CN108927517B - 一种采用热等静压粉末冶金制备中介机匣的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采用热等静压粉末冶金制备中介机匣的方法，属于薄壁复杂钛合金构件制造技术领域。本发明的方法制备的中介机匣构件，组织性能均匀，内应力小，尺寸稳定性好，内部缺陷控制良好，研制周期短，材料利用率高。实现中介机匣多数结构的一次成形，大幅度减少焊接位置，提高中介机匣的结构强度和疲劳强度，将对新一代航空发动机的研制起到强有力的推动作用，也为我国未来航空武器装备所需的更高性能航空发动机研制奠定材料及工艺技术基础。

Description

一种采用热等静压粉末冶金制备中介机匣的方法
技术领域
本发明涉及一种采用热等静压粉末冶金制备中介机匣的方法，属于薄壁复杂钛合金构件制造技术领域，特别针对薄壁复杂整体中介机匣的近净成形控制。
背景技术
钛合金中介机匣是涡扇航空发动机内结构最为复杂的机匣类构件，也是发动机的承力件之一。一般中介机匣均具有如下两个特点：一是结构非常复杂，中介机匣位于风扇和外涵道机匣之间，由内、外机匣和承力支板和分流环组成。外机匣前后分别联系着风扇机匣和外涵道机匣，下部安装有附件传动装置；分流环与高压压气机前安装边相连接，并将风扇来流分为内、外涵气流；内机匣上支承着中央传动装置、风扇后支点和高压压气机前支点。二是受力非常复杂，作为主要承力框架，中介机匣承受着发动机工作时的气动载荷和机动飞行时的机动载荷(即外部作用力和陀螺力矩)，由于安装边较多，作用在各个部位的两类载荷数目较多，几乎涉及到每个转、静子部件各状态的轴向力计算和外部作用力包线范围内的机动载荷计算。
不仅结构复杂，为了实现进一步减重，新型中介机匣整体结构厚度多数在2mm以下，传统的铸锻工艺无法实现成形，目前多采用氩弧焊接工艺，焊接周期非常长且成品率低。国内外机匣的疲劳裂纹故障频繁发生，主要原因是焊接质量不佳、焊接结构不合理、焊缝腐蚀和杂质掺混造成的焊缝处抗拉强度和疲劳强度较低。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种采用热等静压粉末冶金制备中介机匣的方法。
本发明的技术解决方案是：
一种采用热等静压粉末冶金制备中介机匣的方法，所述的中介机匣包括内机匣、外机匣、m个承力支板和分流环，该方法的步骤包括：
(1)分别加工内机匣成形包套、外机匣成形包套、m个承力支板成形包套、分流环成形包套和密封盖，密封盖上开有一通孔，用于与真空泵连接；
(2)将步骤(1)加工得到的内机匣成形包套、外机匣成形包套、m个承力支板成形包套和分流环成形包套进行组合装配并进行焊接，得到中介机匣成形包套；
(3)在步骤(2)得到的中介机匣成形包套中装入钛合金球形粉末；
(4)将步骤(1)加工得到的密封盖与步骤(3)中装粉后的中介机匣成形包套进行装配焊接，高温下抽真空，然后进行封焊；
(5)将步骤(4)封焊后的中介机匣成形包套进行热等静压处理；
(6)采用加工和电化学化铣相结合的工艺除去中介机匣成形包套，得到中介机匣。
所述的步骤(1)中，加工得到的内机匣成形包套每层的顶端、外机匣成形包套的顶端、m个承力支板成形包套的顶端、分流环成形包套的顶端均开有n个通孔，n为承力支板数量的两倍，即n＝2m；所有通孔均作为装粉孔；
