CN109014176A - 一种燃气涡轮发动机叶片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃气涡轮发动机叶片的制备方法，包括以下步骤：1)备料；2)密炼造粒；3)注射成形；4)一阶溶剂脱脂；5)二阶热脱脂及烧结；6)热等静压；7)热处理。本发明提供的技术方案由于采用了金属注射成形的成形方式，适合制备形状复杂、尺寸精度高的零件，由于金属注射成形具有效率高并且成本低，因而能满足大批量加工的要求；由于本发明制备的叶片可以达到全致密，材料组织和晶粒度可调，可满足叶片的室温及高温蠕变性能的要求，确保其使用的稳定性和持久的寿命。
Description
技术领域
本发明涉及金属粉末注射成形技术领域，具体涉及一种燃气涡轮发动机叶片的制备方法。
背景技术
燃气涡轮发动机作为一种高效的动力机械，在航空及汽车领域运用广泛。燃气涡轮发动机非常重要的一个部件就是叶片，因其受高温燃气的高速冲击，承受各种形式的力的作用，其工作环境也相当严酷，高温、腐蚀性气体、硫化物等都有可能对叶片表面造成不同程度的损伤，甚至造成叶片产生裂纹。最严重的是叶片要承受很大的热应力作用，这样很可能导致其热疲劳指标和高温蠕变性能的失效。涡轮叶片一旦损坏，将造成严重的事故，轻则燃气轮机停机，重则机毁人亡。
正因如此，对涡轮发动机叶片不仅要求极高的尺寸精度，而且需要优良的高温性能。
传统的燃气涡轮发动机叶片大多采用机械加工或精密铸造成形。机械加工虽然可以满足叶片的高尺寸精度要求，但是加工效率低，加工成本居高不下；而采用精密铸造成形，一方面无法满足叶片的高尺寸精度的要求，需要增加二次精加工，另一方面铸造成形难以避免的存在一些内部缺陷(如缩孔、缩松等)，影响叶片的高温性能，进而影响使用稳定性和寿命。
金属注射成形MIM(Metal injection Molding,MIM)是一种将金属粉末与其粘结剂的增塑混合料注射于模型中的成形方法。它是先将所选粉末与粘结剂进行混合，然后将混合料进行制粒再注射成形所需要的形状。聚合物将其粘性流动的特征赋予混合料，而有助于成形、模腔填充和粉末装填的均匀性。成形以后排除粘结剂，再对脱脂坯进行烧结。有的烧结产品还可能要进行进一步致密化处理、热处理或机加工。烧结产品不仅具有与塑料注射成形法所得制品一样的复杂形状和高精度，而且具有与锻件接近的物理、化学与机械性能。该工艺技术适合大批量生产小型、精密、三维形状复杂以及具有特殊性能要求的金属零部件的制造。在公开的中国专利文献中CN104841940A推荐一种小型涡轮发动机叶片的金属注射成形的制备方法，但该法制备的叶片尺寸精度、室温强度、高温蠕变性能无法满足高性能燃气涡轮发动机的需求。
针对上述已有技术，本申请人作了有益的检索，形成了下面将要介绍的技术方案，并且在采取了经实验证明本技术方案制作的叶片，可确实满足燃气涡轮发动机叶片的尺寸精度，室温及高温性能，提高叶片的使用稳定性和寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种满足燃气涡轮发动机叶片的高精度、良好的室温、高温性能的一种加工方法，并且在确保加工精度及性能要求的前提下，可以大幅的提高加工效率，降低加工成本，可大批量稳定生产。采用该方法制备的燃气涡轮发动机叶片具有尺寸精度高、致密度高，无内部缺陷，优良的高温性能，进而具有高的使用稳定性及寿命。
本发明通过以下技术方案予以实现：
1)备料，按重量份数称取耐热钢粉末90～95份和粘接剂5～10份；其中所述耐热钢粉末由以下质量百分数的原料组成：0.05～0.40％的碳，≤0.07％的硅，0.50～1.20％的锰，0.20～0.80％的镍，9.80～11.50％的铬，0.50～1.00的钼，0.10～0.40％的钒，5.00～7.00％的钴，0.20～0.80％的铌，其余为铁；所述粘接剂由以下重量份的原料组成：石蜡45～50份，聚丙烯42～47份，SEBS 2～5份，AMDER 2～5份。
2)密炼造粒，将所述耐热钢粉末和粘接剂投入密炼机进行密炼，密炼均匀后再通过造粒机造成粒状喂料；
