CN103028901B - 一种盘类零件的包覆/轧制成形方法 - 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/轧制成形方法。本发明采用包覆/轧制加工方法来制备钛合金、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、高温合金盘类零件的制备。

Description

一种盘类零件的包覆/轧制成形方法

技术领域

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

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、IMI629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，从而具备了传统铸造+锻造工艺和增量成形工艺所不具备的优势。

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+微热机械加工概念的包覆/轧制成形方法来制备盘类零件。

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、送料和熔炼系统、轧制加工系统及坩埚支架，

(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)送料和和熔炼系统包括感应线圈、熔炼坩埚、熔体、料斗、坯料、料斗开关、熔体液面高度仪，熔炼坩埚通过坩埚支架安装在下平台上表面上，熔体在熔炼坩埚中，感应线圈环绕熔炼坩埚，料斗安装在上平台下表面上，坯料在料斗中，料斗的底部有一个料斗开关，料斗和料斗开关在熔体的上方，熔体液面高度仪安装在料斗的侧壁上，并进入到熔体中；

(1.3)轧制加工系统包括盘坯转动轴驱动系统、盘坯转动轴支架、盘坯转动轴转动系统、盘坯转动轴、轧辊驱动系统、轧辊支架、轧辊，盘坯转动轴驱动系统安装在上平台下表面上，盘坯转动轴支架安装在盘坯转动轴驱动系统的下方，盘坯转动轴安装在盘坯转动轴支架上，盘坯转动轴转动系统通过盘坯转动轴支架与盘坯转动轴沿着盘坯转动轴的轴线方向相连接，盘坯转动轴浸入到熔体中，轧辊驱动系统安装在支柱上，轧辊支架安装在轧辊驱动系统的右面，轧辊安装在轧辊支架上，轧辊处于熔体的上方，与盘坯转动轴的下半部分接触；

将成形装置置于真空室中；

(2)包覆/轧制成形，

(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，将块状坯料放入到料斗中，通过控制料斗开关，使得坯料落入到熔炼坩埚中，开启感应线圈将坯料熔化形成熔体，为了保持熔体液面高度在设定范围内，通过熔体液面高度仪测定液面高度，当测定的液面高度低于设定值时，料斗开关开启，向熔体中加入设定量的坯料，盘坯转动轴驱动系统驱动盘坯转动轴支架，使得盘坯转动轴支架上的盘坯转动轴浸入到熔体中，盘坯转动轴转动系统转动盘坯转动轴，使金属熔体逐层包覆到盘坯转动轴上并凝固，轧辊驱动系统驱动轧辊支架，使得轧辊支架上的轧辊以设定的载荷压紧盘坯转动轴，对盘坯转动轴上刚刚包覆熔体后凝固的局部进行轧制，改善组织状态，提高盘坯转动轴的力学性能，盘坯转动轴旋转一圈后，盘坯转动轴驱动系统驱动盘坯转动轴支架，带动盘坯转动轴向上移动盘坯转动轴浸入到熔体深度1/4-1/2的距离，轧辊支架驱动系统驱动轧辊支架向盘坯转动轴沿水平方向运动，来保证轧辊以固定载荷压紧盘坯转动轴，然后，进行第2层的熔体包覆/轧制成形，方式与第1层相同，逐层依次包覆/轧制成形，直至完成盘类零件毛坯径向尺寸的包覆；

(2.3)将包覆/轧制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。

本发明具有的优点和有益效果，本发明采用包覆/轧制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，适用于制备各种航空航天用钛合金、高温合金盘类零件。

本发明与现有的其它制备方法相比较，还具有以下优点：

1.采用感应熔炼方法将金属材料熔炼成液态再进行包覆/轧制成形的方法，对原材料要求低，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.采用感应熔炼方法将金属材料熔炼成液态再进行包覆/轧制成形的方法，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盘类零件；

3.采用感应熔炼方法将金属材料熔炼成液态再进行包覆/轧制成形的方法，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，则可以很好地保证熔池中金属成分均匀；

4.材料利用率高，可实现近净成形；

5.效率高。与铸造后再锻造工艺相比较，采用包覆/轧制加工成形时，在一个设备中制备出了盘类零件的毛坯；

6.制备的零件性能良好，对包覆的金属材料立刻进行了轧制加工，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来提高预制坯的性能；

附图说明

图1是本发明包覆/轧制加工的结构示意图，其中，图1-a为包覆/轧制系统的主视图，图1-b为图1-a的侧视图；

图2是本发明一种轧辊形式示意图；

图3是另外一种轧辊形式示意图。

具体实施方式

(1)制备成形装置，成形装置包括机架、送料和熔炼系统、轧制加工系统及坩埚支架，

(1.1)机架包括上平台2、下平台3，上平台与下平台之间由四根支柱1支撑；

(1.2)送料和熔炼系统包括料斗10、坯料11、料斗开关12、熔体液面高度仪13，感应线圈14、熔炼坩埚15、熔体16、熔炼坩埚通过坩埚支架17安装在下平台上表面上，熔体16在熔炼坩埚15中，感应线圈14环绕熔炼坩埚15，料斗10安装在上平台2下表面上，坯料11在料斗10中，料斗10的底部有一个料斗开关12，料斗10和料斗开关12在熔体16的上方，熔体液面高度仪13安装在料斗10的侧壁上，并浸入到熔体16中；

