CN104625629A - 一种钛铝合金整体叶盘及其制备方法 - Google Patents

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韩秀全
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Abstract

本发明提供了一种钛铝合金整体叶盘及其制备方法。所述方法包括：(1)分别制造叶盘的盘形件和叶片；(2)将盘形件和叶片按照预定位置组合，放入涂覆设备中，在盘形件和叶片的外面，按照盘形件和叶片的外形涂覆金属包套，得到包覆了包套的预制坯；优选所述包套厚度为1mm～2mm；(3)将包覆了包套的预制坯进行热等静压加工，得到叶盘预制坯；(4)对叶盘预制坯进行后处理得到钛铝合金整体叶盘。由于本发明可以在较低温度条件下实现连接，对原始组织和性能的影响较小，故本发明得到的整体叶盘原始组织结构更加完好，可以具有更为优良的性能。

Description

一种钛铝合金整体叶盘及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属加工领域，具体的说，涉及一种钛铝合金整体叶盘及其制备方法。
背景技术
在高推重比航空发动机中，随着转子的转速越来越高，压气机转子部件的工作温度越来越高，其中叶片部分和叶盘部分的使用温度不同，承受的载荷条件不同，为了满足不同部位对使用性能的需求，发展了的整体叶盘，既叶片部分采用一种材料来制备，叶盘部分采用另一种材料来制备。整体叶盘可以满足不同部位的使用要求，性能得到提升，还可以降低重量，减少油耗。
整体叶盘的制备方法主要有：等温锻造法、线性摩擦焊法等方法，电子束焊接、扩散连接方法一般用于同种材料的整体叶盘中叶片和盘的连接，也可以用于整体叶盘的连接。等温锻造方法制造整体叶盘的制备工艺具体如下：分别锻造叶盘和叶片部分的预制坯，然后将两者焊接在一起，再进行等温锻造，在锻造过程中，两种材料通过界面连接在一起，然后对预制坯采用数控加工、电解加工的方法，加工出叶形，制备出整体叶盘。线性摩擦焊的方法具体工艺如下：分别采用锻造的方法加工出叶片、叶盘，然后加工出盘形和叶形，采用线性摩擦焊的方法将叶盘和叶片连接在一起，再经过数控加工等方法加工出整体叶盘。
现有的加工工艺制备Ti2AlNb/TiAl整体叶盘预制坯存在以下的不足：
采用等温锻造的方法制备Ti2AlNb/TiAl整体叶盘预制坯时，需要分别对Ti2AlNb、TiAl进行锻造，然后将两部分焊接在一起，再共同进行锻造，对于TiAl金属间化合物这样的难变形材料，需要包套锻造，而且锻造的温度要求很高，而且要求是等温锻造，温度一般在1100℃左右，在锻造过程中需要实现两种材料的冶金连接，对设备和工艺参数的要求较高。完成的等温锻锻造后，还需要对TiAl部分进行数控加工或电解加工，加工出叶形，材料利用率较低，加工周期长，制造成本高。另外由于钛铝合金在铸造时，直径越大，特别是当直径超过400mm时，出现铸造裂纹的概率越高，成品率越低；
采用线性摩擦焊接的方法来制备Ti2AlNb/TiAl整体叶盘预制坯的方法，可以节省材料，提高效率，但是对于TiAl这种难变形材料，在线性摩擦焊接过程中的残余应力较大，容易在焊接后产生微裂纹。线性摩擦焊还需要专用的大吨位设备。叶片与叶盘的连接部位的组织和性能与叶片部分、叶盘部分均不同；
其它的如电子束焊接方法，在焊接时需要对TiAl等材料进行熔覆，残余应力大，容易产生焊接裂纹，而且难于控制。
鉴于上述原因，亟需一种新的整体叶盘制造方法。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种钛铝合金整体叶盘的制备方法；
本发明的另一目的在于提供所述方法制备得到的钛铝合金整体叶盘。