所述的步骤(3)中，在中介机匣成形包套中装入钛合金球形粉末的方法为：通过装粉孔将钛合金球形粉末均匀装入到中介机匣成形包套中，装粉过程分为前期和后期两个过程，前期过程装粉量为理论装粉量的50％-70％，前期过程中采用振动和多点冲击相结合的方式振实粉末；前期过程结束后将第一个承力支板沿该承力支板的中心线位置倾斜5°～10°，然后在高点位置处的装粉孔继续装粉，并采用振动和多点冲击相结合的方式振实粉末，装粉时间15-30min，然后将第二个承力支板沿该承力支板的中心线位置倾斜5°～10°，然后在高点位置处的装粉孔继续装粉，并采用振动和多点冲击相结合的方式振实粉末，装粉时间15-30min，以此类推，直至将第m个承力支板沿该承力支板的中心线位置倾斜5°～10°，然后在高点位置处的装粉孔继续装粉，并采用振动和多点冲击相结合的方式振实粉末，直至装满中介机匣成形包套；
所述的高点位置处的装粉孔是指距离地面相对高的装粉孔，其数量优选所有装粉孔的一半；
所述的振动是指在中介机匣成形包套的底部对中介机匣成形包套进行振动，对钛合金球形粉末进行振实；振动采用的设备为频率和振幅可调节的振动台；
所述的多点冲击是指在中介机匣成形包套的侧面对中介机匣成形包套进行敲打，对钛合金球形粉末进行振实；多点冲击采用的设备为多点振实装粉机，多点振实装粉机包括中间的转盘和固定在转盘上的三个120°均布的丝杠，每个丝杠内均有一个气压锤，气压锤在丝杠内可上下移动；将中介机匣成形包套放置在转盘上旋转，使用气压锤不间断敲打中介机匣成形包套侧面；
所述的步骤(4)中，高温下抽真空是指温度为600-800℃，真空度优于5*10-3Pa，抽真空时间不少于4h；
所述的步骤(5)中，热等静压处理的工艺参数为：温度为900-950℃，压力不小于120MPa，时间为1-5h。
有益效果
(1)本发明的方法制备的中介机匣构件，组织性能均匀，内应力小，尺寸稳定性好，内部缺陷控制良好，研制周期短，材料利用率高。实现中介机匣多数结构的一次成形，大幅度减少焊接位置，提高中介机匣的结构强度和疲劳强度，将对新一代航空发动机的研制起到强有力的推动作用，也为我国未来航空武器装备所需的更高性能航空发动机研制奠定材料及工艺技术基础。
(2)根据该方法制备出的整体中介机匣，主要解决了传统装粉振实密度不够、各处位置装粉不均匀的问题，使成形的中介机匣各个位置的厚度均匀，解决了分流环和支板的近净成形尺寸不达标的情况，显著提高了产品质量。
(3)本发明的装粉孔位置的总体要求是“分层固定”，根据中介机匣从内到外的层数设计装粉孔层数，每层的装粉孔数量是承力支板数量的2倍，均布在圆周方向，间隔角度＝180°/支板数量。装粉的最终目的是提高各个位置处的粉末振实密度，因此采用振动和多点冲击相结合的方式，其中振动利用高频振动台，多点冲击利用自制的多点冲击装粉机，其原理就是三个气压锤120°均布在圆周方向，可上下移动，包套放置在转盘上旋转，不间断敲击包套外形面。两种方式相结合的好处是提供两个方向的力对粉末进行均匀和振实处理。
附图说明
图1为中介机匣结构示意图；
图2为多点振实装粉机的结构示意图，其中，1-转盘，2-气压锤。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例
某新型涡扇发动机是我国新型战斗机的动力装置，其应用前景十分广泛，战略意义重大。该型中介机匣材料是TA15钛合金，从内到外共有三层结构，如图1所示，内层为K字型内机匣，中间一层分流环为半封闭V字型，外机匣上有三条安装边和不同形状安装座，承力支板均布排列。产品厚度不一，最薄处仅为1.2mm，其余位置多数厚度为1.5～3.5mm之间。以该型发动机粉末冶金中介机匣为例，讲述热等静压粉末冶金制备中介机匣的方法。
(1)该型中介机匣结构从内到外包括K字型内机匣、V字型分流环和外机匣，细分共有5层，且周向均布10个承力支板。分别加工内机匣成形包套、外机匣成形包套、10个承力支板成形包套、分流环成形包套和密封盖，密封盖上开有一通孔，用于与真空泵连接。根据装粉孔位置“分层均布”的总体要求，设计了5层各20个装粉孔，共100个。每层装粉孔均是20°均匀排列，其中10个角度和支板中心线重合。装粉孔深度从20～166mm不等，孔内的粉均可以补偿到产品结构上。
