CN102615284A

CN102615284A - 双组织涡轮盘的制造方法

Info

Publication number: CN102615284A
Application number: CN2012101247040A
Authority: CN
Inventors: 宁永权; 姚泽坤
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2012-04-26
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2032-04-26
Also published as: CN102615284B

Abstract

本发明公开了一种双组织涡轮盘的制造方法，用于解决现有的盘缘与盘毂晶粒度梯度小的技术问题。技术方案是首先制备粉末高温合金材料，再进行包套、锻前热处理、近等温锻造、细晶热处理和梯度热处理，制造出双组织涡轮盘。由于经过锻前热处理，使涡轮盘具备ASTM 13级晶粒度，优先满足了盘心部分对细晶粒度要求；经过梯度热后处理，使盘缘部位晶粒显著长大至ASTM 3级晶粒度，而后满足盘缘部分对粗晶粒度的要求。与背景技术文献1的制造方法相比，增加了细晶热处理工艺、加大了梯度热处理时的温度梯度，显著增大了盘心与盘缘部位的晶粒度梯度。

Description

双组织涡轮盘的制造方法

技术领域

本发明涉及一种涡轮盘的制造方法，特别涉及一种双组织涡轮盘的制造方法。

背景技术

文献1“刘建涛，陶宇，张义文，张国星.FGH96合金双性能盘的组织与力学性能.材料热处理学报，2010，31：71-74”公开了一种采用“粉末制备→热等静压制坯→等温锻造成形→双组织热处理”制造双性能盘的方法。此涡轮盘的盘缘部位为ASTM 5-6级晶粒度的粗晶组织，盘毂部位为ASTM 10-11级晶粒度的细晶组织。盘缘和盘毂部位得到了晶粒度梯度，但双性能未完全达到预期目标。原因在于盘缘不具有ASTM 3级或者更粗的晶粒度、盘毂不具备ASTM 12级或者更细的晶粒度。

参照图6。文献2公开号是CN101845541A的中国发明专利公开了一种双合金盘类件梯度热处理装置，该装置由梯度热处理炉和水冷装置组成。梯度热处理炉由两个半圆炉体构成，依靠电阻带对盘件进行辐射加热；通过一个固定在炉体上端的冷却箱，依靠冷却水带走热量，获得温度梯度。受到炉体结构和水冷装置冷却效率低的限制，此装置不能再更高的温度上获得更大的温度梯度。仅能对压气机盘(通常由钛合金制造)进行梯度热处理(处理时盘缘加热温度在900℃左右)，而无法对涡轮盘(通常由高温合金制造)进行梯度热处理(处理时盘缘温度在1100℃以上)。

发明内容

为了克服现有的盘缘与盘毂晶粒度梯度小的不足，本发明提供一种双组织涡轮盘的制造方法。该方法采用细晶热处理工艺、加大梯度热处理时的温度梯度，可以使盘心部位晶粒度更细、盘缘部位晶粒度更粗，进而增大盘心与盘缘部位的晶粒度梯度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种双组织涡轮盘的制造方法，其特点是包括以下步骤：

(a)将以下组分的Ni基粉末高温合金进行真空熔炼，等离子旋转电极雾化法制粉，真空脱气、包套、封焊后，在1150-1200℃下进行热等静压成型，成型压力100-200MPa，成型时间为3-5h；其组分为0.02～0.05C；2.0～2.4Al；3.8～4.2W；0.6～1.0Nb；3.8～4.2Mo；3.5～3.9Ti；15.5～16.5Cr；12.5～13.5Co；＜0.5Fe；0.006～0.015B；＜0.15Mn；0.025～0.05Zr；≤0.20Si；≤0.015P；≤0.015S；≤0.001H；≤0.005N；≤0.007O；0.005-0.01Ce；Ta 0.01-0.2，余量为镍；

(b)将经过步骤(a)制备的热等静压态粉末高温合金利用壁厚δ＝3-5mm的GH4133B高温合金进行硬包套；

(c)在1080-1140℃下，对硬包套后的坯料进行退火处理，时间是30-90min，炉冷；

(d)以5-15℃/s的加热速度将经过退火处理后的坯料加热至1100-1200℃，保温30-90min；在液压机上对坯料进行多方向锻造，模具温度为900-960℃；横梁速度为4-8mm/s，即先镦粗，变形量20-40％；再拔长，变形量20-40％；回炉加热至1100-1200℃，保温10-30min；再镦粗，变形量20-40％，再拔长，变形量为20-40％；回炉加热至1100-1200℃，保温10-30min；终锻镦粗变形，变形量30-70％；空冷；

