CN104551380B - 一种整体叶盘及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种整体叶盘及其制造方法。所述方法包括：(1)将全部叶片沿盘形件圆周方向进行布置和固定；(2)使全部叶片与盘形件沿盘形件圆周方向进行线性摩擦焊；同时沿盘形件的轴向施加顶锻力以保持叶片与盘形件接触；(3)在叶片与盘形件接触面升温至金属塑性变形温度时，沿盘形件轴向将顶锻力增大使得叶片与盘形件固定连接一起，得到整体叶盘的预制坯；(4)对步骤(3)的预制坯进行后处理，得到整体叶盘。本发明的制造方法在将叶片焊接到叶盘上时，由于叶片和叶盘之间沿周向做高速往复运动，因此，在焊接终止时，无论叶片停留在什么位置，都不会影响叶片之间的相互位置精度，对设备和工艺要求大大降低，提高了产品的成品率。

Description

一种整体叶盘及其制造方法
技术领域
本发明涉及金属加工领域，具体的说，涉及一种整体叶盘及其制造方法。
背景技术
线性摩擦焊的原理如图1所示，是通过对待焊接工件施加往复的运动，使其摩擦产生热，使待焊接部位处于高温塑性状态，最后通过施加顶锻力，使两个工件焊接在一起的方法。
与其他焊接方法相比较，线性摩擦焊具有以下优点：
(1)它是一项固相焊接技术，不存在传统熔焊过程的疏松、夹杂、气孔及裂纹等缺陷；
(2)无焊接弧光、飞溅；
(3)不需要保护气；
(4)焊接接头性能稳定；
(5)可以进行异种材料焊接；
(6)可焊接方形、圆形、多边形截面的金属或塑料工件，设计合适的工装夹具还可焊接不规则的构件，如叶片与涡轮盘的焊接；
(7)较窄的热影响区，低应力、小变形、高完整性；
(8)焊接过程可完全机械化和自动控制，可靠性高。
正是由于线性摩擦焊的这些优点，使其成为航空发动机整体叶盘的关键制造技术，正越来越得到航空发动机公司的青睐，并得到了迅速的发展。整体叶盘是为了满足高性能航空发动机而设计的新型结构件，其将发动机转子叶片和轮盘形成一体，省去了传统连接中的榫头、榫槽及锁紧装置等，减少结构重量及零件数量，避免榫头气流损失，提高气动效率，使发动机结构大为简化，现已在各国军用和民用航空发动机上得到广泛应用，如EJ200、F119、F414等军用发动机，法国SNECMA公司生产的P.A.T验证核心机以及美国P&W公司生产的基准发动机等民用大流量比发动机，图2是线性摩擦焊结整体叶盘的工艺过程。采用线性摩擦焊方法制备整体叶盘具有以下优点：
(1)加工效率高，材料损耗小。线性摩擦焊相比于数控铣削，可以节省大量的贵重金属，提高金属利用率；焊接过程中完全自动化，人为参与因素很小，焊接控制参数如压力、时间、频率和振幅等参数控制简单，故其可靠性高，且使加工时间大幅降低，效率明显提高。
(2)焊接质量高，焊接过程中不产生与熔化和凝固冶金有关的一些焊接缺陷和焊接脆化现象，由于加热时间短，热影响区窄，组织无明显粗化。在焊接铝、钛合金材料中，更能体现其优越性。
(3)线性摩擦焊可以焊接2种不同的材料，因此，可根据整体叶盘需要，为进一步减轻重量，提高推重比，选用合适的材料进行焊接加工。同时，线性摩擦焊对单个叶片可以进行修复工作，显著提高整体叶盘应用率，降低其成本。
现有的线性摩擦焊技术是一种良好的整体叶盘制造方法，具有很多优点，但是这项技术也存在一些不足，主要包括以下几点：
(1)在将叶片焊接到叶盘上时，由于叶片和叶盘之间沿轴线方向做高速往复运动，在往复运动终止时，对叶片与叶盘之间相互的位置精度要求较高，这对设备和工艺要求较高；
(2)一个整体叶盘中有多个叶片，焊接多个叶片需要依次进行焊接，焊接效率有待提高；
(3)在制备带叶片的钛基复合材料整体叶环时，沿着叶环轴线进行线性摩擦焊接叶片和环形件，叶片和环形件的相互运动方向垂直于纤维排布方向，很容易造成对纤维的损伤。
为了解决上述问题，特提出本发明。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种整体叶盘的制造方法。
