CN103008616A - 一种盘类零件的包覆成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于钛合金、高温合金盘坯制造技术，涉及一种盘类零件的包覆成形方法。本发明采用逐层包覆/热机械加工法来制备钛合金、高温合金的压气机盘或涡轮盘，这种工艺方法对原材料的要求低、效率高、成本低、制备的零件组织均匀、性能稳定，适用于各种航空航天用钛合金、高温合金盘类或环类零件的制备。

Description

一种盘类零件的包覆成形方法

技术领域

本发明属于钛合金、高温合金盘坯制造技术，涉及一种一种盘类零件的包覆成形方法。

背景技术

盘类零件是高推重比涡轮发动机中压气机、涡轮中最常用的转子部件，压气机、涡轮中恶劣的工作环境，对转子部件的性能要求非常苛刻，因此，盘类结构的制造技术是发动机的关键制造技术之一。

在高推重比涡轮发动机中，常用的钛合金部件包括：风扇叶片、传动轴、机匣、压气机盘以及其它一些连接结构。其中使用钛合金的压气机盘数量较多，在低压压气机、中压压气机都可以采用钛合金叶盘。在低压压气机中，常采用钛合金来制造盘类零件，主要合金有：TC4、TC11、BT25、TC17，还包括一些高温钛合金，如Ti6242、Ti1100、IMI834、IMI685（500℃～520℃）、IMI629（550℃）等。钛合金盘类零件的成形一般采用的方法是铸造+锻造（等温锻造）。为了节省贵重金属材料，减少难加工材料的机械加工量和提高整体叶盘的疲劳强度、使用寿命，往往会采用精密等温锻造（包括超塑性锻造）作为制坯手段，例如美国GE公司采用等温锻造技术制造出了带叶片的压气机整体叶盘转子。

钛合金精密铸造是经典的近净成形工艺。与从坯料需要去除大量的价格高昂的钛合金的机械加工方法相比较，铸造具有很高的节约成本能力。另外，铸件不需要进行后续加工。铸造常常能生产出形状复杂的零件，而这些零件采用其他传统方法制造时工艺太复杂或成本太高。可是，与锻件相比，铸件必须牺牲部分强度和塑性，因此很难应用铸造的方法制造高性能的关键结构件。

在高压压气机、涡轮中，一般选用高温合金作为涡轮盘材料，目前，制造涡轮盘的主流的制备工艺方法有两种：铸造+锻造成形和粉末法。粉末高温合金涡轮盘件的生产工艺主要有粉末热挤压+超塑性锻造成形、直接热等静压成形和热等静压(HIP)+锻造成形。国外热等静压+锻造成形是粉末高温合金盘件的主要生产工艺之一。根据其锻造成形工艺的不同，又可分为：热等静压+普通模锻，热等静压+热模锻，热等静压+等温锻造，热等静压+挤压+超塑性锻造。其中热等静压+挤压+超塑性锻造工艺是利用大挤压比的变形使毛坯获得超细晶的组织结构，破碎热等静压组织中的原始颗粒边界，为随后的超塑性锻造创造了有利的组织条件，是目前粉末高温合金盘件的主要生产工艺之一。喷射沉积是另一种制备高温合金涡轮盘的制备工艺，目前还未达到实用的状态。喷射沉积的创新之处在于把液体金属的雾化（快速凝固）和雾化熔滴的沉积（动态致密固化）结合起来，以最少的工序直接从液体金属（合金）制取整体致密、成分均匀、组织细化、结构完整、接近零件最终形状的材料或坯件。喷射沉积由于采用氩气辅助，喷射沉积制备的零件均存在一定的孔隙率，还需要热等静压、挤压或锻造等后续成形工艺对其加工。

激光成形、电子束成形是近年来发展起来的两种增量成形方法，可以灵活地成形具有各种复杂形状的零件，其共同的特点是通过将金属熔化或半熔化后沉积下来实现材料堆积成形。基于激光的金属零件直接成形制造技术非常多，例如激光选区烧结(SLS-Selective Laser Sintering)、激光选区熔化(SLM-Selective Laser Melting)、激光近净成形(LENS-Laser Engineering Net Shaping)、激光增材制造（LAM-LaserAdditive Manufacturing)等。目前激光成形可以制备的最大零件尺寸达到3m×3m×1.2m。电子束成形方法是近年来发展起来的一种新型的成形方法，与激光成形相比较，它更具有特点，主要包括：最大功率高（是激光的数倍），加工出的零件或模具精度和细微特征好，可以减小加工误差并简化系统装置与控制软件的设计。电子束成形方法主要包括两种，分别是通过熔丝和熔粉的方法实现逐层铺覆成形。

已有的用于制备钛合金、高温合金压气机盘、涡轮盘的技术存在以下不足：

1.材料利用率低，锻造成形的坯料尺寸一般较大，最终成形后的零件尺寸与坯料相比较，材料的利用率偏低，而且后续的数控加工量大，周期长，成本高。锻造成形需要大吨位锻造设备，对于一些等温锻造、超塑锻造工艺，对设备的要求更高。锻造和铸造工艺分开，工艺路线长，周期长。在制造高温合金盘坯时，由于合金元素较高，容易造成元素偏析，导致零件的组织和性能不均匀；

2.采用粉末法制备压气机盘、涡轮盘，制造的工艺路线长、成本高、效率低，对设备的要求高，投入巨大。采用粉末制备压气机盘、涡轮盘，对工艺过程的要求高，否则很容易造成粉末受污染，导致零件性能的下降；