(1.3)轧制加工系统包括盘坯转动轴驱动系统4、盘坯转动轴支架5、盘坯转动轴转动系统18、盘坯转动轴6、轧辊驱动系统7、轧辊支架8、轧辊9，盘坯转动轴驱动系统4安装在上平台2下表面上，盘坯转动轴支架5安装在盘坯转动轴驱动系统4的下方，盘坯转动轴6安装在盘坯转动轴支架5上，盘坯转动轴转动系统18通过盘坯转动轴支架5与盘坯转动轴6沿着盘坯转动轴6的轴线方向相连接，盘坯转动轴6浸入到熔体中，轧辊驱动系统7安装在支柱1上，轧辊支架8安装在轧辊驱动系统7的右面，轧辊9安装在轧辊支架8上，轧辊9处于熔体16的上方，与盘坯转动轴6的下半部分接触；

将成形装置置于真空室中；

(2)包覆/轧制成形，

(2.1)采用机械加工的方式加工出盘坯转动轴6，并安装在盘坯转动轴支架5上；

(2.2)将真空室的真空度抽至1.0×10^-3Pa，将块状坯料11放入到料斗10中，通过控制料斗开关12，使得坯料11落入到熔炼坩埚15中，开启感应线圈14将坯料11熔化形成熔体16，为了保持熔体16液面高度在设定范围内，通过熔体液面高度仪13测定液面高度，当测定的液面高度低于设定值时，料斗开关12开启，向熔体16中加入定量的坯料11，盘坯转动轴驱动系统4驱动盘坯转动轴支架5，使得盘坯转动轴支架5上的盘坯转动轴6浸入到熔体16中，盘坯转动轴转动系统18转动盘坯转动轴6，使金属熔体16逐层包覆到盘坯转动轴6上并凝固，轧辊驱动系统7驱动轧辊支架8，使得轧辊支架8上的轧辊9以设定的载荷压紧盘坯转动轴9，对盘坯转动轴6上刚刚包覆熔体16后凝固的局部进行轧制，改善组织状态，盘坯转动轴6旋转一圈后，盘坯转动轴驱动系统4驱动盘坯转动轴支架5，带动盘坯转动轴6向上移动盘坯转动轴6浸入到熔体深度1/4-1/2的距离，轧辊驱动系统7驱动轧辊支架8向盘坯转动轴6沿水平方向运动，来保证轧辊驱动系统7以固定的载荷压紧盘坯转动轴6，然后，进行第2层的熔体包覆/轧制成形，方式与第1层相同，逐层依次包覆/轧制成形，直至完成盘类零件毛坯径向尺寸的包覆；

(2.3)将包覆/轧制成形后的盘类零件毛坯从盘坯转动轴支架5上取下，通过数控加工的方法，将盘坯转动轴6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，采用微铸造加微轧制加工的方式，通过逐层包覆/轧制加工法来实现盘类金属零件的成形。该方法通过感应线圈14采用感应方式的加热坯料11，使坯料11熔化形成熔体16。将盘坯转动轴6浸入到熔体16中，通过旋转盘坯转动轴6使得熔体包覆到盘坯转动轴6的表面，通过轧辊9对刚刚包覆了金属的盘坯转动轴6的局部进行轧制加工，从而改善盘坯转动轴的微观组织，提高力学性能。经过对盘坯转动轴6逐层包覆后，制备出盘类零件毛坯，对盘类零件毛坯经过后续加工后制备出盘类零件。

以上整个系统放置在真空室中。

实施例一

1.在料斗10中加入TC4钛合金坯料11，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.开启感应线圈14，对TC4钛合金坯料11进行熔炼，将其熔炼成为熔体16，熔炼温度为1800℃，

4.盘坯转动轴驱动系统4驱动盘坯转动轴支架5，使得盘坯转动轴支架5上的盘坯转动轴6浸入到熔体16中，浸入深度为5mm，盘坯转动轴转动系统18转动盘坯转动轴6，转动速度为1转/分钟，轧辊驱动系统7驱动轧辊支架8，使得轧辊支架8上的轧辊9以设定的载荷压紧盘坯转动轴9，设定载荷为400牛顿，对刚刚包覆熔体16后凝固的盘坯转动轴6的局部进行轧制，改善组织状态，

5.盘坯转动轴6旋转一圈后，盘坯转动轴驱动系统4驱动盘坯转动轴支架5，带动盘坯转动轴6向上移动2mm，驱动轧辊支架8向盘坯转动轴6沿水平方向运动，来保证轧辊驱动系统7以设定的载荷压紧盘坯转动轴6，然后，进行第2层的熔体包覆/轧制成形，方式与第1层相同，逐层依次包覆/轧制成形，直至完成盘类零件毛坯径向尺寸的包覆，