为达上述目的，一方面，本发明提供了一种钛铝合金整体叶盘的制备方法，所述方法包括：
(1)分别制造叶盘的盘形件和叶片；
(2)将盘形件和叶片按照预定位置组合，放入涂覆设备中，在盘形件和叶片的外面，按照盘形件和叶片的外形涂覆金属包套，得到包覆了包套的预制坯；
(3)将包覆了包套的预制坯进行热等静压加工，得到叶盘预制坯；
(4)对叶盘预制坯进行后处理得到钛铝合金整体叶盘。
本发明通过在叶盘原件外面包覆金属包套，再通过热等静压制造整体叶盘，不但可以提高叶片和盘形件的连接质量，成形后的残余应力小，不会出现裂纹；而且解决了热等静压技术中包套制备的技术难题。
根据本发明所述的方法，步骤(1)是采用精密锻造方法制造出盘形件和叶片。
根据本发明所述的方法，步骤(1)采用精密锻造方法制造出盘形件和叶片后通过数控加工成形。
根据本发明所述的方法，在锻造结束后还包括对盘形件和/或叶片进行表面处理的步骤。
根据本发明所述的方法，所述表面处理为化学清洗。
根据本发明所述的方法，步骤(2)所述的包套厚度为1～2mm。
根据本发明所述的方法，步骤(2)所述的涂覆为冷喷涂或者熔覆。
根据本发明所述的方法，步骤(2)所述的冷喷涂参数为：预热温度为400℃～600℃，材料加速范围为500m/s～1000m/s，喷涂距离为：50mm～20mm。
根据本发明所述的方法，步骤(2)所述的金属包套为钛合金或低碳钢包套。
譬如可以为Q235等低碳钢。
根据本发明所述的方法，步骤(3)所述的热等静压参数为：900℃～1000℃/150MPa～200MPa/2h～4h。
本发明方法可以在较高压力，较低温度条件下实现盘与片的连接，与传统的采用扩散连接、以及摩擦焊接方法相比较，可以在较低温度条件下实现连接，对原始组织和性能的影响较小，而如果采用传统的扩散连接或线性摩擦焊或其他焊接方式，对于Ti2AlNb/TiAl焊接的温度一般都会在1100℃以上，甚至更高。
根据本发明所述的方法，步骤(4)所述的后处理包括数控加工、电解加工、电火花加工、表面加工和表面处理。
所述的数控加工、电解加工、电火花加工、表面加工和表面处理均为本领域常规手段，可以按照现有技术操作处理即可。
根据本发明任意一项所述的方法，所述钛铝合金整体叶盘的盘形件为Ti2AlNb的盘形件，叶片为TiAl的叶片。
其中本发明的方法可以更具体包括：
(1)采用精密锻造的方法锻造出整体叶盘的Ti2AlNb盘形件，经过数控加工出外形；
(2)采用精密锻造的方法锻造出整体叶盘的TiAl叶片，经过数控加工出外形；
(3)采用化洗的方法对Ti2AlNb盘形件和TiAl叶片的表面进行处理，去除表面的氧化皮和污垢；
(4)将Ti2AlNb盘形件和TiAl叶片组合在一起，放入到冷喷涂设备或电子束自由成形设备中，在组合后的叶片和盘形件的外表面涂覆一层金属包套，金属材料可以是钛合金、低碳钢等材料；
(5)将喷涂或熔覆了包套的预制坯放入到热等静压设备中，热等静压的工艺参数为：900℃～1000℃/150MPa～200MPa/2h～4h，制备出一个Ti2AlNb/TiAl整体叶盘预制坯；
(6)对热等静压后的预制坯进行数控加工、电解加工、电火花加工、表面加工和处理，制备出Ti2AlNb/TiAl整体叶盘。
本发明针对现有制备Ti2AlNb/TiAl整体叶盘预制坯存在的一些问题，提出采用精密锻造的方法分别加工出盘和叶片，然后采用冷喷涂或电子束自由成形的方法，在组装后的盘和叶片外轮廓喷涂或熔覆一层金属包套，包套材料可以是低碳钢，也可以是钛合金材料。将喷涂或熔覆了包套的预制坯放入到热等静压设备中，在高温高压条件下实现叶片和盘的连接，采用化学铣削、数控加工、电解加工、电火花加工的方法对预制坯加工，制备出Ti2AlNb/TiAl整体叶盘。这种方法具有很多优点，可以实现高效率、高材料利用率、低成本地制造高性能的钛合金或钛基复合材料整体叶盘或整体叶环。