3.增量成形法可以用来制备压气机盘和涡轮盘，但其组织一般是铸态组织，组织和性能调控难度较大。现有增量成形技术一般是通过将铸造过程进行离散，将其金属坯料的熔化离散为多个局部区域的熔化，从而具有很大的优势，但是由于增量成形都是金属熔化后又凝固的铸态组织，其性能有所牺牲，因此现在很多的金属增量成形的零件的组织难于调控；

4.喷射沉积法制备涡轮盘技术是近年开发的一项新型技术，这项技术将液体金属的雾化（快速凝固）与雾化熔滴的沉积结合起来，来制备整体致密、成分均匀、组织细化、结构完整、接近零件最终形状的材料或坯料，在制备大尺寸涡轮盘零件方面还不成熟，其致密度由于氩气雾化，一般能达到99％，这对最终性能有一定的影响。

为了获得高性能、长寿命的金属零件，常规的金属零件制造工艺过程，往往对铸造坯料进行热机械加工（锻造、挤压、轧制等），而激光、电子束增量成形技术较难对已经成形的零件进行后续的热机械加工。为了客服这些不足，可以在对金属熔覆和凝固过程进行离散的同时，对金属的热机械加工（锻造、挤压、轧制等）过程进行离散，即将成形过程离散为微铸造+微热机械加工的工艺方法。也可以直接将将塑性加工过程离散之后，但是这样还需要实现对经过了塑性加工的每次增加的金属坯料与预制坯之间的连接，即实现金属坯料与预制坯之间的固态连接方式，而这种固态连接最有效的方式是通过摩擦连接（搅拌摩擦、惯性摩擦、线性摩擦、旋转摩擦），可以基于微热机械加工（微轧制、微锻造、微挤压）+微摩擦加工（搅拌摩擦加工、惯性摩擦加工、线性摩擦加工等）进行增量成形，可以称这种基于微热机械加工+微摩擦加工的金属零件增量成形方式为“固态打印成形技术”，即在金属零件成形的过程中，无论是原始坯料还是预制坯始终处于固态，具有良好的塑性。

基于微铸造+微热机械加工或微热机械加工+微摩擦连接加工的金属零件增量成形方式具有传统的金属增量成形方法所不具有的优点，可以称之为是“三高一低”的制造技术（高性能、高效率、高材料利用率、低成本），甚至可以实现飞机、轮船、发动机上的各种大型金属零部件的打印成形，在未来制造业中具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的是针对现有的制备钛合金、高温合金压气机盘、涡轮盘技术存在的一些不足，提出一种基于微铸造+微热机械加工或微热机械加工+微摩擦连接（微搅拌摩擦）包覆成形盘类零件的概念和方法，通过逐层包覆/热机械加工法来制备钛合金、高温合金的压气机盘或涡轮盘。

本发明的技术解决方案是，（1）制备成形装置，成形装置包括机架、送料和热机械加工系统及盘坯支撑系统，（1.1）机架包括上平台、下平台，上平台与下平台之间由四根支柱支撑；

（1.2）送料和热机械加工系统包括挂架、送料系统、搅拌头驱动电机及搅拌头，挂架安装在机架的上平台上，挂架底板上安装送料系统，搅拌头驱动电机安装在挂架底板的一侧，搅拌头安装在搅拌头驱动电机下方，送料系统的结构为如下之一；

（1.2.1）送料系统包括底部带喷口的熔炼坩埚、气体喷口及感应线圈，熔炼坩埚安装在挂架底板上，气体喷口位于底部带喷口的熔炼坩埚的顶部，感应线圈环绕在底部带喷口的熔炼坩埚的外部；

（1.2.2）送料系统包括挤压筒、推料杆、推料杆驱动系统及感应线圈，挤压筒安装在挂架底板上，推料杆驱动系统安装在机架的上平台上，推料杆位于推料杆驱动系统的下方，推料杆的下端伸入至挤压筒内，感应线圈环绕在挤压筒的外部；

（1.2.3）送料系统包括料筒、料筒开关、料筒驱动系统、坯料转动夹持环及感应线圈，料筒驱动系统安装在机架的上平台上，料筒安装在料筒驱动系统的下方，料筒穿过挂架底板，料筒的底部是料筒开关，料筒开关与坯料转动夹持环相接，感应线圈环绕在料筒的外部；

（1.3）盘坯支撑系统包括盘坯转动轴、盘坯转动轴驱动电机、盘坯转动轴支架、盘坯转动轴支架运动驱动系统，盘坯转动轴支架运动驱动系统安装在机架的下平台上，盘坯转动轴支架安装在盘坯转动轴支架运动驱动系统上，盘坯转动轴安装在盘坯转动轴支架上，盘坯转动轴驱动电机与盘坯转动轴相连并安装在盘坯转动轴支架上；

将成形装置置于真空室中；

（2）包覆成形

（2.1）采用机械加工的方式加工出盘坯转动轴，并安装在盘坯转动轴支架上；

（2.2）将真空室的真空度抽至1.0×10^-3Pa，当使用送料系统是上述（1.2.1）所述结构时，将棒状或块状坯料放入到熔炼坩埚中，开启感应线圈，对熔炼坩埚中的坯料进行熔炼，使坯料熔化形成熔体，通过在气体喷口中通入氩气，氩气压力为5MPa，对熔体施加压力，使坩埚中的熔体通过坩埚底部的喷口喷出，包覆到通过盘坯转动轴驱动电机驱动的盘坯转动轴上，盘坯转动轴的转动方向与送料系统到搅拌头的方向一致，其中送料系统和搅拌头的夹角角度小于180°，并通过搅拌头驱动电机驱动搅拌头对刚包覆在盘坯转动轴上的坯料进行搅拌加工，使坯料与盘坯转动轴结合在一起，盘坯转动轴旋转一圈后，盘坯转动轴支架运动驱动系统驱动盘坯转动轴支架沿盘坯转动轴的轴向平移与坩埚底部的喷口直径相同的距离，继续进行第2圈坯料的包覆，直至完成盘类零件毛坯宽度上的第1层包覆；盘坯转动轴支架运动驱动系统驱动盘坯转动轴支架沿垂直盘坯转动轴的方向向下移动，移动距离为坩埚底部的喷口直径的1/5—1/3，然后，进行第2层坯料的包覆，包覆方式与第1层相同，逐层依次进行包覆，直至完成盘类零件毛坯径向尺寸的包覆；

