CN109652749B - 一种基于局部置氢制造钛合金双性能涡轮盘的方法及产品 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空发动机零件制造领域，并具体公开了一种基于局部置氢制造钛合金双性能涡轮盘的方法及产品，其包括下列步骤：将玻璃涂层涂覆在钛合金坯料需阻氢部位的表面，并将涂覆有玻璃涂层的钛合金坯料进行烧结；将烧结后的钛合金坯料进行置氢处理，以使需置氢部位达到设计氢浓度；去除钛合金坯料上的玻璃涂层；将钛合金坯料预热并保温，然后在模锻模具上进行高温模锻成形；将模锻成形的锻件进行真空退火除氢处理，去除锻件内部的氢元素，使氢含量在0.015wt.％以下。本发明成形的涡轮盘的轮毂部分为等轴组织，轮缘部分为魏氏组织，同时轮毂与轮缘间的过渡部分组织性能连续，不存在弱连接的问题。

Description

一种基于局部置氢制造钛合金双性能涡轮盘的方法及产品

技术领域

本发明属于航空发动机零件制造领域，更具体地，涉及一种基于局部置氢制造钛合金双性能涡轮盘的方法及产品。

背景技术

涡轮盘是航空航天领域发动机中最重要的部件之一，它的工作条件恶劣，因此对材料的性能要求高。首先，涡轮盘的工作温度高，可达1000K，其次，涡轮盘的工作频率高，转速可达10000rpm以上，另外，对于涡轮盘的不同位置，涡轮盘的工作条件也不同。轮毂部分承受较大的载荷，但工作温度相对较低，轮缘部分工作温度高，承受的应力较小。

为了满足涡轮盘的性能要求，通常的做法是将涡轮盘的尺寸放大，使它的各项性能提高，能够满足更恶劣的工作环境。但是，这样的方法会使航空航天发动机的重量大大提高，生产成本也大大提高，不能满足航空航天减重和降成本的要求，于是双性能涡轮盘的成形方法越来越常见。

双性能涡轮盘，即轮毂部分有着较高的屈服强度和低周疲劳强度，轮缘部分有较高的断裂韧性和抗蠕变性能。目前，制作双性能涡轮盘的方法有双合金法和单合金法。双合金法即在轮毂部分和轮缘部分分别运用两种合金材料，分别满足轮毂和轮缘的性能要求，但这种方法难以解决轮毂和轮缘间的弱连接与组织性能平滑过渡问题。双合金双性能涡轮盘的技术瓶颈难以攻克间接推动了单合金双性能涡轮盘的发展，为实现双性能要求，需使轮毂部分的晶粒为细晶，轮缘部分的晶粒为粗晶。不仅如此，还需保证在轮缘和轮毂的过渡部分有着良好的组织性能连续，否则双性能涡轮盘在工作过程中，组织性能不连续的区域易发生断裂等缺陷，这对于航空航天发动机而言是致命的。为实现组织性能良好的连续性，目前的办法主要是对双性能涡轮盘进行梯度热加工和梯度热处理，但是梯度热处理对温度梯度的精度要求高，很难实现轮缘与轮毂部分组织性能的平缓过渡，仍然会有过渡区域“弱连接”的问题。

对于钛合金双性能涡轮盘而言，理想的情况是轮毂部分为等轴组织，轮缘部分为网篮组织或魏氏组织。除了应用梯度热处理的方法成形外，还能通过控制变形量来控制轮缘与轮毂最后形成的组织。这种方法首先需要将坯料加热至相变点温度以上进行保温，然后淬火得到大量针状马氏体，在变形过程中，控制轮缘有较大变形量，轮毂有较小变形量，使轮缘区域针状马氏体变形破裂，然后在随后的热处理过程中分解成等轴组织，轮毂部分的马氏体依然保持针状，在随后的热处理过程中分解成网篮组织。这种方法的缺点在于难以准确控制过渡区域的组织，过渡区域组织性能的连续性不好。为了解决这个问题，授权公告号为CN 101629273B的专利在此基础上提出一种通过多次的局部加载来精准控制各个区域变形量的方法，能够控制过渡区域最终的组织为双态组织，但这种方法成形过程与热处理步骤复杂，需要多次锻造成形。

发明内容

为了满足钛合金双性能涡轮盘的性能要求，克服传统工艺的不足，本发明提出了一种基于局部置氢制造钛合金双性能涡轮盘的方法及产品，其利用阻氢结合置氢的方式控制涡轮盘不同区域的氢含量，使得最终成形的涡轮盘的轮毂部分为等轴组织，轮缘部分为魏氏组织，同时轮毂与轮缘间的过渡部分组织性能连续，不存在弱连接的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种基于局部置氢制造钛合金双性能涡轮盘的方法，其包括下列步骤：

S1在钛合金坯料需阻氢部位的表面涂覆玻璃涂层，并将涂覆有玻璃涂层的钛合金坯料在玻璃涂层软化温度下进行烧结；

S2将烧结后的钛合金坯料放置在真空置氢炉中置氢，在所需的置氢温度下保温一段时间，使氢元素从钛合金坯料的侧面向内扩散，以使钛合金坯料的氢含量由外至内呈梯度分布，且轮缘及轮缘与轮毂之间的过渡区域设定位置处达到设计氢含量，然后炉冷至室温；

S3取出已经过置氢处理的钛合金坯料，并去除钛合金坯料上的玻璃涂层；

S4将已去除玻璃涂层的钛合金坯料预热至所需温度并保温，使未置氢的轮毂组织为α+β两相区组织，置氢的轮缘组织为β相区组织，然后将已预热的钛合金坯料在模锻模具上进行高温模锻成形，并随炉冷至室温；