另一方面，本发明还提供了本发明任意一项制备得到的钛铝合金整体叶盘。
由于本发明可以在较低温度条件下实现连接，对原始组织和性能的影响较小，故本发明得到的整体叶盘原始组织结构更加完好，可以具有更为优良的性能。
在本发明的方法盘形件与叶片的连接是通过热等静压的高温、高压实现，在热等静压炉中进行扩散连接时，其温度是均匀的，在冷却时也是随炉缓慢冷却，因此其残余应力非常小。而采用线性摩擦焊接等方法，由于焊接区域仅仅局限在盘形件与叶片接触的位置进行摩擦生热达到良好的塑性状态，而且周围是未经过摩擦产热而升温的材料，而且线性摩擦焊的过程非常短，焊接后，焊接区会快速冷却下来，因此，其残余应力较大。
这也是线性摩擦焊方法制备这类异种材料或钛铝钛铝合金叶叶盘的主要难度。
综上所述，本发明提供了一种钛铝合金整体叶盘及其制备方法。本发明的方法具有如下优点：
(1)在组合后的Ti2AlNb/TiAl预制坯的外表面喷涂或熔覆金属包套，然后通过热等静压的方法实现整体叶盘的制备，采用增材制造的方法解决了热等静压技术中包套制备的技术难题，大大降低了包套制备的技术难度；传统的包套有采用铸造或旋压成形，而本专利中的方法可以根据零件的形状，不需要更换模具或工装，既可以通过改变电子束成形或冷喷涂的轨迹实现不同形状零件的包套制备和封装，效率提高了100％，成本降低了60％～70％，提高了效率，降低了成本；
(2)叶片和盘形件的连接质量高，成形后的残余应力小，不会出现裂纹等缺陷；与线性摩擦焊接的方法相比较，热残余应力降低了90％；
(3)叶片、叶盘部分均采用精密锻造方法加工，整体叶盘成形后只需要去除一层厚度为1～2mm左右的包套即可，可以实现近净成形，加工效率高、材料利用率高、成本低；
(4)可以根据需要分别对Ti2AlNb盘形件和TiAl叶片进行组织和性能的调控，与传统的制造相比较，具有更大的调控自由度；
(5)本发明方法可以在较高压力，较低温度条件下实现盘与片的连接，与传统的采用扩散连接、以及摩擦焊接方法相比较，可以在较低温度条件下实现连接，对原始组织和性能的影响较小，而如果采用传统的扩散连接或线性摩擦焊或其他焊接方式，对于Ti2AlNb/TiAl焊接的温度一般都会在1000℃～1100℃之间，甚至更高。这样就可以在降低成本的同时，关键是提高了成形后的整体叶盘的性能，从而具有优越性。
附图说明
图1为Ti2AlNb叶盘部分示意图；
图2为TiAl叶片部分示意图；
图3(a)为组合后的叶片和叶盘示意图；
图3(b)为喷涂或熔覆后的包套示意图；
图3(c)为喷涂或熔覆后的预制坯示意图。
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
制备过程具体为：
(1)采用精密锻造的方法锻造出整体叶盘的Ti2AlNb盘形件，经过数控加工出外形，如图1所示；
(2)采用精密锻造的方法锻造出整体叶盘的TiAl叶片，经过数控加工出外形，如图2所示；
(3)采用化洗的方法对Ti2AlNb盘形件和TiAl叶片的表面进行处理，去除表面的氧化皮和污垢；
(4)将Ti2AlNb盘形件和TiAl叶片组合在一起，如图3(a)所示，放入到冷喷涂设备中，在组合后的叶片和盘形件的外表面涂覆一层TC4包套，其中冷喷涂的工艺参数：预热温度为500℃，材料加速为800m/s，喷涂距离为：10mm。喷涂包套是一个包覆了叶片和盘形件的厚度约为1mm的TC4合金外壳，这个外壳将叶片和盘形件包覆起来，如图3(b)所示，从而在包套的内部形成真空环境，既所有叶片与叶片之间、叶片与盘形件之间的连接界面都处于真空环境下，最后形成的预制坯如图3(c)所示；
(5)将喷涂或熔覆了包套的预制坯放入到热等静压设备中，热等静压的工艺参数为：900℃/200MPa/2h，制备出一个Ti2AlNb/TiAl整体叶盘预制坯，