当使用送料系统是上述（1.2.2）所述结构时，将棒状坯料放入到挤压筒中，开启感应线圈，对挤压筒中的坯料进行加热，使其处于良好的塑性状态，通过推料杆驱动系统推动推料杆，使得推料杆将挤压筒中的坯料从挤压筒中挤出，包覆到通过盘坯转动轴驱动电机驱动的盘坯转动轴上，盘坯转动轴的转动方向与送料系统到搅拌头的方向一致，其中送料系统和搅拌头的夹角角度小于180°，并通过搅拌头驱动电机驱动搅拌头对刚刚包覆在盘坯转动轴上的坯料进行搅拌加工，使坯料与盘坯转动轴结合在一起，盘坯转动轴旋转一圈后，盘坯转动轴支架运动驱动系统驱动盘坯转动轴支架沿盘坯转动轴的轴向平移与挤压筒出口直径相同的距离，继续进行第2圈坯料的包覆，直至完成盘类零件毛坯宽度上的第1层包覆；盘坯转动轴支架运动驱动系统驱动盘坯转动轴支架沿垂直盘坯转动轴的方向向下移动，移动距离为挤压筒出口直径的1/5-1/3，然后，进行第2层坯料的包覆，包覆方式与第1层相同，逐层依次进行包覆，直至完成盘类零件毛坯径向尺寸的包覆；

当使用送料系统是上述（1.2.3）所述结构时，将多个棒状坯料放入到料筒中，每个棒状坯料的高度为直径的1-2倍，开启感应线圈，对料筒中的坯料进行预热，预热温度为坯料熔点温度的0.3-0.5倍，打开料筒开关，使一块经过预热的棒状坯料进入坯料转动夹持环，棒状坯料的顶端被坯料转动夹持环夹持住，被夹持住的棒状坯料的底部与盘坯转动轴接触，料筒驱动系统驱动料筒和坯料转动夹持环，转动速度为1000-2000转/分，使棒状坯料的底部与盘坯转动轴表面摩擦生热，同时，料筒驱动系统对料筒和坯料转动夹持环沿料筒和棒状坯料轴线方向施加一个向下的载荷，载荷在棒状坯料中产生的最大应力≤50MPa，使棒状坯料产生热机械变形，包覆到静止的盘坯转动轴上，松开坯料转动夹持环，然后，通过盘坯转动轴驱动电机驱动盘坯转动轴转过3-4d/D的弧度，其中d：棒状坯料直径，D：盘类零件毛坯的即时直径，盘坯转动轴的转动方向与送料系统到搅拌头的方向一致，其中送料系统和搅拌头的夹角角度小于180°，并同时通过搅拌头驱动电机驱动搅拌头对刚刚包覆在盘坯转动轴上的坯料进行搅拌加工，使坯料与盘坯转动轴结合在一起，然后，继续进行第2个位置点的坯料的包覆，直至盘坯转动轴旋转一圈后，完成第1圈坯料的包覆；盘坯转动轴支架运动驱动系统驱动盘坯转动轴支架沿盘坯转动轴的轴向平移与棒状坯料直径的1-1.5倍相同的距离，继续进行第2圈坯料的包覆，直至完成盘类零件毛坯宽度上的第1层包覆；盘坯转动轴支架运动驱动系统驱动盘坯转动轴支架沿垂直盘坯转动轴的方向向下移动，移动距离为棒状坯料直径的1/4-1/2，然后，进行第2层坯料的包覆，包覆方式与第1层相同，逐层依次进行包覆，直至完成盘类零件毛坯径向尺寸的包覆；

（3）将包覆成形后的盘类零件毛坯从盘坯转动轴支架上取下，通过数控加工的方法，将盘坯转动轴的芯部去除，并经过表面加工和表面处理后，制备出盘类零件。

所述的当包覆成形采用送料系统是所述（1.2.3）所述结构时，将多个棒状坯料放入到料筒中，每个棒状坯料的高度为直径的1-2倍，打开料筒开关，使一块棒状坯料进入坯料转动夹持环，棒状坯料的顶端被坯料转动夹持环夹持住，被夹持住的棒状坯料的底部与盘坯转动轴接触，料筒驱动系统驱动料筒和坯料转动夹持环，转动速度>2000转/分，使棒状坯料的底部与盘坯转动轴表面摩擦生热，同时，料筒驱动系统对料筒和坯料转动夹持环沿料筒和棒状坯料轴线方向施加一个向下的载荷，载荷在棒状坯料中产生的最大应力>50MPa，使棒状坯料产生热机械变形，包覆到静止的盘坯转动轴上。

本发明具有的优点和有益效果，本发明采用包覆/热机械加工法来制备钛合金、高温合金的压气机盘或涡轮盘，这种工艺方法对原材料的要求低、效率高、成本低、制备的零件组织均匀、性能稳定，适用于各种航空航天用钛合金、高温合金盘类或环类零件的制备。