本发明的另一目的在于提供上述方法制造的整体叶盘。
针对现有线性摩擦焊技术存在的不足，为达上述目的，一方面，本发明提供了一种整体叶盘的制造方法，所述方法包括：
(1)将全部叶片沿盘形件圆周方向进行布置和固定；
(2)使全部叶片与盘形件沿盘形件圆周方向进行线性摩擦焊；同时沿盘形件的轴向施加顶锻力以保持叶片与盘形件接触；
(3)在叶片与盘形件接触面升温至金属塑性变形温度时，沿盘形件轴向将顶锻力增大使得叶片与盘形件固定连接一起，得到整体叶盘的预制坯；
(4)对步骤(3)的预制坯进行后处理，得到整体叶盘。
目前已有的线性摩擦焊在焊接整体叶盘时，叶片相对于盘形件运动的方向是沿着轴向，而当叶片与盘形件的相对运动方向沿着周向时，往往是采用惯性摩擦焊的方法，既叶片相对于盘形件沿着周向方向高速360度旋转，本发明与惯性摩擦焊或旋转摩擦焊相比较，该方法只是在焊接位置附近进行震荡，无需与整个盘的外缘进行摩擦而产热，来加热金属材料，而惯性摩擦焊或旋转摩擦焊则是通过叶片根部旋转，与整个外缘进行摩擦产热，来加热金属材料，然后顶锻后实现叶片与盘形件的焊接，这样方法获得整体叶盘中对盘件的外缘的组织和性能影响较小，具有更好的组织和性能，以及良好的稳定性。
其中可以理解的是，在采取摩擦焊的工艺条件下，所述叶片和盘形件都应为金属材质。
根据本发明所述的方法，其中本发明步骤(2)所述线性摩擦焊可以为本领域现有技术常规的线性磨擦焊，譬如是使得叶片与盘形件沿盘形件圆周方向相对振荡或往复运动；
其中的振荡或往复运动是相对运动，可以是使叶片运动，也可以是使盘形件运动；本发明优选是使叶片沿盘形件圆周方向振荡或往复运动。
根据本发明所述的方法，其中本发明优选步骤(2)所述线性摩擦焊的周向振幅为1mm～6mm，频率为5Hz～20Hz；
也就是说，叶片与盘形件沿盘形件圆周方向相对振荡或往复运动的振幅为1mm～6mm，频率为5Hz～20Hz；
本发明意外发现，当线性磨擦采取上述参数范围时，能够产生意料不到的效果，在这种工艺参数条件下，具有飞边小、热影响区小、组织均匀、不会发生由于温度过高而导致的组织粗大现象等。
其中更优选为周向振幅为4mm，频率为13.6Hz。
根据本发明所述的方法，其中本发明优选步骤(2)所述顶锻力为100KN～300KN；
其中更优选为200KN。
根据本发明所述的方法，其中本发明优选步骤(3)是使全部叶片与盘形件沿盘形件圆周方向进行线性摩擦焊10s～30s，沿盘形件轴向将顶锻力增大至使得叶片与盘形件固定连接一起，得到整体叶盘的预制坯；
也就是说，叶片与盘形件沿盘形件圆周方向相对振荡或往复运动的时间是10s～30s；
其中本发明更优选步骤(3)是使全部叶片与盘形件沿盘形件圆周方向进行线性摩擦焊20s。
其中所述顶锻力可以是施加在盘形件上，也可以施加在叶片上，而本发明优选施加在叶片上。
根据本发明所述的方法，其中本发明优选步骤(3)是沿盘形件轴向将顶锻力增大至400KN～800KN，使得叶片与盘形件固定连接一起；
其中更优选为增大至600KN。
根据本发明所述的方法，其中本发明步骤(4)所述后处理可以为本领域常规的金属加工处理，本发明优选为对预制坯进行数控加工、表面处理。
根据本发明所述的方法，其中本发明优选步骤(1)在将全部叶片沿盘形件圆周方向进行布置和固定前还包括分别制造叶片和盘形件的步骤；
其中优选采用锻造的方法制造叶片和盘形件；
其中还优选在锻造后采用数控加工方法对叶片和盘形件外形进行加工。
根据本发明所述的方法，其中本发明步骤(1)所述将全部叶片沿盘形件圆周方向进行布置和固定可以采用本领域常规的固定方式，本发明优选是用夹具将全部叶片沿盘形件圆周方向进行布置和固定。