(6)对热等静压后的预制坯进行数控加工、表面加工处理，制备出Ti2AlNb/TiAl整体叶盘。采用该方法获得整体叶盘，其中Ti2AlNb/TiAl界面的结合强度达到550MPa～600MPa，达到了TiAl合金母材的性能水平。
实施例2
制备过程具体为：
(1)采用精密锻造的方法锻造出整体叶盘的TiAl盘形件，经过数控加工出外形，如图1所示；
(2)采用精密锻造的方法锻造出整体叶盘的TiAl叶片，经过数控加工出外形，如图2所示；
(3)采用化洗的方法对TiAl盘形件和TiAl叶片的表面进行处理，去除表面的氧化皮和污垢；
(4)将TiAl盘形件和TiAl叶片组合在一起，如图3(a)所示，放入到电子束成形设备中，在组合后的叶片和盘形件的外表面涂覆一层Q235包套，其中焊接速度为100mm/min，角度50°，送丝速度160cm/min。电子束成形的包套是一个包覆了叶片和盘形件的厚度约为1mm的Q235包套，这个外壳将叶片和盘形件包覆起来，如图3(b)所示，从而在包套的内部形成真空环境，既所有叶片与叶片之间、叶片与盘形件之间的连接界面都处于真空环境下，最后形成的预制坯如图3(c)所示；
(5)将喷涂或熔覆了包套的预制坯放入到热等静压设备中，热等静压的工艺参数为：960℃/200MPa/3h，制备出一个TiAl/TiAl整体叶盘预制坯，
(6)对热等静压后的预制坯进行数控加工、表面加工处理，制备出TiAl/TiAl整体叶盘。

Claims (10)

1.一种钛铝合金整体叶盘的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
(1)分别制造叶盘的盘形件和叶片；
(2)将盘形件和叶片按照预定位置组合，放入涂覆设备中，在盘形件和叶片的外面，按照盘形件和叶片的外形涂覆金属包套，得到包覆了包套的预制坯；优选所述包套厚度为1mm～2mm；
(3)将包覆了包套的预制坯进行热等静压加工，得到叶盘预制坯；
(4)对叶盘预制坯进行后处理得到钛铝合金整体叶盘。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)是采用精密锻造方法制造出盘形件和叶片。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)采用精密锻造方法制造出盘形件和叶片后通过数控加工成形。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在锻造结束后还包括对盘形件和/或叶片进行表面处理的步骤；优选所述表面处理为化学清洗。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述的涂覆为冷喷涂或者熔覆；其中优选所述冷喷涂参数为：预热温度为400℃～500℃，材料加速范围为500m/s～1000m/s，喷涂距离为：5mm～20mm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述的金属包套为钛合金或低碳钢包套。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述的热等静压参数为：900℃～1000℃/150MPa～200MPa/2h～4h。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)所述的后处理包括数控加工、电解加工、电火花加工、表面加工和表面处理。
9.根据权利要求1～8任意一项所述的方法，其特征在于，所述钛铝合金整体叶盘的盘形件为Ti2AlNb的盘形件，叶片为TiAl的叶片。
10.权利要求1～9任意一项所述的方法制备得到的钛铝合金整体叶盘。
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