本发明与现有的其它制备方法相比较，还具有以下优点：

1.采用熔炼成液态再进行包覆成形时，对原材料要求很低，可以是边角料，海绵钛，棒料，板料等各种形式，成本低，效率高；

2.采用熔炼成液态再进行成形时，感应熔炼坩埚系统的成本较低，而且熔炼高合金成分的零件时，熔体的成分与零件的成分一致性好。真空感应熔炼的最高温度可以达到接近3000℃，可用于制备各种难溶金属材料的零件；

3.采用熔炼成液态再包覆成形时，成分均匀性好。由于采用铸造工艺时，组织的均匀性不好，采用粉末的方法制备涡轮盘，就是为了获得均匀的成本和组织，而采用真空感应熔炼，对熔体有电磁搅拌的作用，则可以很好的保证熔池中的成分一致；

4.材料利用率高，可以实现近净成形；

5.效率高。与铸造后再锻造工艺相比较，采用包覆/热机械加工成形时，在一个设备中通过制备出了盘类零件的毛坯，该方法可以用于制备具有各种复杂形状的零件，例如：飞机壁板、飞机起落架、发动机压气机整体叶盘、传动轴、机匣、涡轮盘，甚至可用来打印成形整个飞机、轮船、汽车的大型部件；

6.制备的零件性能良好，对包覆的金属材料立刻进行了热机械加工，使得组织得到良好地调控，从而可以获得优良的性能，甚至不需要后续的热等静压工艺；

7.采用包覆/热机械加工成形时，也可以通过对局部区域的金属材料进行搅拌加工，很好地实现金属之间的连接；

8.采用包覆加工成形，可以很容易地实现双性能、双材料结构件的制备，甚至可以制备陶瓷+金属双材料结构；

9.采用包覆/热机械加工成形时，可以由于金属材料始终处于塑性状态，需要输入的能量少，大大地降低了盘坯中的热残余应力，从而减少了零件开裂的倾向；

10.将该种金属包覆成形方法改为逐层铺覆成形，还可以实现对各种具有复杂形状的高性能零件的增量成形；

附图说明

图1是本发明逐层包覆/热机械加工成形中的一种送料系统的结构示意图，其中，图1-a为送料系统主视图，图1-b为图1-a的侧视图；

图2是本发明逐层包覆/热机械加工成形中的另外一种送料系统的结构示意图，其中，图2-a为送料系统主视图，图2-b为图2-a的侧视图；

图3是本发明逐层包覆/热机械加工成形中的另外一种送料系统的结构示意图，其中，图3-a为送料系统主视图，图3-b为图3-a的侧视图，图3-c是坯料转动夹持环内部放大图。

具体实施方式：

（1）制备成形装置，成形装置包括机架、送料和热机械加工系统及盘坯支撑系统，

（1.1）机架包括上平台2、下平台3，上平台2与下平台3之间由四根支柱1支撑；

（1.2）送料和热机械加工系统包括挂架4、送料系统、搅拌头驱动电机6及搅拌头9，挂架安装在机架的上平台2上，挂架底板5上安装送料系统，搅拌头驱动电机6安装在挂架底板5的一侧，搅拌头9安装在搅拌头驱动电机6下方，送料系统的结构为如下之一；

（1.2.1）送料系统包括底部带喷口12的熔炼坩埚7、气体喷口10及感应线圈8，熔炼坩埚7安装在挂架底板5上，气体喷口10位于底部带喷口12的熔炼坩埚7的顶部，感应线圈8环绕在底部带喷口12的熔炼坩埚7的外部；

（1.2.2）送料系统包括挤压筒17、推料杆19、推料杆驱动系统18及感应线圈8，挤压筒17安装在挂架底板5上，推料杆驱动系统18安装在机架的上平台2上，推料杆19位于推料杆驱动系统18的下方，推料杆19的下端伸入至挤压筒17内，感应线圈8环绕在挤压筒17的外部；

（1.2.3）送料系统包括料筒23、料筒开关24、料筒驱动系统22、坯料转动夹持环25及感应线圈8，料筒驱动系统22安装在机架的上平台2上，料筒23安装在料筒驱动系统22的下方，料筒23穿过挂架底板5，料筒23的底部是料筒开关24，料筒开关24与坯料转动夹持环25相接，感应线圈8环绕在料筒23的外部；

（1.3）盘坯支撑系统包括盘坯转动轴13、盘坯转动轴驱动电机14、盘坯转动轴支架15、盘坯转动轴支架运动驱动系统16，盘坯转动轴支架运动驱动系统16安装在机架的下平台上3，盘坯转动轴支架15安装在盘坯转动轴支架运动驱动系统16上，盘坯转动轴13安装在盘坯转动轴支架15上，盘坯转动轴驱动电机14与盘坯转动轴13相连并安装在盘坯转动轴支架15上；

将成形装置置于真空室中；

（2）包覆成形

（2.1）采用机械加工的方式加工出盘坯转动轴13，并安装在盘坯转动轴支架15上；

（2.2）将真空室的真空度抽至1.0×10^-3Pa，当使用送料系统是上述（1.2.1）所述结构时，将棒状或块状坯料放入到熔炼坩埚7中，开启感应线圈8，对熔炼坩埚7中的坯料进行熔炼，使坯料熔化形成熔体11，通过在气体喷口10中通入氩气，氩气压力为5MPa，对熔体11施加压力，使熔炼坩埚7中的熔体通过坩埚底部的喷口12喷出，包覆到通过盘坯转动轴驱动电机14驱动的盘坯转动轴13上，盘坯转动轴13的转动方向与送料系统到搅拌头9的方向一致，其中送料系统和搅拌头9的夹角角度小于180°，并通过搅拌头驱动电机6驱动搅拌头9对刚刚包覆在盘坯转动轴13上的坯料进行搅拌加工，使坯料与盘坯转动轴结合在一起，在搅拌加工过程中，同时实现了对坯料组织的热机械加工，从而细化了晶粒，提高了金属性能，盘坯转动轴13旋转一圈后，盘坯转动轴支架运动驱动系统16驱动盘坯转动轴支架15沿盘坯转动轴13的轴向平移与坩埚底部的喷口直径相同的距离，继续进行第2圈坯料的包覆，直至完成盘类零件毛坯宽度上的第1层包覆；盘坯转动轴支架运动驱动系统16驱动盘坯转动轴支架15沿垂直盘坯转动轴13的方向向下移动，移动距离为熔炼坩埚7底部的喷口12直径的1/5-1/3，然后，进行第2层坯料的包覆，包覆方式与第1层相同，逐层依次进行包覆，直至完成盘类零件毛坯径向尺寸的包覆；