(2)将加工得到的内机匣成形包套、外机匣成形包套、承力支板成形包套和分流环成形包套进行组合装配并进行焊接，得到中介机匣成形包套；
(3)装粉之前，理论计算包套装粉量为80kg。中介机匣包套焊接完成后，从装粉孔将TA15钛合金均匀倒入包套内，当装粉量到40kg时，首先开启振动台，振动1小时后移至多点冲击装粉机，旋转冲击2小时。继续从装粉孔将TA15钛合金均匀倒入包套内，当装粉量到48kg时，开启振动台，振动1.5小时后移至多点冲击装粉机，旋转冲击3小时，前期装粉过程结束。
(4)前期过程结束后将第一个承力支板沿该承力支板的中心线位置倾斜10°，然后在高点位置处的装粉孔继续装粉，并采用振动和多点冲击相结合的方式振实粉末，装粉时间30min，然后将第二个承力支板沿该承力支板的中心线位置倾斜10°，然后在高点位置处的装粉孔继续装粉，并采用振动和多点冲击相结合的方式振实粉末，装粉时间30min，以此类推，直至将第10个承力支板沿该承力支板的中心线位置倾斜10°，然后在高点位置处的装粉孔继续装粉，并采用振动和多点冲击相结合的方式振实粉末，直至装满中介机匣成形包套。最终装粉量为81.2kg，比理论计算值大的原因是粉末在振动、转移和冲击过程中有部分损失。多点冲击采用如图2所示的装置进行振实；
(5)将密封盖与装粉后的中介机匣成形包套进行装配焊接，高温下抽真空，抽真空温度700℃，时间6h，然后进行封焊。
(6)将封焊后的中介机匣成形包套进行热等静压处理，热等静压工艺参数920℃，125MPa，保温保压时间2h。
(7)采用加工和电化学化铣相结合的工艺除去中介机匣成形包套，得到中介机匣。
取样对成形的中介机匣常温、高温力学性能、持久性能进行了测试，测试标准分别是GB/T228、GB/T4338和GB/T2039，其中常温力学性能的屈服强度分别为926MPa、921MPa和925MPa，抗拉强度分别为995MPa、994MPa和996MPa，伸长率分别为17.0％、19.0％和18.5％，断面收缩率分别为37％、46％和46％；500℃抗拉强度分别为652MPa、632MPa和641MPa；500℃，470MPa下的持久性能测试数据均为60h未断。对成形的中介机匣进行荧光检测，荧光检测按GJB 2367A进行，结果未发现表面裂纹。对成形的中介机匣进行X射线检测，按GJB1187A进行，并按ASTM E1320进行判定，结果X射线检测未见气孔、疏松和夹杂。粉末冶金制备的中介机匣综合性能和内部质量均满足设计要求。

Claims (14)

1.一种采用热等静压粉末冶金制备中介机匣的方法，其特征在于该方法的步骤包括：
(1)分别加工内机匣成形包套、外机匣成形包套、承力支板成形包套、分流环成形包套和密封盖；
(2)将步骤(1)加工得到的内机匣成形包套、外机匣成形包套、承力支板成形包套和分流环成形包套进行组合装配并进行焊接，得到中介机匣成形包套；
(3)在步骤(2)得到的中介机匣成形包套中装入钛合金球形粉末；
(4)将步骤(1)加工得到的密封盖与步骤(3)中装粉后的中介机匣成形包套进行装配焊接，高温下抽真空，然后进行封焊；
(5)将步骤(4)封焊后的中介机匣成形包套进行热等静压处理；
(6)去除中介机匣成形包套，得到中介机匣；
所述的步骤(1)中，承力支板成形包套为m个，加工得到的内机匣成形包套每层的顶端、外机匣成形包套的顶端、m个承力支板成形包套的顶端、分流环成形包套的顶端均开有n个通孔，n为承力支板数量的两倍，即n＝2m；所有通孔均作为装粉孔。
