CN105772718B - 一种双合金整体叶片盘及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于双合金材料制造技术领域，特别涉及一种双合金整体叶片盘及其制备方法。本发明采用激光熔化沉积的方法，通过同轴送粉方式将粉末送至激光形成的熔池内，逐层堆积，依次制备出轮毂、轮辐、轮缘与叶片。叶片盘轮毂、轮辐部分使用钛合金粉末，叶片部位使用Ti2AlNb基合金粉末，轮缘与叶片结合部位使用钛合金粉末与Ti2AlNb基合金粉末按照一定比例混合的粉末。本发明方法所制备的轮盘在常温下具有较高的强度和塑性，叶片在高温下具有良好的强度。由于使用激光熔化沉积方法，零件接近最终形态，加工量小，节约制造成本和生产周期。

Description

一种双合金整体叶片盘及其制备方法
技术领域
本发明属于双合金材料制造技术领域，特别涉及一种双合金整体叶片盘及其制备方法。
背景技术
压气机叶片盘是涡轮发动机的重要零部件之一。近年来，为了达到降低发动机整体重量的目的，提高推重比，大量的整体叶片盘被应用到了压气机中，摒弃了原有的榫槽连接方式，减少了零部件的数量和重量，使发动机性能和可靠性大大提高，同时也使得叶片盘尤其是叶片尖部的工作温度不断提高。美国NASA在民用航空推进系统研究计划中提出的高速运输机，其压气机出口温度甚至超过了700℃。
压气机叶片盘轮盘部位由于有冷却通道，冷却效果好，工作温度较低，一般要求轮盘具有高的中低温塑性、强度和低周疲劳性能。而叶片部位由于冷却效果较差，承受长时间的高温，热疲劳，需要具有良好的高温强度、高温持久和高温蠕变性能的材料。
钛合金具有密度低、比强度高、屈强比高、耐蚀性及良好的高温力学性能。目前在整体叶片盘上应用较多的TC4和TC11属于α+β钛合金，可以通过热处理调控显微组织，力学性能变化范围宽，但是高温稳定性不足，TC11在500℃下允许的工作时间仅为500小时。TA15属于单相α钛合金，不仅有良好的室温高温力学性能，而且高温稳定性好，在500℃的情况下可以使用3000小时，是TC11的6倍。
然而目前在压气机上使用的钛合金高温极限已经到达瓶颈几乎无法再提高，γ-TiAl合金又存在有室温塑性低、韧性差的缺点，镍基高温合金的密度大、比强度低。这就需要寻找一种比强度高，室温、高温性能又好的替代材料。Ti2AlNb基合金在1988年被人们首次发现，经历了一系列的发展，目前被称为第二代O相合金的Ti22Al25Nb、Ti22Al27Nb等Nb含量大于25％的Ti2AlNb基合金具有高的室温抗拉强度、高的高温抗拉强度和疲劳强度、较好的室温断裂韧性和抗裂纹扩展能力、良好的抗蠕变性、中等抗氧化性能以及低的热膨胀系数，使用温度可达650℃～750℃。Ti2AlNb基合金已成为最有希望的未来航空航天发动机材料之一。但是合金中的Nb属于重金属元素，价格偏贵，Ti2AlNb的大量使用，必然提高制造成本。
根据叶片盘各部位不同的服役环境以及对力学性能的要求，考虑到提高压气机性能并降低成本，叶片部位使用高温性能优异的Ti2AlNb基合金，其他部位使用相对便宜的钛合金制造双合金整体叶片盘。为了满足整体叶片盘工作时不同部位使用环境及性能的要求，目前发展了结合热加工变形及热处理控制获得双性能钛合金压气机盘的工艺，该工艺在实际生产中控制难度较大，效果不明显，且不能提高钛合金的使用温度。另一种方法就是分别制造出叶片和叶盘部分，然后采用摩擦焊的方式将两部分焊接起来，但是叶盘、叶片形状复杂，加工成本高，且焊接结合部位强度低，容易出现缺陷。
因此，发展由高强度钛合金轮盘及Ti2AlNb合金叶片组成的双合金整体叶盘可满足高推重比航空发动机的发展需要，并进一步提高材料结构效率。
综上所述，为满足未来高性能航空发动机的发展需要，研制一种能够满足性能要求同时造价低廉的双合金整体叶片盘十分必要。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种双合金整体叶片盘及其制备方法，轮盘由室温下具有高强度高塑性的材料制成，而叶片由高温性能优异的材料制成。
一种双合金整体叶片盘的制备方法，采用激光熔化沉积的方法逐层堆积出整体叶片盘，叶盘和叶片分别为两种不同牌号合金。
叶盘轮毂、轮辐部位使用高强度钛合金，叶片部位使用高温性能较好的Ti2AlNb基合金，叶盘轮缘与叶片结合部位使用钛合金与Ti2AlNb基合金的混合粉进行过渡。
所述钛合金为TA15、TC4或TC11等牌号的高强度钛合金。
所述Ti2AlNb基合金为Ti22Al25Nb或Ti22Al27Nb等牌号的高Nb含量Ti2AlNb基合金。