当使用送料系统是上述（1.2.2）所述结构时，将棒状坯料20放入到挤压筒17中，开启感应线圈8，对挤压筒17中的坯料20进行加热，使其处于良好的塑性状态，一般为坯料20金属熔点的07.7-0.75倍，通过推料杆驱动系统18推动推料杆19，使得推料杆19将挤压筒17中的坯料20从挤压筒17中挤出，包覆到通过盘坯转动轴驱动电机14驱动的盘坯转动轴13上，盘坯转动轴13的转动方向与送料系统到搅拌头9的方向一致，其中送料系统和搅拌头9的夹角角度小于180°，并通过搅拌头驱动电机6驱动搅拌头9对刚刚包覆在盘坯转动轴13上的坯料20进行搅拌加工，使坯料与盘坯转动轴结合在一起，在搅拌加工过程中，同时实现了对坯料组织的热机械加工，从而细化了晶粒，提高了金属性能，盘坯转动轴13旋转一圈后，盘坯转动轴支架运动驱动系统16驱动盘坯转动轴支架15沿盘坯转动轴13的轴向平移与挤压筒出口直径相同的距离，继续进行第2圈坯料的包覆，直至完成盘类零件毛坯宽度上的第1层包覆；盘坯转动轴支架运动驱动系统16驱动盘坯转动轴支架15沿垂直盘坯转动轴13的方向向下移动，移动距离为挤压筒出口21直径的1/5—1/3，然后，进行第2层坯料的包覆，包覆方式与第1层相同，逐层依次进行包覆，直至完成盘类零件毛坯径向尺寸的包覆；

当使用送料系统是上述（1.2.3）所述结构时，将多个棒状坯料20放入到料筒23中，每个棒状坯料20的高度为直径的1-2倍，开启感应线圈8，对料筒23中的坯料进行预热，预热温度为坯料熔点温度的0.3-0.5倍，打开料筒23开关，使一块经过预热的棒状坯料20进入坯料转动夹持环25，棒状坯料20的顶端被坯料转动夹持环25夹持住，被夹持住的棒状坯料20的底部与盘坯转动轴13接触，料筒驱动系统22驱动料筒23和坯料转动夹持环25，转动速度为1000-2000转/分，使棒状坯料20的底部与盘坯转动轴13表面摩擦生热，同时，料筒驱动系统22对料筒23和坯料转动夹持环25沿料筒23和棒状坯料20轴线方向施加一个向下的载荷，载荷在棒状坯料20中产生的最大应力≤50MPa，使棒状坯料20产生热机械变形，包覆到静止的盘坯转动轴13上，松开坯料转动夹持环25，然后，通过盘坯转动轴驱动电机14驱动盘坯转动轴13转过3-4d/D的弧度，其中d：棒状坯料直径，D：盘类零件毛坯的即时直径，盘坯转动轴13的转动方向与送料系统到搅拌头9的方向一致，其中送料系统和搅拌头9的夹角角度小于180°，并同时搅拌头驱动电机6驱动通过搅拌头9对刚刚包覆在盘坯转动轴13上的坯料20进行搅拌加工，使坯料20与盘坯转动轴13结合在一起，在搅拌加工过程中，同时实现了对坯料组织的热机械加工，从而细化了晶粒，提高了金属性能，然后，继续进行第2个位置点的坯料20的包覆，直至盘坯转动轴13旋转一圈后，完成第1圈坯料的包覆；盘坯转动轴支架运动驱动系统16驱动盘坯转动轴支架15沿盘坯转动轴13的轴向平移与棒状坯料直径的1-1.5倍相同的距离，继续进行第2圈坯料的包覆，直至完成盘类零件毛坯宽度上的第1层包覆；盘坯转动轴支架运动驱动系统16驱动盘坯转动轴支架15沿垂直盘坯转动轴13的方向向下移动，移动距离为棒状坯料直径的1/4-1/2，然后，进行第2层坯料的包覆，包覆方式与第1层相同，逐层依次进行包覆，直至完成盘类零件毛坯径向尺寸的包覆；

（3）将包覆成形后的盘类零件毛坯从盘坯转动轴支架15上取下，通过数控加工的方法，将盘坯转动轴13芯部去除，并经过表面加工和表面处理后，制备出盘类零件。

本发明的基本原理是将铸造或热机械加工过程离散，采用微铸造加微热机械加工（搅拌加工）或微热机械（微挤压）加微摩擦连接（微惯性摩擦连接）的方式，通过逐层包覆/热机械加工法来实现盘类金属零件的成形。该方法通过感应线圈8采用感应方式的加热坯料，使坯料熔化成熔体11或者成为处于半固态状态的坯料20，具有良好的流动性。通过气压加载、挤压成形、夹持并转动坯料块的方式，将液态或固态坯料包覆在盘坯转动轴13上，使其与盘坯转动轴13结合，为了使坯料与盘坯转动轴13进一步实现良好的结合，对刚刚包覆到盘坯转动轴13上的坯料通过搅拌头9对其进行搅拌加工，使其与盘坯转动轴13结合良好，并细化晶粒，提高金属盘坯的性能。通过转动盘坯转动轴13、可以实现对一圈盘坯转动轴13的包覆和搅拌加工，通过沿着盘坯转动轴13轴线移动盘坯转动轴13，可以实现在盘坯转动轴13整个宽度上的包覆和搅拌加工，通过不断向下移动盘坯转动轴13，可以实现在对盘坯转动轴13在径向方向的包覆和搅拌加工，从而实现对整个盘坯转动轴13的包覆和热机械加工。