6.将包覆/轧制成形后的盘类零件毛坯从盘坯转动轴支架5上取下，通过数控加工的方法，将盘坯转动轴6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.在料斗10中加入GH4169高温合金坯料11，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.开启感应线圈14，对GH4169高温合金坯料11进行熔炼，将其熔炼成为熔体16，熔炼温度为1350℃；

4.盘坯转动轴驱动系统4驱动盘坯转动轴支架5，使得盘坯转动轴支架5上的盘坯转动轴6浸入到熔体16中，浸入深度为4mm，盘坯转动轴转动系统18转动盘坯转动轴6，转动速度为1转/分钟，轧辊驱动系统7驱动轧辊支架8，使得轧辊支架8上的轧辊9以设定的载荷压紧盘坯转动轴9，设定载荷为500牛顿，对刚刚包覆熔体16后凝固的盘坯转动轴6的局部进行轧制，改善组织状态，提高力学性能；

5.盘坯转动轴6旋转一圈后，盘坯转动轴驱动系统4驱动盘坯转动轴支架5，带动盘坯转动轴6向上移动1.5mm，驱动轧辊支架8向盘坯转动轴6沿水平方向运动，来保证轧辊驱动系统7以设定的载荷压紧盘坯转动轴6，然后，进行第2层的熔体包覆/轧制成形，方式与第1层相同，逐层依次包覆/轧制成形，直至完成盘类零件毛坯径向尺寸的包覆；

6.将包覆/轧制成形后的盘类零件毛坯从盘坯转动轴支架5上取下，通过数控加工的方法，将盘坯转动轴6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 (1)

1.一种盘类零件的包覆/轧制成形方法，其特征是：

(1)制备成形装置，成形装置包括机架、送料和熔炼系统、轧制加工系统及坩埚支架，

(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)送料和和熔炼系统包括感应线圈、熔炼坩埚、熔体、料斗、坯料、料斗开关、熔体液面高度仪，熔炼坩埚通过坩埚支架安装在下平台上表面上，熔体在熔炼坩埚中，感应线圈环绕熔炼坩埚，料斗安装在上平台的下表面上，坯料在料斗中，料斗的底部有一个料斗开关，料斗和料斗开关在熔体的上方，熔体液面高度仪安装在料斗的侧壁上，并浸入到熔体中；

(1.3)轧制加工系统包括盘坯转动轴驱动系统、盘坯转动轴支架、盘坯转动轴转动系统、盘坯转动轴、轧辊驱动系统、轧辊支架、轧辊，盘坯转动轴驱动系统安装在上平台下表面上，盘坯转动轴支架安装在盘坯转动轴驱动系统的下方，盘坯转动轴安装在盘坯转动轴支架上，盘坯转动轴转动系统通过盘坯转动轴支架与盘坯转动轴沿着盘坯转动轴的轴线方向相连接，盘坯转动轴浸入到熔体中，轧辊驱动系统安装在支柱上，轧辊支架安装在轧辊驱动系统的右面，轧辊安装在轧辊支架上，轧辊处于熔体的上方，与盘坯转动轴的下半部分接触；

将成形装置置于真空室中；

(2)包覆/轧制成形，

(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，将块状坯料放入到料斗中，通过控制料斗开关，使得坯料落入到熔炼坩埚中，开启感应线圈将坯料熔化形成熔体，为了保持熔体液面高度在设定范围内，通过熔体液面高度仪测定液面高度，当测定的液面高度低于设定值时，料斗开关开启，向熔体中加入设定量的坯料，盘坯转动轴驱动系统驱动盘坯转动轴支架，使得盘坯转动轴支架上的盘坯转动轴浸入到熔体中，盘坯转动轴转动系统转动盘坯转动轴，使金属熔体逐层包覆到盘坯转动轴上并凝固，轧辊驱动系统驱动轧辊支架，使得轧辊支架上的轧辊以设定的载荷压紧盘坯转动轴，对盘坯转动轴上刚刚包覆熔体后凝固的局部进行轧制，改善组织状态，盘坯转动轴旋转一圈后，盘坯转动轴驱动系统驱动盘坯转动轴支架，带动盘坯转动轴向上移动盘坯转动轴浸入到熔体深度1/4-1/2的距离，轧辊支架驱动系统驱动轧辊支架向盘坯转动轴沿水平方向运动，来保证轧辊以固定载荷压紧盘坯转动轴，然后，进行第2层的熔体包覆/轧制成形，方式与第1层相同，逐层依次包覆/轧制成形，直至完成盘类零件毛坯径向尺寸的包覆；

(2.3)将包覆/轧制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，将盘坯转动轴芯部去除，并经过表面加工和表面处理后，制备出盘类零件。