3)注射成形，将由步骤2)中得到的喂料投入安装有叶片模具的注射成形机进行注射成形，并且控制注射成形温度和压力，得到无缺陷的叶片注射生坯；
4)一阶溶剂脱脂，先将由步骤3)得到的叶片注射生坯放置于一溴丙烷中浸泡，并且控制浸泡的温度和时间，得到脱脂坯；
5)二阶热脱脂及烧结，将步骤4)中得到的脱脂坯放置在脱脂烧结炉中进行二阶热脱脂及烧结，控制热脱脂和烧结的温度和时间，得到烧结坯；
6)热等静压，将步骤5)中得到的烧结坯放置在热等静压设备中，进行热等静压，控制加压压力，加热温度及保温时间，得到全致密的叶片。
7)热处理，将步骤6)中得到的叶片放置在热处理炉中，进行固溶、时效热处理，并控制固溶、时效热处理的温度和时间，得到满足性能要求的燃气涡轮发动机叶片。
进一步的，步骤1)中按重量份数称取耐热钢粉末94份和粘接剂6份；其中所述耐热钢粉末由以下质量百分数的原料组成：0.30％的碳，≤0.05％的硅，0.80％的锰，0.50％的镍，10.80％的铬，0.70的钼，0.25％的钒，6.10％的钴，0.60％的铌，其余为铁；所述粘接剂由以下重量份的原料组成：石蜡48份，聚丙烯46份，SEBS 3份，AMDER 3份。
进一步的，步骤3)中的温度为145～160℃、压力为150～200MPa。
进一步的，步骤4)中的浸泡温度为55～60℃、浸泡时间为180～300min。
进一步的，步骤5)包括第一阶段脱脂和第二阶段脱脂，所述第二阶段脱脂过程中通入惰性气体保护。
更进一步的，所述第一阶段脱脂的温度为400～450℃、时间为150～180min；所述第二阶段脱脂的温度为600～650℃、时间为90～120min
更进一步的，所述第二阶段脱脂过程中通入的惰性气体为氮气或氩气，控制气体流量为0.8～2L/min。
进一步的，步骤5)中的烧结温度为1280～1330℃、烧结时间为120～180min，同时控制炉内压力为10～15KPa。
进一步的，步骤6)中的加压压力为200～300MPa、加热温度为1300～1350℃、保温时间为180～240min。
进一步的，步骤7)中固溶处理的温度为1150～1250℃、固溶处理的时间为60～120min，时效热处理的温度为600～650℃、时效热处理的时间为180～240min。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的技术方案由于采用了金属注射成形的成形方式，适合制备形状复杂、尺寸精度高的零件，由于金属注射成形具有效率高并且成本低，因而能满足大批量加工的要求；由于本发明制备的叶片可以达到全致密，材料组织和晶粒度可调，可满足叶片的室温及高温蠕变性能的要求，确保其使用的稳定性和持久的寿命。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种燃气涡轮发动机叶片的制备方法，包括以下步骤：
1)备料，按重量份数称取耐热钢粉末94份和粘接剂6份；其中所述耐热钢粉末由以下质量百分数的原料组成：0.30％的碳，≤0.05％的硅，0.80％的锰，0.50％的镍，10.80％的铬，0.70％的钼，0.25％的钒，6.10％的钴，0.60％的铌，其余为铁；所述粘接剂由以下重量份的原料组成：石蜡48份，聚丙烯46份，SEBS 3份，AMDER 3份。
2)密炼造粒，将所述耐热钢粉末和粘接剂投入密炼机进行密炼，密炼均匀后再通过造粒机造成粒状喂料；
3)注射成形，将由步骤2)中得到的喂料投入安装有叶片模具的注射成形机进行注射成形，并且控制注射成形温度为155℃，注射压力为180MPa，得到无缺陷的叶片注射生坯；
4)一阶溶剂脱脂，先将由步骤3)得到的叶片注射生坯放置于一溴丙烷中浸泡，并且控制浸泡温度为60℃，浸泡时间为240min，得到脱除石蜡后的脱脂坯；
5)二阶热脱脂及烧结，将步骤4)中得到的脱脂坯放置在脱脂烧结炉中进行二阶热脱脂及烧结，先将脱脂烧结炉升温至400℃，保温180min；再将脱脂烧结炉继续升温至650℃，保温90min，并通入氩气作为保护气体，氩气的流量为1L/min；热脱脂后脱脂烧结炉继续升温至1300℃，保温180min，对叶片进行烧结，并通入氩气控制炉内压力为13.3KPa，冷却出炉后得到烧结坯；