在采用夹持并转动坯料块的方式时，料筒驱动系统22驱动料筒23和坯料转动夹持环25，转动速度>2000转/分，使棒状坯料20的底部与盘坯转动轴13表面摩擦生热，同时，料筒驱动系统22对料筒23和坯料转动夹持环25沿料筒23和棒状坯料20轴线方向施加一个向下的载荷，载荷在棒状坯料20中产生的最大应力>50MPa时，可以将感应加热线圈7、搅拌头9去除。

以上整个系统放置在真空室中。

实施例一：送料系统结构见图1

1.在熔炼坩埚7中加入TC4钛合金坯料，坯料的形式可以是块料、棒料等，

2.将真空室的真空度抽至1.0×10^-3Pa，

3.开启感应加热线圈8，对TC4钛合金坯料进行熔炼，将其熔炼成为熔体11，熔炼温度为1800℃，

4.在气体喷口10中通入氩气，气体压力为2MPa，通过气压加载的方式，使熔体经由熔体喷口12喷出，熔体喷口的直径为5mm，将熔化后的坯料熔体11包覆在盘坯转动轴13上，通过搅拌头9对刚刚铺覆的坯料进行搅拌加工，搅拌头9转速为800转/分钟，

5.盘坯转动轴13旋转一圈后，盘坯转动轴支架运动驱动系统16驱动盘坯转动轴支架15沿盘坯转动轴13的轴向平移5mm，继续进行第2圈坯料的包覆，直至完成盘类零件毛坯宽度上的第1层包覆，

6.盘坯转动轴支架运动驱动系统16驱动盘坯转动轴支架15沿垂直盘坯转动轴13的方向向下移动，移动距离为1mm，然后，进行第2层坯料的包覆，包覆方式与第1层相同，逐层依次进行包覆，直至完成盘类零件毛坯径向尺寸的包覆，

7.将包覆成形后的盘类零件毛坯从盘坯转动轴支架15上取下，通过数控加工的方法，将盘坯转动轴13芯部去除，并经过表面加工和表面处理后，制备出盘类零件。

实施例二：

1.在挤压筒17中加入TC4钛合金坯料20，坯料尺寸为Ф30mm×60mm，

2.将真空室的真空度抽至1.0×10^-3Pa，

3.开启感应加热线圈8，对坯料20进行加热，升温至920℃，并保温，

4.通过推料杆驱动电机18驱动推料杆19，将固态坯料20经由挤压料出口21包覆在盘坯转动轴13上，挤压筒出口的直径为5mm，推料杆19的施加的挤压载荷为1000公斤力，通过搅拌头9对刚刚铺覆的坯料进行搅拌加工，搅拌头9转速为800转/分钟，

5.盘坯转动轴13旋转一圈后，盘坯转动轴支架运动驱动系统16驱动盘坯转动轴支架15沿盘坯转动轴13的轴向平移5mm，继续进行第2圈坯料的包覆，直至完成盘类零件毛坯宽度上的第1层包覆，

6.盘坯转动轴支架运动驱动系统16驱动盘坯转动轴支架15沿垂直盘坯转动轴13的方向向下移动，移动距离为1.5mm，然后，进行第2层坯料的包覆，包覆方式与第1层相同，逐层依次进行包覆，直至完成盘类零件毛坯径向尺寸的包覆，

7.将包覆成形后的盘类零件毛坯从盘坯转动轴支架15上取下，通过数控加工的方法，将盘坯转动轴13芯部去除，并经过表面加工和表面处理后，制备出盘类零件。

实施例三：

1.在料筒23中加入TC4钛合金棒状20，其中棒状尺寸为Ф5mm×5mm，

2.将真空室的真空度抽至1.0×10^-3Pa，

3.开启感应加热线圈8，对坯料20进行加热，加热温度为500℃，

4.打开料筒23开关，使一块经过预热的棒状坯料20进入坯料转动夹持环25，

5.棒状坯料20的顶端被坯料转动夹持环25夹持住，被夹持住的棒状坯料20的底部与盘坯转动轴13接触，料筒驱动系统22驱动料筒23和坯料转动夹持环25，转动速度为1000转/分，使棒状坯料20的底部与盘坯转动轴13表面摩擦生热，同时，料筒驱动系统22对料筒23和坯料转动夹持环25沿料筒23和棒状坯料20轴线方向施加一个向下的载荷，载荷大小为500公斤力，使棒状坯料20产生热机械变形，包覆到静止的盘坯转动轴13上，松开坯料转动夹持环25，

6.通过盘坯转动轴驱动电机14驱动盘坯转动轴13转过15/D的弧度，其中D：盘类零件毛坯的即时直径，盘坯转动轴13的转动方向与送料系统到搅拌头9的方向一致，其中送料系统和搅拌头9的夹角角度小于180°，并同时搅拌头驱动电机6驱动通过搅拌头9对刚刚包覆在盘坯转动轴13上的坯料20进行搅拌加工，搅拌头9转速为1200转/分钟，使坯料20与盘坯转动轴13结合在一起，然后，继续进行第2个位置点的坯料20的包覆，直至盘坯转动轴13旋转一圈后，完成第1圈坯料的包覆，