(e)对多方向锻造后的坯料进行细晶热处理，具体工艺为以5-15℃/s加热速度将坯料加热至1080-1140℃，保温30min-90min，随炉冷却；

(f)对经过步骤(a)-(e)制备的细晶盘坯进行梯度热处理，具体工艺为盘缘部分温度为1100-1200℃，盘心部分温度为650-850℃，保温60min-120min后，随炉冷却至室温。

本发明相比现有技术的有益效果是：由于经过步骤(e)细晶热处理，使涡轮盘具备ASTM 13级晶粒度，优先满足了盘心部分对细晶粒度要求；经过步骤(f)梯度热后处理，使盘缘部位晶粒显著长大至ASTM 3级晶粒度，而后满足盘缘部分对粗晶粒度的要求。与背景技术文献1的制造方法相比，增加了细晶热处理工艺、加大了梯度热处理时的温度梯度，显著增大了盘心与盘缘部位的晶粒度梯度。

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例1制备细晶盘坯的光学显微镜(OM)照片。

图2是本发明实施例1制备细晶盘坯的透射显微镜(TEM)照片。

图3是本发明实施例1制造双组织涡轮盘过渡区的背散射电镜(EBSD)照片。

图4是本发明实施例1制造双组织涡轮盘过渡区的能谱线性扫描(EDS)分析。

图5是本发明实施例2盘形件梯度热处理装置示意图。

图5中，1-电阻带，2-热电偶，3-上冷却管道，4-循环泵，5-上冷却箱，6-导热盐，7-上炉体，8-接线柱，9-下炉体，10-下冷却管道，11-下冷却箱。

图6是背景技术一种用于双合金盘类件的电阻加热梯度热处理装置的示意图。

图6中，1-炉盖，2-热电偶，3-硅酸铝纤维，4-进水管，6-出水管，7-热电偶，8-保温盖，9-接线柱，10-接线柱，11-外保温层，12-炉壳，13-炉底版，14-绝热板，15-耐火炉衬，16-试样，17-热电偶固定块，18-支承隔离墙，19-电阻带，20-万向轮。

具体实施方式

以下实施例参照图1～5。

实施例1：

制备粉末高温合金材料：涡轮盘基体材料选择Ni基粉末高温合金，其成分为0.03C；2.2Al；4.0W；0.8Nb；4.0Mo；3.7Ti；16.0Cr；13.0Co；0.2Fe；0.010B；0.05Mn；0.03Zr；0.05Si；0.005P；0.005S；0.001H；0.001N；0.001O；0.01Ce；0.1Ta；余量为镍。所述Ni基粉末高温合金采用真空熔炼，等离子旋转电极雾化法制粉(粉末尺寸为50-150μm)，真空脱气、包套、封焊后，在1170℃下进行热等静压成型(压力150MPa，时间为4h)。

包套：锻前采用壁厚δ＝5mm的GH4133B高温合金进行硬包套；

锻前热处理：在1100℃下，对包套后的坯料进行退火处理，时间是1h，炉冷；

近等温锻造：以10℃/s加热速度将坯料加热至1150℃，保温30min；在THP-630A液压机上对坯料进行多方向锻造(模具温度为935℃；横梁速度为6mm/s)——具体为先镦粗，变形量30％；再拔长，变形量30％；回炉加热至1150℃，保温20min；再镦粗，变形量30％，再拔长，变形量为30％；回炉加热至1150℃，保温20min；终锻镦粗变形，变形量50％；空冷。

细晶热处理：对多方向锻造后的坯料进行细晶热处理，具体工艺为以10℃/s加热速度将坯料加热至1110℃，保温1h，随炉冷却。

从图1光学显微镜照片以及图2透射电镜照片可以看出，本实施例制备的涡轮盘坯料具有ASTM13级晶粒度。

梯度热处理：采用盘形件梯度热处理装置对细晶盘坯进行梯度热处理，其中盘缘部分温度为1150℃，盘心部分温度为750℃。

从图3双组织涡轮盘的盘心与盘缘过渡区的背散射电镜照片可以看出，细晶组织晶粒度为ASTM 13级，而粗晶组织晶粒度为ASTM 3级。从图4过渡区的能谱分析结果可以看出，“粗-细晶”组织化学成分一致，说明所述梯度热处理并未引起涡轮盘成分突变。

实施例2：

制备粉末高温合金材料：将以下组分的Ni基粉末高温合金进行真空熔炼，等离子旋转电极雾化法制粉，真空脱气、包套、封焊后，在1150-1200℃下进行热等静压成型，成型压力100-200MPa，成型时间为3-5h；其组分为0.02～0.05C；2.0～2.4Al；3.8～4.2W；0.6～1.0Nb；3.8～4.2Mo；3.5～3.9Ti；15.5～16.5Cr；12.5～13.5Co；≤0.5Fe；0.006～0.015B；≤0.15Mn；0.025～0.05Zr；≤0.20Si；≤0.015P；≤0.015S；≤0.001H；≤0.005N；≤0.007O；0.005-0.01Ce；Ta 0.01-0.2，余量为镍；