一种双合金整体叶片盘的制备方法，该包括如下步骤：
(1)采用激光熔化沉积方法，将钛合金粉末用同轴送粉方式送至熔池，逐层堆积出轮毂、轮辐；
(2)机械混粉方法制备钛合金与Ti2AlNb基合金混合粉；
(3)使用步骤(2)中制备的混合粉通过激光熔化沉积方法逐层堆积轮缘后M层与叶片前N层，M、N分别为不小于1的整数，M、N可根据具体叶盘尺寸及要求确定；
(4)采用激光熔化沉积方法，通过同轴送粉方式逐层堆积出Ti2AlNb基合金叶片。
所述步骤(1)、步骤(3)、步骤(4)中使用粉末为球形粉末，粉末粒度为90～325目。
所述步骤(1)、步骤(3)、步骤(4)中使用惰性气体保护，氧含量不大于10ppm。
本发明的制备方法中，整体叶片盘的成型过程是通过CAD建立三维数学模型，然后转化为数字信号传输到三维数控运动平台，通过激光熔化沉积的方法逐层堆积材料制备出进行成型的整体叶片盘。
本发明的有益效果为：
本发明方法所制备出的轮盘在常温下具有较高的强度和塑性，叶片在高温下具有良好的强度。由于使用激光熔化沉积方法，零件接近最终形态，加工量小，节约制造成本和生产周期。
附图说明
图1为激光熔化沉积双合金过渡区的内部金相组织图。
具体实施方式
本发明提供了一种双合金整体叶片盘及其制备方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
实施例1
采用激光熔化沉积方法在TA15钛合金基板上逐层沉积制备出TC11钛合金和Ti2AlNb基合金(Ti22Al27Nb)的双合金材料
准备一块200mm长、100mm宽、10mm厚的TA15钛合金板，表面经砂纸打磨后用酒精擦拭干净。称取等质量的TC11和Ti22Al27Nb粉，在混料机中进行机械混合，制备过渡区所用混合粉，然后将TC11钛合金粉、Ti22Al27Nb粉、所制备混合粉分别进行120℃下保温2h的真空干燥处理。将TA15钛合金板固定在激光熔化沉积系统的运动工作台上，调整好激光熔覆工作头位置，将TC11钛合金粉、Ti22Al27Nb粉、所制备混合粉分别装入送粉器的料筒内，利用激光熔化同步输送的TC11钛合金粉末，在TA15钛合金基板上逐层沉积制备出薄壁试样，然后使用等质量的TC11和Ti22Al27Nb混合粉，在已经制备好的TC11薄壁试样上沉积出过渡层，最后在薄壁试样上沉积Ti22Al27Nb合金，制备TC11-Ti22Al27Nb双合金薄壁试样。通过机械加工得到TC11-Ti22Al27Nb双合金的拉伸试样，并分别进行室温、750℃高温静载拉伸试验，比较激光熔化沉积方法制备的试样与其他成形工艺的拉伸性能。沉积工艺为激光功率1.6kW，扫描速度4.0mm/s，光班直径3.0mm，送粉速率5.0g/min，粉末粒度为45μm～160μm，氧含量不大于3ppm，过渡区域使用混合粉为等质量的TC11和Ti22Al27Nb。室温拉伸断裂在Ti2AlNb基合金一侧，750℃高温下断裂在TC11合金一侧，说明界面具有良好的结合强度。
实施例2
采用激光熔化沉积方法在TA15钛合金基板上逐层沉积制备出TA15钛合金和Ti2AlNb基合金(Ti22Al25Nb)的双合金材料。
准备一块200mm长、100mm宽、10mm厚的TA15钛合金板，表面经砂纸打磨后用酒精擦拭干净。称取等质量的TA15和Ti22Al25Nb粉，在混料机中进行机械混合，制备过渡区所用混合粉，然后将TA15钛合金粉、Ti22Al25Nb粉、所制备混合粉分别进行120℃下保温2h的真空干燥处理。将TA15钛合金板固定在激光熔化沉积系统的运动工作台上，调整好激光熔覆工作头位置，将TA15钛合金粉、Ti22Al25Nb粉、所制备混合粉分别装入送粉器的料筒内，利用激光熔化同步输送的TA15钛合金粉末，在TA15钛合金基板上逐层沉积制备出薄壁试样，然后使用等质量的TA15和Ti22Al25Nb混合粉，在已经制备好的TA15薄壁试样上沉积出过渡层，最后在薄壁试样上沉积Ti22Al25Nb合金，制备TA15-Ti22Al25Nb双合金薄壁式样。通过机械加工得到载荷区分别为TA15、Ti2AlNb以及TA15-Ti2AlNb双合金的拉伸试样，并分别进行室温、750℃高温静载拉伸试验，比较激光熔化沉积方法制备的试样与其他成形工艺的拉伸性能。沉积工艺为激光功率为1.6kW，扫描速度为4.0mm/s，光班直径为3.0mm，送粉速率为5.0g/min，粉末粒度为45μm～160μm，氧含量不大于3ppm，过渡区使用混合粉为等质量的TA15和Ti22Al25Nb。
表1 不同工艺制造的合金性能对比数据表

