多个叶片模块和连接在上述多个叶片模块外端的圆环构成，同时圆环的一侧面外部边缘向外突出形成有一个楔形凸起，模具中间的空腔部分为整体叶盘片的形状；
2)根据模具1的外形尺寸制备出包套，该包套包括筒体、下盖板以及带有抽真空管的上盖板，其中下盖板安装在筒体的下端；
3)根据整体叶片盘材料的要求，利用常用的等离子旋转电极法制备出球形钛合金粉末，并筛分出100-200目区间的粉末备用；
4)将上述模具以其上凸起朝下的方式装入筒体的内部，并使凸起的边缘与下盖板的表面相接触，从而使凸起与下盖板之间形成储料的空间，然后将上述制备好的球形钛合金粉末装入筒体内，并通过机械振动或人工振动使其密实；
5)将上盖板放置在筒体的上端口处并焊接好；
6)将上述装有模具的包套置于加热炉中，然后在高温下利用真空设备通过抽真空管对包套的内部进行抽真空处理；
7)将上述已抽真空的包套置于热等静压设备中进行热等静压处理，以使球形钛合金粉末在高温高压下成型、固结并致密化而形成整体叶片盘；
8)利用机械加工方法去除包套，然后通过常规的机械加工方法将整体叶片盘上叶片及轮盘两侧面外部的易于加工的部分去除，并切除掉圆环，由此形成带有多个叶片模块的整体叶片盘；
9)利用强酸对上述带有多个叶片模块的整体叶片盘进行腐蚀，从而将所有叶片模块腐蚀掉，最终制成整体叶片盘。
所述的包套上筒体的内径比模具的外径大1mm。
所述的步骤6)中加热炉的温度为400℃；包套内部的真空度为3×10-3Pa。
所述的步骤7)中热等静压处理条件是在30分钟内使热等静压设备内温度达到500℃，保温1小时，再在30分钟内升温到900℃，并保温2小时；同时在30分钟内使热等静压设备内压力达到80MPa，保压1小时，再在30分钟内升压到150MPa，保压2小时，之后将炉温冷却至室温。
所述的步骤9)中的强酸为硫酸。
本发明提供的钛合金整体叶片盘的粉末热等静压成型方法是利用热等静压技术对钛合金粉末进行固结、成型并致密化，同时利用模具约束整体叶片盘上复杂叶片曲面的成型，而整体叶片盘上形状简单且易于加工的部位则由包套自由成型，从而达到利用模具一次成型复杂型面零件的目的，这样不仅能够提高零件的成型效率、钛合金材料的利用率，而且得到的零件性能均匀，机械性能优异，并且零件的致密度高达99％以上。
附图说明
图1为采用本发明提供的钛合金整体叶片盘的粉末热等静压成型方法成型整体叶片盘时所使用的模具结构示意图。
图2为采用本发明提供的钛合金整体叶片盘的粉末热等静压成型方法成型整体叶片盘时所使用的包套结构示意图。
图3为采用本发明提供的钛合金整体叶片盘的粉末热等静压成型方法成型整体叶片盘时将模具装入包套内结构示意图。
图4为采用本发明提供的钛合金整体叶片盘的粉末热等静压成型方法成型整体叶片盘时机械加工后的半成品结构示意图。
图5采用本发明提供的钛合金整体叶片盘的粉末热等静压成型方法生产出的整体叶片盘结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的钛合金整体叶片盘的粉末热等静压成型方法进行详细说明。
如图1-图5所示，本发明提供的钛合金整体叶片盘的粉末热等静压成型方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)根据整体叶片盘11的形状制备出如图1所示的模具1，该模具1由相隔距离呈环状设置在中部的多个叶片模块2和连接在上述多个叶片模块2外端的圆环3构成，同时圆环3的一侧面外部边缘向外突出形成有一个楔形凸起4，模具1中间的空腔部分为整体叶盘片11的形状；另外，模具1采用高温合金K418材料制成。
2)根据模具1的外形尺寸制备出如图2所示的包套5，该包套5包括筒体6、下盖板7以及带有抽真空管8的上盖板9，其中下盖板7安装在筒体6的下端；另外，包套5采用低碳钢材料制成，而筒体6的高度则由根据整体叶片盘11轴向的尺寸所需充填的钛合金粉末层的厚度来确定，包套5上筒体6的内径比模具1的外径大1mm。
3)根据整体叶片盘11材料的要求，利用常用的等离子旋转电极法制备出球形钛合金粉末10，并筛分出100-200目区间的粉末备用；
4)将上述模具1以其上凸起4朝下的方式装入筒体6的内部，并使凸起4的边缘与下盖板7的表面相接触，从而使凸起4与下盖板7之间形成储料的空间，然后将上述制备好的球形钛合金粉末10装入筒体6内，并通过机械振动或人工振动使其密实；采用球形钛合金粉末10的目的是使其便于流动，从而有利于整体叶片盘11的成型。