7.盘坯转动轴支架运动驱动系统16驱动盘坯转动轴支架15沿盘坯转动轴13的轴向平移7.5mm，继续进行第2圈坯料的包覆，直至完成盘类零件毛坯宽度上的第1层包覆；盘坯转动轴支架运动驱动系统16驱动盘坯转动轴支架15沿垂直盘坯转动轴13的方向向下移动，移动距离为2.5mm，然后，进行第2层坯料的包覆，包覆方式与第1层相同，逐层依次进行包覆，直至完成盘类零件毛坯径向尺寸的包覆，

8.将包覆成形后的盘类零件毛坯从盘坯转动轴支架15上取下，通过数控加工的方法，将盘坯转动轴13芯部去除，并经过表面加工和表面处理后，制备出盘类零件。

实施例四：

1.在料筒23中加入TC4钛合金棒状20，其中棒状尺寸为Ф3mm×3mm，

2.将真空室的真空度抽至1.0×10^-3Pa，

3.打开料筒23开关，使一块棒状坯料20进入坯料转动夹持环25，

4.棒状坯料20的顶端被坯料转动夹持环25夹持住，被夹持住的棒状坯料20的底部与盘坯转动轴13接触，料筒驱动系统22驱动料筒23和坯料转动夹持环25，转动速度为3000转/分，使棒状坯料20的底部与盘坯转动轴13表面摩擦生热，同时，料筒驱动系统22对料筒23和坯料转动夹持环25沿料筒23和棒状坯料20轴线方向施加一个向下的载荷，载荷大小为600公斤力，使棒状坯料20产生热机械变形，包覆到静止的盘坯转动轴13上，松开坯料转动夹持环25，

5.通过盘坯转动轴驱动电机14驱动盘坯转动轴13转过10/D的弧度，其中D：盘类零件毛坯的即时直径，盘坯转动轴13的转动方向与送料系统到搅拌头9的方向一致，其中送料系统和搅拌头9的夹角角度小于180°，然后，继续进行第2个位置点的坯料20的包覆，直至盘坯转动轴13旋转一圈后，完成第1圈坯料的包覆，

6.盘坯转动轴支架运动驱动系统16驱动盘坯转动轴支架15沿盘坯转动轴13的轴向平移5mm，继续进行第2圈坯料的包覆，直至完成盘类零件毛坯宽度上的第1层包覆；盘坯转动轴支架运动驱动系统16驱动盘坯转动轴支架15沿垂直盘坯转动轴13的方向向下移动，移动距离为1.5mm，然后，进行第2层坯料的包覆，包覆方式与第1层相同，逐层依次进行包覆，直至完成盘类零件毛坯径向尺寸的包覆，

7.将包覆成形后的盘类零件毛坯从盘坯转动轴支架15上取下，通过数控加工的方法，将盘坯转动轴13芯部去除，并经过表面加工和表面处理后，制备出盘类零件。

Claims (2)

1.一种盘类零件的包覆成形方法，其特征是，

（1）制备成形装置，成形装置包括机架、送料和热机械加工系统及盘坯支撑系统（1.1）机架包括上平台、下平台，上平台与下平台之间由四根支柱支撑；

（1.2）送料和热机械加工系统包括挂架、送料系统、搅拌头驱动电机及搅拌头，挂架安装在机架的上平台上，挂架底板上安装送料系统，搅拌头驱动电机安装在挂架底板的一侧，搅拌头安装在搅拌头驱动电机下方，送料系统的结构为如下之一：

（1.2.1）送料系统包括底部带喷口的熔炼坩埚、气体喷口及感应线圈，熔炼坩埚安装在挂架底板上，气体喷口位于底部带喷口的熔炼坩埚的顶部，感应线圈环绕在底部带喷口的熔炼坩埚的外部；

（1.2.2）送料系统包括挤压筒、推料杆、推料杆驱动系统及感应线圈，挤压筒安装在挂架底板上，推料杆驱动系统安装在机架的上平台上，推料杆位于推料杆驱动系统的下方，推料杆的下端伸入至挤压筒内，感应线圈环绕在挤压筒的外部；

（1.2.3）送料系统包括料筒、料筒开关、料筒驱动系统、坯料转动夹持环及感应线圈，料筒驱动系统安装在机架的上平台上，料筒安装在料筒驱动系统的下方，料筒穿过挂架底板，料筒的底部是料筒开关，料筒开关与坯料转动夹持环相接，感应线圈环绕在料筒的外部；

（1.3）盘坯支撑系统包括盘坯转动轴、盘坯转动轴驱动电机、盘坯转动轴支架、盘坯转动轴支架运动驱动系统，盘坯转动轴支架运动驱动系统安装在机架的下平台上，盘坯转动轴支架安装在盘坯转动轴支架运动驱动系统上，盘坯转动轴安装在盘坯转动轴支架上，盘坯转动轴驱动电机与盘坯转动轴相连并安装在盘坯转动轴支架上；