6)热等静压，将步骤5)中得到的烧结坯放置在热等静压设备中，设备加压、升温进行热等静压，控制加压压力为220MPa、，加热温度为1330℃，保温时间180min，结束后泄压、降温得到全致密的叶片。
7)热处理，将步骤6)中得到的叶片放置在热处理炉中，进行固溶、时效热处理，固溶处理的温度为1180℃，保温60min；时效热处理的温度为630℃，保温180min，得到满足最终性能要求的燃气涡轮发动机叶片。
8)对叶片进行无损探伤检测，叶片无内部缺陷；对叶片进行硬度检测，硬度为HRC38.1；对叶片进行室温抗拉强度检测，抗拉强度为1150MPa，屈服强度886MPa，伸长率12.1％；对叶片进行高温蠕变试验，在550～600℃，加载670MPa的条件下，保持200小时不断裂。
实施例2
一种燃气涡轮发动机叶片的制备方法，包括以下步骤：
1)备料，按重量份数称取耐热钢粉末92份和粘接剂8份；其中所述耐热钢粉末由以下质量百分数的原料组成：0.20％的碳，0.04％的硅，1.00％的锰，0.60％的镍，10.50％的铬，0.60％的钼，0.30％的钒，6.40％的钴，0.50％的铌，其余为铁；所述粘接剂由以下重量份的原料组成：石蜡45份，聚丙烯47份，SEBS 3份，AMDER 5份。
2)密炼造粒，将所述耐热钢粉末和粘接剂投入密炼机进行密炼，密炼均匀后再通过造粒机造成粒状喂料；
3)注射成形，将由步骤2)中得到的喂料投入安装有叶片模具的注射成形机进行注射成形，并且控制注射成形温度为150℃，注射压力为170MPa，得到无缺陷的叶片注射生坯；
4)一阶溶剂脱脂，先将由步骤3)得到的叶片注射生坯放置于一溴丙烷中浸泡，并且控制浸泡温度为58℃，浸泡时间为180min，得到脱除石蜡后的脱脂坯；
5)二阶热脱脂及烧结，将步骤4)中得到的脱脂坯放置在脱脂烧结炉中进行二阶热脱脂及烧结，先将脱脂烧结炉升温至420℃，保温170min；再将脱脂烧结炉继续升温至640℃，保温100min，并通入氩气作为保护气体，氩气的流量为1.5L/min；热脱脂后脱脂烧结炉继续升温至1320℃，保温140min，对叶片进行烧结，并通入氩气控制炉内压力为12.5KPa，冷却出炉后得到烧结坯；
6)热等静压，将步骤5)中得到的烧结坯放置在热等静压设备中，设备加压、升温进行热等静压，控制加压压力为260MPa、，加热温度为1320℃，保温时间220min，结束后泄压、降温得到全致密的叶片。
7)热处理，将步骤6)中得到的叶片放置在热处理炉中，进行固溶、时效热处理，固溶处理的温度为1200℃，保温80min；时效热处理的温度为620℃，保温200min，得到满足最终性能要求的燃气涡轮发动机叶片。
8)对叶片进行无损探伤检测，叶片无内部缺陷；对叶片进行硬度检测，硬度为HRC39.2；对叶片进行室温抗拉强度检测，抗拉强度为1180MPa，屈服强度893MPa，伸长率11.6％；对叶片进行高温蠕变试验，在550～600℃，加载670MPa的条件下，保持200小时不断裂。
实施例3
一种燃气涡轮发动机叶片的制备方法，包括以下步骤：
1)备料，按重量份数称取耐热钢粉末90份和粘接剂10份；其中所述耐热钢粉末由以下质量百分数的原料组成：0.05％的碳，0.07％的硅，0.50％的锰，0.80％的镍，9.80％的铬，1.00％的钼，0.10％的钒，7.00％的钴，0.20％的铌，其余为铁；所述粘接剂由以下重量份的原料组成：石蜡50份，聚丙烯42份，SEBS 5份，AMDER 3份。
2)密炼造粒，将所述耐热钢粉末和粘接剂投入密炼机进行密炼，密炼均匀后再通过造粒机造成粒状喂料；
3)注射成形，将由步骤2)中得到的喂料投入安装有叶片模具的注射成形机进行注射成形，并且控制注射成形温度为145℃，注射压力为200MPa，得到无缺陷的叶片注射生坯；
4)一阶溶剂脱脂，先将由步骤3)得到的叶片注射生坯放置于一溴丙烷中浸泡，并且控制浸泡温度为56℃，浸泡时间为270min，得到脱除石蜡后的脱脂坯；