本发明的方法可具体为：通过夹具装卡，将准备焊接到盘形件上的叶片沿盘形件周向固定，然后采用线性摩擦焊的方法，使沿周向排布的叶片，在保持叶片之间的间距不变的情况下，沿着周向方向，以一定的振幅与盘形件之间相互往复摩擦，使得叶片与盘形件的连接部位通过摩擦产生热量，达到一定的温度时，立刻通过沿盘形件的轴向施加一个顶锻力，使得盘形件与叶片连接在一起。这种沿着盘形件周向线性摩擦实现叶片与盘形件连接的方法具有很多优点，例如，通过夹具实现叶片之间的定位，沿着周向实现叶片的线性摩擦，对线性摩擦焊终止时的定位精度要求低，一次可以同时焊接一个盘形件的所有叶片，效率较高。
本发明技术原理如图3所示，其基本原理是分别加工出盘形件2、叶片1，然后将所有的叶片固定在盘形件的周围，通过施加一个往复的力，使得所有的叶片沿着周向能够往复运动，如图3所示，叶片与盘形件在连接位置通过摩擦产生热，当连接部位的温度升高到一定温度时，沿着轴线方向对盘形件施加一个顶锻力，使得叶片与盘形件连接在一起，最后通过数控加工的方法，对线性摩擦焊的位置进行数控加工，加工出叶形来。
本发明具体的实施过程如下：
(1)采用锻造的方法加工出叶片2、盘形件4，采用数控加工的方法加工出叶形和盘形件的外形，
(2)将叶片2装入到叶片夹具1中，并沿着盘形件4的周向进行布置和固定，通过周向伺服油缸9推动叶片夹具凸台10，使其能够带动叶片夹具1可以沿着线性摩擦焊方向8周向往复运动或振荡，可以带动叶片2在保持叶片之间的相对位置不变的情况下，沿着周向以一定的振幅和频率进行往复运动，同时顶锻油缸6施加一定的顶锻力。其中周向振幅为：1mm～6mm，频率：5Hz～20Hz、顶锻油缸6的顶锻力为：100KN～300KN，摩擦时间为10s～30s。在振荡过程中，叶片2与盘形件3在接触位置4处通过摩擦产热，升温至金属可发生塑性变形的温度，
(3)通过叶片2与盘形件4摩擦后，接触面处4升温至金属塑性变形温度，沿着盘形件4的轴线方向，通过顶锻油缸6，沿着顶锻方向7，对转动轴5施加一个顶锻力，使得叶片2与盘形件4连接在一起，其中顶锻力为400KN～800KN，
(4)将成形后的预制坯进行数控加工、表面处理等处理，加工出最终零件。
另一方面，本发明还提供了本发明所述的制造方法制造得到的整体叶盘。
本发明方法制造得到的整体叶盘与现有的沿着轴向的线性摩擦焊技术得到的叶盘相比较，该方法只是在焊接位置的附近进行震荡，而无需与整个盘的外缘进行摩擦产生，而惯性摩擦焊或旋转摩擦焊则是通过叶片根部旋转，与整个外缘进行摩擦然后顶锻后实现焊接，这样该方法获得整体叶盘中对盘件的外缘的组织和性能影响较小，具有更高的稳定性。
综上所述，本发明提供了一种整体叶盘及其制造方法。本发明的制造方法具有如下优点：
(1)在将叶片焊接到叶盘上时，由于叶片和叶盘之间沿周向做高速往复运动，因此，在焊接终止时，无论叶片停留在什么位置，都不会影响叶片之间的相互位置精度，对设备和工艺要求大大降低，提高了产品的成品率；
(2)一个整体叶盘中有多个叶片，可以在一个工艺过程中同时实现所有叶片的焊接，焊接效率较高；
(3)该方法可以用于制备钛基复合材料的整体叶环，叶片和环形件的相互运动方向与纤维排布方向相同，不会造成对纤维的损伤。
附图说明
图1为线性摩擦焊原理图；
图2为现有技术线性摩擦焊制备整体叶盘的工艺过程；
图3为实施例1的采用沿着周向方向线性摩擦焊接整体叶盘的原理图；
图4为实施例1的焊缝微观组织图。
具体实施方式
以下通过具体实施例详细说明本发明的实施过程和产生的有益效果，旨在帮助阅读者更好地理解本发明的实质和特点，不作为对本案可实施范围的限定。
实施例1
如图3所示，采用周向线性摩擦焊方法焊接TC4合金整体叶盘的具体工艺过程如下：
(1)采用锻造的方法加工出TC4合金叶片2、盘形件4，采用数控加工的方法加工出叶形和盘形件的外形；
(2)将叶片2装入到叶片夹具1中，并沿着盘形件4的周向进行布置和固定；
(3)通过周向伺服油缸9推动叶片夹具凸台10，使其能够带动叶片夹具1可以沿着线性摩擦焊方向8周向往复运动或振荡，可以带动叶片2在保持叶片之间的相对位置不变的情况下，沿着周向以一定的振幅和频率往复运动，同时顶锻油缸6施加一定的顶锻力。其中周向振幅：4mm，频率：13.6Hz、顶锻油缸6的顶锻力为：200KN，摩擦时间为20s。在振荡过程中，叶片2与盘形件4在接触位置3处通过摩擦产热，升温至TC4合金可发生塑性变形的温度；