Claims (5)

1.一种双合金整体叶片盘的制备方法，其特征在于，采用激光熔化沉积的方法逐层堆积出整体叶片盘，叶盘和叶片分别为两种不同牌号合金；
叶盘轮毂、轮辐部位使用钛合金，叶片部位使用Ti2AlNb基合金，叶盘轮缘与叶片结合部位使用钛合金与Ti2AlNb基合金等质量混合的混合粉进行过渡；
所述钛合金为TA15、TC4或TC11钛合金；
所述Ti2AlNb基合金为Ti22Al25Nb或Ti22Al27Nb合金。
2.根据权利要求1所述的一种双合金整体叶片盘的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)采用激光熔化沉积方法，将钛合金粉末用同轴送粉方式逐层堆积出轮毂、轮辐；
(2)机械混粉方法制备钛合金与Ti2AlNb基合金混合粉；
(3)使用步骤(2)中制备的混合粉通过激光熔化沉积方法逐层堆积轮缘后M层与叶片前N层，M、N分别为不小于1的整数；
(4)采用激光熔化沉积方法，通过同轴送粉方式逐层堆积出Ti2AlNb基合金叶片。
3.根据权利要求2所述的一种双合金整体叶片盘的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)、步骤(3)、步骤(4)中使用粉末为球形粉末，粉末粒度为90～325目。
4.根据权利要求2所述的一种双合金整体叶片盘的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)、步骤(3)、步骤(4)中使用惰性气体保护，氧含量不大于10ppm。
5.使用权利要求1～4任意一项权利要求所述的一种双合金整体叶片盘的制备方法所制备的双合金整体叶片盘。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108216650A (zh) * 2017-12-19 2018-06-29 北京有色金属研究总院 一种梯度结构进气道
CN109865836B (zh) * 2019-04-04 2021-06-04 西安建筑科技大学 一种3D打印增强体/Ti2AlNb基复合材料及其制备方法
CN110449581B (zh) * 2019-08-23 2021-08-03 中国航发北京航空材料研究院 一种TiAl+Ti2AlNb复合材料激光熔化沉积制备的方法
CN112296602B (zh) * 2020-09-18 2022-05-17 中国航发北京航空材料研究院 一种双合金双组织钛合金整体叶盘的制造方法
CN113145851A (zh) * 2021-04-09 2021-07-23 中国航发北京航空材料研究院 一种粉末冶金钛铝基双合金叶盘的制备方法
CN114318056B (zh) * 2021-12-14 2022-08-02 哈尔滨工业大学（威海） 一种双丝粉芯丝材增材制造的Ti2AlNb合金及其制造方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1044777A (zh) * 1989-02-08 1990-08-22 通用电气公司 利用成层堆焊方法制造部件
CN101598139A (zh) * 2008-06-04 2009-12-09 北京有色金属研究总院 一种具有复合性能的钛合金整体叶片盘及其制造方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6939508B2 (en) * 2002-10-24 2005-09-06 The Boeing Company Method of manufacturing net-shaped bimetallic parts
CN102052342B (zh) * 2009-10-29 2013-02-13 北京有色金属研究总院 一种钛合金整体叶片盘的制造方法
GB2489693B (en) * 2011-04-04 2014-10-01 Rolls Royce Plc Abradable liner
US20160333717A1 (en) * 2015-05-11 2016-11-17 United Technologies Corporation Near net shape abradable seal manufacturing method

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1044777A (zh) * 1989-02-08 1990-08-22 通用电气公司 利用成层堆焊方法制造部件
CN101598139A (zh) * 2008-06-04 2009-12-09 北京有色金属研究总院 一种具有复合性能的钛合金整体叶片盘及其制造方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
激光熔化沉积Ti2AlNb基合金的显微组织和拉伸性能;刘彦涛等;《中国激光》;20140131;第41卷(第1期);第0103005-1至0103005-7 *

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