5)二阶热脱脂及烧结，将步骤4)中得到的脱脂坯放置在脱脂烧结炉中进行二阶热脱脂及烧结，先将脱脂烧结炉升温至440℃，保温160min；再将脱脂烧结炉继续升温至620℃，保温110min，并通入氮气作为保护气体，氩气的流量为2L/min；热脱脂后脱脂烧结炉继续升温至1330℃，保温120min，对叶片进行烧结，并通入氩气控制炉内压力为10KPa，冷却出炉后得到烧结坯；
6)热等静压，将步骤5)中得到的烧结坯放置在热等静压设备中，设备加压、升温进行热等静压，控制加压压力为300MPa、，加热温度为1300℃，保温时间240min，结束后泄压、降温得到全致密的叶片。
7)热处理，将步骤6)中得到的叶片放置在热处理炉中，进行固溶、时效热处理，固溶处理的温度为1150℃，保温120min；时效热处理的温度为650℃，保温180min，得到满足最终性能要求的燃气涡轮发动机叶片。
8)对叶片进行无损探伤检测，叶片无内部缺陷；对叶片进行硬度检测，硬度为HRC38.6；对叶片进行室温抗拉强度检测，抗拉强度为1171MPa，屈服强度890MPa，伸长率11.5％；对叶片进行高温蠕变试验，在550～600℃，加载670MPa的条件下，保持200小时不断裂
实施例4
一种燃气涡轮发动机叶片的制备方法，包括以下步骤：
1)备料，按重量份数称取耐热钢粉末95份和粘接剂5份；其中所述耐热钢粉末由以下质量百分数的原料组成：0.40％的碳，1.20％的锰，0.20％的镍，11.50％的铬，0.50％的钼，0.40％的钒，5.00％的钴，0.80％的铌，其余为铁；所述粘接剂由以下重量份的原料组成：石蜡49份，聚丙烯47份，SEBS 2份，AMDER 2份。
2)密炼造粒，将所述耐热钢粉末和粘接剂投入密炼机进行密炼，密炼均匀后再通过造粒机造成粒状喂料；
3)注射成形，将由步骤2)中得到的喂料投入安装有叶片模具的注射成形机进行注射成形，并且控制注射成形温度为160℃，注射压力为150MPa，得到无缺陷的叶片注射生坯；
4)一阶溶剂脱脂，先将由步骤3)得到的叶片注射生坯放置于一溴丙烷中浸泡，并且控制浸泡温度为55℃，浸泡时间为300min，得到脱除石蜡后的脱脂坯；
5)二阶热脱脂及烧结，将步骤4)中得到的脱脂坯放置在脱脂烧结炉中进行二阶热脱脂及烧结，先将脱脂烧结炉升温至450℃，保温150min；再将脱脂烧结炉继续升温至600℃，保温120min，并通入氮气作为保护气体，氩气的流量为0.8L/min；热脱脂后脱脂烧结炉继续升温至1280℃，保温180min，对叶片进行烧结，并通入氩气控制炉内压力为15KPa，冷却出炉后得到烧结坯；
6)热等静压，将步骤5)中得到的烧结坯放置在热等静压设备中，设备加压、升温进行热等静压，控制加压压力为200MPa、，加热温度为1350℃，保温时间180min，结束后泄压、降温得到全致密的叶片。
7)热处理，将步骤6)中得到的叶片放置在热处理炉中，进行固溶、时效热处理，固溶处理的温度为1250℃，保温60min；时效热处理的温度为600℃，保温240min，得到满足最终性能要求的燃气涡轮发动机叶片。
8)对叶片进行无损探伤检测，叶片无内部缺陷；对叶片进行硬度检测，硬度为HRC39.8；对叶片进行室温抗拉强度检测，抗拉强度为1190MPa，屈服强度902MPa，伸长率11.2％；对叶片进行高温蠕变试验，在550～600℃，加载670MPa的条件下，保持200小时不断裂。
根据实施例1～4所述方法制造相同规格的燃气涡轮发动机叶片，与现有燃气涡轮发动机叶片做性能对比测试，得到下表数据：
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种燃气涡轮发动机叶片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)备料，按重量份数称取耐热钢粉末90～95份和粘接剂5～10份；其中所述耐热钢粉末由以下质量百分数的原料组成：0.05～0.40％的碳，≤0.07％的硅，0.50～1.20％的锰，0.20～0.80％的镍，9.80～11.50％的铬，0.50～1.00的钼，0.10～0.40％的钒，5.00～7.00％的钴，0.20～0.80％的铌，其余为铁；所述粘接剂由以下重量份的原料组成：石蜡45～50份，聚丙烯42～47份，SEBS 2～5份，AMDER 2～5份。