(4)通过叶片2与盘形件4摩擦后，接触面处4升温至TC4合金的塑性变形温度，沿着盘形件4的轴线方向，通过顶锻油缸6，沿着顶锻方向7，对转动轴5施加一个更大的顶锻力，使得叶片2与盘形件4连接在一起，其中顶锻力为600KN；
(5)将成形后的预制坯进行数控加工、表面处理等处理，加工出最终零件。
对焊接后真空热处理800℃/2小时的线性摩擦焊缝进行观察，其微观组织如图4所示，由图可知，焊缝处的微观形态完好。
所加工的整体叶盘性能数据：极限拉伸强度：1099MPa，屈服强度：1010MPa，延伸率：10％。

Claims (13)

1.一种整体叶盘的制造方法，其特征在于，所述方法包括：
(1)将全部叶片沿盘形件圆周方向进行布置和固定；所述叶片与盘形件的接触面在叶盘轴向切面的投影与叶盘轴向并非水平；
(2)使全部叶片与盘形件沿盘形件圆周方向进行线性摩擦焊；同时沿盘形件的轴向施加顶锻力以保持叶片与盘形件接触；所述线性摩擦焊的周向振幅为4mm，频率为13.6Hz；所述顶锻力为100KN～300KN；
(3)在叶片与盘形件接触面升温至金属塑性变形温度时，沿盘形件轴向将顶锻力增大至400KN～800KN使得叶片与盘形件固定连接一起，得到整体叶盘的预制坯；
(4)对步骤(3)的预制坯进行后处理，得到整体叶盘。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤(2)所述线性摩擦焊是使得叶片与盘形件沿盘形件圆周方向相对振荡或往复运动。
3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤(2)所述线性摩擦焊是使叶片沿盘形件圆周方向振荡或往复运动。
4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤(2)所述顶锻力为200KN。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤(3)是使全部叶片与盘形件沿盘形件圆周方向进行线性摩擦焊10s～30s，沿盘形件轴向将顶锻力增大至使得叶片与盘形件固定连接一起，得到整体叶盘的预制坯。
6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，步骤(3)是使全部叶片与盘形件沿盘形件圆周方向进行线性摩擦焊20s。
7.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤(3)是沿盘形件轴向将顶锻力增大至600KN，使得叶片与盘形件固定连接一起。
8.根据权利要求1～7任意一项所述的制造方法，其特征在于，步骤(4)所述后处理为对预制坯进行数控加工、表面处理。
9.根据权利要求1～7任意一项所述的制造方法，其特征在于，步骤(1)在将全部叶片沿盘形件圆周方向进行布置和固定前还包括分别制造叶片和盘形件的步骤。
10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，步骤(1)在将全部叶片沿盘形件圆周方向进行布置和固定前还包括采用锻造的方法分别制造叶片和盘形件的步骤。
11.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，步骤(1)在锻造后采用数控加工方法对叶片和盘形件外形进行加工。
12.根据权利要求1～7任意一项所述的制造方法，其特征在于，步骤(1)是用夹具将全部叶片沿盘形件圆周方向进行布置和固定。
13.权利要求1～12任意一项制造方法制造得到的整体叶盘。
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