包套：将经过上述步骤制备的热等静压态粉末高温合金利用壁厚δ＝3-5mm的GH4133B高温合金进行硬包套；

锻前热处理：在1080-1140℃下，对硬包套后的坯料进行退火处理，时间是30-90min，炉冷；

近等温锻造：以5-15℃/s的加热速度将经过退火处理后的坯料加热至1100-1200℃，保温30-90min；在液压机上对坯料进行多方向锻造，模具温度为900-960℃；横梁速度为4-8mm/s，即先镦粗，变形量20-40％；再拔长，变形量20-40％；回炉加热至1100-1200℃，保温10-30min；再镦粗，变形量20-40％，再拔长，变形量为20-40％；回炉加热至1100-1200℃，保温10-30min；终锻镦粗变形，变形量30-70％；空冷；

细晶热处理：对多方向锻造后的坯料进行细晶热处理，具体工艺为以5-15℃/s加热速度将坯料加热至1080-1140℃，保温30min-90min，随炉冷却；

梯度热处理：对经过前述步骤制备的细晶盘坯进行梯度热处理，具体工艺为盘缘部分温度为1100-1200℃，盘心部分温度为650-850℃，保温60min-120min后，随炉冷却至室温。

实施例3：

本发明盘形件梯度热处理装置包括电阻带1、热电偶2、上冷却管道3、循环泵4、上冷却箱5、导热盐6、上炉体7、接线柱8、下炉体9、下冷却管道10和下冷却箱11。其中，上炉体7上布置热电偶2、上冷却箱5、上冷却管道10、导热盐6和循环泵4；下炉体9上除了布置热电偶2、下冷却箱11、下冷却管道10、导热盐6和循环泵4以外，还布置了高性能电阻带1(0Cr27A17Mo2铁铬铝电阻带，额定加热温度1400℃，额定加热率10℃/s)，对盘形件的盘缘部位进行辐射加热。上冷却箱3和下冷却箱11中均填充导热盐6，具体成分是质量比50％的BaCl2、30％的KCl和20％的NaCl，并布置冷却管道、通以冷却水。利用热水循环泵4控制冷却水流速度，范围是100-1000L/H。铂铑13-铂热电偶(R型)垂直布置于上炉体7、水平布置于下炉体9上，上、下炉体各安装三根。通过高性能电阻带1对盘形件的盘缘部位进行辐射加热，通过上冷却箱5、下冷却箱11对盘心进行充分冷却，获得盘缘与盘心部位的温度梯度。

梯度热处理具体实施步骤：

装炉：移出上炉体7，装入盘形件，移入上炉体7。要求盘心部分上、下两端面与上炉体和下炉体紧密接触。

预冷却：以100L/H水流速度通水10min，预冷却导热盐及冷却箱。

热处理：打开加热电源；

温度升至300℃，关闭电源；

调节循环泵4，增大水流速度至200L/H；

10min后，打开加热电源，温度升至600℃，关闭电源；

调节循环泵4，增大水流速度至400L/H；

15min后，打开加热电源，温度升至900℃，关闭电源；

调节循环泵4，增大水流速度至700L/H；

15min后，打开加热电源，温度升至1050℃，关闭电源；

调节循环泵4，增大水流速度至1000L/H；

15min后，打开加热电源，温度升至1150℃；

60min后，关闭电源，常开循环泵4。

出炉：盘形件冷却至室温后，关闭循环泵4，移出上炉体7，取出盘形件，移入上炉体7，完成对盘形件的梯度热处理。

Claims

1.一种双组织涡轮盘的制造方法，其特征在于包括以下步骤：

(a)将以下组分的Ni基粉末高温合金进行真空熔炼，等离子旋转电极雾化法制粉，真空脱气、包套、封焊后，在1150-1200℃下进行热等静压成型，成型压力100-200MPa，成型时间为3-5h；其组分为0.02～0.05C；2.0～2.4Al；3.8～4.2W；0.6～1.0Nb；3.8～4.2Mo；3.5～3.9Ti；15.5～16.5Cr；12.5～13.5Co；≤0.5Fe；0.006～0.015B；≤0.15Mn；0.025～0.05Zr；≤0.20Si；≤0.015P；≤0.015S；≤0.001H；≤0.005N；≤0.007O；0.005-0.01Ce；Ta 0.01-0.2，余量为镍；