5)将上盖板9放置在筒体6的上端口处并焊接好，如图3所示；
6)将上述装有模具1的包套5置于加热炉中，加热炉的温度为400℃，然后在高温下利用真空设备通过抽真空管8对包套5的内部进行抽真空处理，包套5内部的真空度为3×10-3Pa。
7)将上述已抽真空的包套5置于热等静压设备中进行热等静压处理，热等静压处理条件是在30分钟内使热等静压设备内温度达到500℃，保温1小时，再在30分钟内升温到900℃，并保温2小时；同时在30分钟内使热等静压设备内压力达到80MPa，保压1小时，再在30分钟内升压到150MPa，保压2小时，之后将炉温冷却至室温，以使球形钛合金粉末10在高温高压下固结、成型并致密化而形成整体叶片盘11；
8)利用机械加工方法去除包套5，然后通过常规的机械加工方法将整体叶片盘11上叶片13及轮盘12两侧面外部的易于加工的部分去除，并切除掉圆环3，由此形成带有多个叶片模块2的整体叶片盘11，如图4所示；
9)利用40％-60％浓度的硫酸对上述带有多个叶片模块2的整体叶片盘11进行腐蚀，从而将所有叶片模块2腐蚀掉，最终制成如图5所示的整体叶片盘11。由于整体叶片盘11是由具有抗腐蚀性能的钛合金材料制成，因此其不受强酸的影响。
另外，整体叶片盘11的形状不同时，模具1的形状将不同。热等静压处理的条件需根据整体叶片盘11的材料不同而进行相应的调整。

Claims (5)

1.一种钛合金整体叶片盘的粉末热等静压成型方法，其特征在于：所述的钛合金整体叶片盘的粉末热等静压成型方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)根据整体叶片盘(11)的形状制备出模具(1)，该模具(1)由相隔距离呈环状设置在中部的多个叶片模块(2)和连接在上述多个叶片模块(2)外端的圆环(3)构成，同时圆环(3)的一侧面外部边缘向外突出形成有一个楔形凸起(4)，模具(1)中间的空腔部分为整体叶盘片(11)的形状；
2)根据模具(1)的外形尺寸制备出包套(5)，该包套(5)包括筒体(6)、下盖板(7)以及带有抽真空管(8)的上盖板(9)，其中下盖板(7)安装在筒体(6)的下端；
3)根据整体叶片盘(11)材料的要求，利用常用的等离子旋转电极法制备出球形钛合金粉末(10)，并筛分出100-200目区间的粉末备用；
4)将上述模具(1)以其上凸起(4)朝下的方式装入筒体(6)的内部，并使凸起(4)的边缘与下盖板(7)的表面相接触，从而使凸起(4)与下盖板(7)之间形成储料的空间，然后将上述制备好的球形钛合金粉末(10)装入筒体(6)内，并通过机械振动或人工振动使其密实；
5)将上盖板(9)放置在筒体(6)的上端口处并焊接好；
6)将上述装有模具(1)的包套(5)置于加热炉中，然后在高温下利用真空设备通过抽真空管(8)对包套(5)的内部进行抽真空处理；
7)将上述已抽真空的包套(5)置于热等静压设备中进行热等静压处理，以使球形钛合金粉末(10)在高温高压下成型、固结并致密化而形成整体叶片盘(11)；
8)利用机械加工方法去除包套(5)，然后通过常规的机械加工方法将整体叶片盘(11)上叶片(13)及轮盘(12)两侧面外部的易于加工的部分去除，并切除掉圆环(3)，由此形成带有多个叶片模块(2)的整体叶片盘(11)；
9)利用强酸对上述带有多个叶片模块(2)的整体叶片盘(11)进行腐蚀，从而将所有叶片模块(2)腐蚀掉，最终制成整体叶片盘(11)。
2.根据权利要求1所述的钛合金整体叶片盘的粉末热等静压成型方法，其特征在于：所述的包套(5)上筒体(6)的内径比模具(1)的外径大1mm。
3.根据权利要求1所述的钛合金整体叶片盘的粉末热等静压成型方法，其特征在于：所述的步骤6)中加热炉的温度为400℃；包套(5)内部的真空度为3x10-3Pa。
4.根据权利要求1所述的钛合金整体叶片盘的粉末热等静压成型方法，其特征在于：所述的步骤7)中热等静压处理条件是在30分钟内使热等静压设备内温度达到500℃，保温1小时，再在30分钟内升温到900℃，并保温2小时；同时在30分钟内使热等静压设备内压力达到80MPa，保压1小时，再在30分钟内升压到150MPa，保压2小时，之后将炉温冷却至室温。
5.根据权利要求1所述的钛合金整体叶片盘的粉末热等静压成型方法，其特征在于：所述的步骤9)中的强酸为硫酸。
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