将成形装置置于真空室中；

（2）包覆成形

（2.1）采用机械加工的方式加工出盘坯转动轴，并安装在盘坯转动轴支架上；

（2.2）将真空室的真空度抽至1.0×10^-3Pa，当使用送料系统是上述（1.2.1）所述结构时，将棒状或块状坯料放入到熔炼坩埚中，开启感应线圈，对熔炼坩埚中的坯料进行熔炼，使坯料熔化形成熔体，通过在气体喷口中通入氩气，氩气压力为5MPa，对熔体施加压力，使坩埚中的熔体通过坩埚底部的喷口喷出，包覆到通过盘坯转动轴驱动电机驱动的盘坯转动轴上，盘坯转动轴的转动方向与送料系统到搅拌头的方向一致，其中送料系统和搅拌头的夹角角度小于180°，并通过搅拌头驱动电机驱动搅拌头对刚刚包覆在盘坯转动轴上的坯料进行搅拌加工，使坯料与盘坯转动轴结合在一起，盘坯转动轴旋转一圈后，盘坯转动轴支架运动驱动系统驱动盘坯转动轴支架沿盘坯转动轴的轴向平移与坩埚底部的喷口直径相同的距离，继续进行第2圈坯料的包覆，直至完成盘类零件毛坯宽度上的第1层包覆；盘坯转动轴支架运动驱动系统驱动盘坯转动轴支架沿垂直盘坯转动轴的方向向下移动，移动距离为坩埚底部的喷口直径的1/5-1/3，然后，进行第2层坯料的包覆，包覆方式与第1层相同，逐层依次进行包覆，直至完成盘类零件毛坯径向尺寸的包覆；

当使用送料系统是上述（1.2.2）所述结构时，将棒状坯料放入到挤压筒中，开启感应线圈，对挤压筒中的坯料进行加热，使其处于良好的塑性状态，通过推料杆驱动系统推动推料杆，使得推料杆将挤压筒中的坯料从挤压筒中挤出，包覆到通过盘坯转动轴驱动电机驱动的盘坯转动轴上，盘坯转动轴的转动方向与送料系统到搅拌头的方向一致，其中送料系统和搅拌头的夹角角度小于180°，通过搅拌头驱动电机驱动搅拌头对刚刚包覆在盘坯转动轴上的坯料进行搅拌加工，使坯料与盘坯转动轴结合在一起，盘坯转动轴旋转一圈后，盘坯转动轴支架运动驱动系统驱动盘坯转动轴支架沿盘坯转动轴的轴向平移与挤压筒出口直径相同的距离，继续进行第2圈坯料的包覆，直至完成盘类零件毛坯宽度上的第1层包覆；盘坯转动轴支架运动驱动系统驱动盘坯转动轴支架沿垂直盘坯转动轴的方向向下移动，移动距离为挤压筒出口直径的1/5-1/3，然后，进行第2层坯料的包覆，包覆方式与第1层相同，逐层依次进行包覆，直至完成盘类零件毛坯径向尺寸的包覆；

当使用送料系统是上述（1.2.3）所述结构时，将多个棒状坯料放入到料筒中，每个棒状坯料的高度为直径的1-2倍，开启感应线圈，对料筒中的坯料进行预热，预热温度为坯料熔点温度的0.3-0.5倍，打开料筒开关，使一块经过预热的棒状坯料进入坯料转动夹持环，棒状坯料的顶端被坯料转动夹持环夹持住，被夹持住的棒状坯料的底部与盘坯转动轴接触，料筒驱动系统驱动料筒和坯料转动夹持环，转动速度为1000-2000转/分，使棒状坯料的底部与盘坯转动轴表面摩擦生热，同时，料筒驱动系统对料筒和坯料转动夹持环沿料筒和棒状坯料轴线方向施加一个向下的载荷，载荷在棒状坯料中产生的最大应力≤50MPa，使棒状坯料产生热机械变形，包覆到静止的盘坯转动轴上，松开坯料转动夹持环，然后，通过盘坯转动轴驱动电机驱动盘坯转动轴转过3-4d/D的弧度，其中d：棒状坯料直径，D：盘类零件毛坯的即时直径，盘坯转动轴的转动方向与送料系统到搅拌头的方向一致，其中送料系统和搅拌头的夹角角度小于180°，通过搅拌头驱动电机驱动搅拌头对刚刚包覆在盘坯转动轴上的坯料进行搅拌加工，使坯料与盘坯转动轴结合在一起，然后，继续进行第2个位置点的坯料的包覆，直至盘坯转动轴旋转一圈后，完成第1圈坯料的包覆；盘坯转动轴支架运动驱动系统驱动盘坯转动轴支架沿盘坯转动轴的轴向平移与棒状坯料直径的1-1.5倍相同的距离，继续进行第2圈坯料的包覆，直至完成盘类零件毛坯宽度上的第1层包覆；盘坯转动轴支架运动驱动系统驱动盘坯转动轴支架沿垂直盘坯转动轴的方向向下移动，移动距离为棒状坯料直径的1/4-1/2，然后，进行第2层坯料的包覆，包覆方式与第1层相同，逐层依次进行包覆，直至完成盘类零件毛坯径向尺寸的包覆；

（3）将包覆成形后的盘类零件毛坯从盘坯转动轴支架上取下，通过数控加工的方法，将盘坯转动轴的芯部去除，并经过表面加工和表面处理后，制备出盘类零件。

2.根据权利要求1所述的一种盘类零件的包覆成形方法，其特征是，所述的当包覆成形采用送料系统是所述（1.2.3）所述结构时，将多个棒状坯料放入到料筒中，每个棒状坯料的高度为直径的1-2倍，打开料筒开关，使一块棒状坯料进入坯料转动夹持环，棒状坯料的顶端被坯料转动夹持环夹持住，被夹持住的棒状坯料的底部与盘坯转动轴接触，料筒驱动系统驱动料筒和坯料转动夹持环，转动速度>2000转/分，使棒状坯料的底部与盘坯转动轴表面摩擦生热，同时，料筒驱动系统对料筒和坯料转动夹持环沿料筒和棒状坯料轴线方向施加一个向下的载荷，载荷在棒状坯料中产生的最大应力>50MPa，使棒状坯料产生热机械变形，包覆到静止的盘坯转动轴上。

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