2)密炼造粒，将所述耐热钢粉末和粘接剂投入密炼机进行密炼，密炼均匀后再通过造粒机造成粒状喂料；
3)注射成形，将由步骤2)中得到的喂料投入安装有叶片模具的注射成形机进行注射成形，并且控制注射成形温度和压力，得到无缺陷的叶片注射生坯；
4)一阶溶剂脱脂，先将由步骤3)得到的叶片注射生坯放置于一溴丙烷中浸泡，并且控制浸泡的温度和时间，得到脱脂坯；
5)二阶热脱脂及烧结，将步骤4)中得到的脱脂坯放置在脱脂烧结炉中进行二阶热脱脂及烧结，控制热脱脂和烧结的温度和时间，得到烧结坯；
6)热等静压，将步骤5)中得到的烧结坯放置在热等静压设备中，进行热等静压，控制加压压力，加热温度及保温时间，得到全致密的叶片。
7)热处理，将步骤6)中得到的叶片放置在热处理炉中，进行固溶、时效热处理，并控制固溶、时效热处理的温度和时间，得到满足性能要求的燃气涡轮发动机叶片。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机叶片的制备方法，其特征在于，步骤1)中按重量份数称取耐热钢粉末94份和粘接剂6份；其中所述耐热钢粉末由以下质量百分数的原料组成：0.30％的碳，≤0.05％的硅，0.80％的锰，0.50％的镍，10.80％的铬，0.70的钼，0.25％的钒，6.10％的钴，0.60％的铌，其余为铁；所述粘接剂由以下重量份的原料组成：石蜡48份，聚丙烯46份，SEBS 3份，AMDER 3份。
3.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机叶片的制备方法，其特征在于，步骤3)中的温度为145～160℃、压力为150～200MPa。
4.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机叶片的制备方法，其特征在于，步骤4)中的浸泡温度为55～60℃、浸泡时间为180～300min。
5.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机叶片的制备方法，其特征在于，步骤5)包括第一阶段脱脂和第二阶段脱脂，所述第二阶段脱脂过程中通入惰性气体保护。
6.根据权利要求5所述的燃气涡轮发动机叶片的制备方法，其特征在于，所述第一阶段脱脂的温度为400～450℃、时间为150～180min；所述第二阶段脱脂的温度为600～650℃、时间为90～120min。
7.根据权利要求5所述的燃气涡轮发动机叶片的制备方法，其特征在于，所述第二阶段脱脂过程中通入的惰性气体为氮气或氩气，控制气体流量为0.8～2L/min。
8.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机叶片的制备方法，其特征在于，步骤5)中的烧结温度为1280～1330℃、烧结时间为120～180min，同时控制炉内压力为10～15KPa。
9.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机叶片的制备方法，其特征在于，步骤6)中的加压压力为200～300MPa、加热温度为1300～1350℃、保温时间为180～240min。
10.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机叶片的制备方法，其特征在于，步骤7)中固溶处理的温度为1150～1250℃、固溶处理的时间为60～120min，时效热处理的温度为600～650℃、时效热处理的时间为180～240min。
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