2.根据权利要求1所述的一种采用热等静压粉末冶金制备中介机匣的方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，密封盖上开有一通孔，用于与真空泵连接。
3.根据权利要求1所述的一种采用热等静压粉末冶金制备中介机匣的方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，在中介机匣成形包套中装入钛合金球形粉末的方法为：通过装粉孔将钛合金球形粉末均匀装入到中介机匣成形包套中，装粉过程分为前期和后期两个过程，前期过程装粉量为理论装粉量的50％-70％。
4.根据权利要求3所述的一种采用热等静压粉末冶金制备中介机匣的方法，其特征在于：前期过程中采用振动和多点冲击相结合的方式振实粉末。
5.根据权利要求3所述的一种采用热等静压粉末冶金制备中介机匣的方法，其特征在于：前期过程结束后进入后期过程，后期过程中首先将第一个承力支板成形包套沿该承力支板成形包套的中心线位置倾斜5°～10°，然后在高点位置处的装粉孔继续装粉，并采用振动和多点冲击相结合的方式振实粉末，装粉时间15-30min，然后将第二个承力支板成形包套沿该承力支板成形包套的中心线位置倾斜5°～10°，然后在高点位置处的装粉孔继续装粉，并采用振动和多点冲击相结合的方式振实粉末，装粉时间15-30min，以此类推，直至将第m个承力支板成形包套沿该承力支板的中心线位置倾斜5°～10°，然后在高点位置处的装粉孔继续装粉，并采用振动和多点冲击相结合的方式振实粉末，直至装满中介机匣成形包套。
6.根据权利要求5所述的一种采用热等静压粉末冶金制备中介机匣的方法，其特征在于：所述的高点位置处的装粉孔是指距离地面相对高的装粉孔。
7.根据权利要求5所述的一种采用热等静压粉末冶金制备中介机匣的方法，其特征在于：高点位置处的装粉孔数量为所有装粉孔的一半。
8.根据权利要求4-7任一所述的一种采用热等静压粉末冶金制备中介机匣的方法，其特征在于：所述的振动是指在中介机匣成形包套的底部对中介机匣成形包套进行振动，对钛合金球形粉末进行振实；振动采用的设备为频率和振幅可调节的振动台。
9.根据权利要求4-7任一所述的一种采用热等静压粉末冶金制备中介机匣的方法，其特征在于：所述的多点冲击是指在中介机匣成形包套的侧面对中介机匣成形包套进行敲打，对钛合金球形粉末进行振实。
10.根据权利要求9所述的一种采用热等静压粉末冶金制备中介机匣的方法，其特征在于：多点冲击采用的设备为多点振实装粉机。
11.根据权利要求10所述的一种采用热等静压粉末冶金制备中介机匣的方法，其特征在于：多点振实装粉机包括中间的转盘和固定在转盘上的三个120°均布的丝杠，每个丝杠内均有一个气压锤，气压锤在丝杠内可上下移动；将中介机匣成形包套放置在转盘上旋转，使用气压锤不间断敲打中介机匣成形包套侧面。
12.根据权利要求1所述的一种采用热等静压粉末冶金制备中介机匣的方法，其特征在于：所述的步骤(4)中，高温下抽真空是指温度为600-800℃，真空度优于5*10-3Pa，抽真空时间不少于4h。
13.根据权利要求1所述的一种采用热等静压粉末冶金制备中介机匣的方法，其特征在于：所述的步骤(5)中，热等静压处理的工艺参数为：温度为900-950℃，压力不小于120MPa，时间为1-5h。
14.根据权利要求1所述的一种采用热等静压粉末冶金制备中介机匣的方法，其特征在于：所述的步骤(6)中，采用加工和电化学化铣相结合的工艺除去中介机匣成形包套。
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