S5将模锻成形获得的锻件进行真空退火除氢处理，去除锻件内部的氢元素，使得氢含量在0.015wt.％以下。

作为进一步优选的，步骤S1中的烧结温度为900℃±50℃，烧结时间为30min。

作为进一步优选的，步骤S1中玻璃涂层的厚度控制在30μm-50μm，玻璃涂层的浆料为不与钛合金表面发生化学反应的材料。

作为进一步优选的，玻璃涂层涂覆在钛合金坯料上对应轮毂、轮缘及过渡区域的上下表面，而轮缘的侧面不涂覆。

作为进一步优选的，步骤S2中，置氢温度为750℃，轮缘设定位置为距轮缘外侧面距离等于轮缘半径25％处，该处氢含量设计为0.08wt.％-0.15wt.％，过渡区域设定位置为距轮缘外侧面距离等于轮缘半径50％处，该处氢含量设计为低于0.08wt.％。

作为进一步优选的，步骤S2中保温时间采用如下公式计算：

式中，C₀为材料原始氢浓度，C_s为气氛氢浓度，t为保温时间，C(x,t)为保温时间为t时距离轮缘外侧面x处的氢含量，D为氢原子在钛合金中的扩散系数。

作为进一步优选的，步骤S4中钛合金坯料的预热温度在已置氢的过渡区β相变点温度与已置氢轮缘β相变点温度之间，保温时间为1h。

作为进一步优选的，步骤S4中高温模锻成形过程中轮毂的变形量为50％-70％，轮缘的变形量为50％以下。

作为进一步优选的，步骤S5中真空退火除氢处理的温度为700℃，处理时间为4h。

按照本发明的另一方面，提供了一种基于局部置氢制造的钛合金双性能涡轮盘，其采用所述方法制备。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明方法成形的钛合金双性能涡轮盘与现有的工艺成形的双性能涡轮盘相比，成形方法简单，过渡区域的组织性能连续性更好，不需要进行梯度热加工和梯度热处理，预制坯步骤简单，加工次数少，后续热处理步骤简单。

2.本发明的高温模锻温度在已置氢的过渡区β相变点温度与已置氢轮缘β相变点温度之间，使成形后轮毂处的组织等轴α相含量高，形成等轴组织，过渡区域等轴α相含量稍低，形成等轴α与片状组织共同存在的双态组织，置氢量高的轮缘形成魏氏组织或网篮组织。

附图说明

图1为本发明的基于局部置氢制造钛合金双性能涡轮盘方法的流程图；

图2为TC4-xH体系的相图；

图3为坯料形状、涂层以及区域划分示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为解决钛合金双性能涡轮盘弱连接的问题，同时简化生产流程，本发明基于钛合金置氢加工理论提出了一种基于局部置氢制造钛合金双性能涡轮盘的方法，通过在钛合金坯料上下表面涂覆玻璃涂层阻止氢的扩渗，侧面区域不涂覆玻璃涂层让氢渗入，实现坯料边缘至中心氢含量的梯度减少，然后再进行高温模锻。钛合金置氢后的区域，原来的β相变点会降低，氢含量越高，相变点温度下降量越大，通过控制坯料由外至内的氢含量，即可实现钛合金坯料不同部位在不同状态下的模锻变形，进而获得不同的组织性能。

本发明方法能实现轮毂细晶、轮缘粗晶的要求，其基本原理是首先通过置氢使得轮缘到过渡区的氢含量由外至内呈梯度分布(含量依次减少)，以此使得过渡区到轮缘处材料的β相变点温度依次下降；然后，在模锻预热温度(在已置氢的过渡区β相变点温度与已置氢轮缘β相变点温度之间)下预热，由于从轮毂至轮缘β相变点温度依次下降，模锻预热温度低于轮毂β相变点温度，轮毂组织为α+β两相区的组织，模锻预热温度接近过渡区β相变点温度，过渡区为α+β两相区的组织，模锻预热温度高于轮缘β相变点温度，将发生相变，轮缘组织为β相区组织；最后，在模锻预热温度下进行模锻变形，轮毂变形量大，轮缘变形量小，轮毂组织发生动态再结晶生成晶粒细小的等轴组织，由于模锻预热温度与过渡区β相变点温度接近，在模锻变形下等轴晶粒长大，部分形成片状组织，以此过渡区形成等轴和片状组织共存的双态组织，而到了轮缘处，在较小的变形量作用下，得到晶粒较大的魏氏组织。

如图1所示，本发明实施例提供的一种基于局部置氢制造钛合金双性能涡轮盘的方法，其包括下列步骤：

S1阻氢玻璃涂层的制备、涂覆与烧结过程

制备玻璃涂层浆料，利用涂刷的方法将玻璃涂层浆料涂覆在钛合金坯料需要阻氢的部位，涂层需涂覆均匀，尽量避免气泡的产生，并在玻璃浆料的软化温度下，即900℃±50℃进行烧结，保温30min，在上述烧结工艺下，玻璃涂层能较为稳定的固定在坯料表面，对于涡轮盘而言，玻璃涂层覆盖在钛合金坯料上对应轮毂、轮缘、轮毂与轮缘过渡区域的上下表面，而轮缘侧面不做覆盖，具体参见图3，以此使得氢元素能从轮缘的侧面进入，达到坯料由外至内氢含量梯度减少的目的；

具体的，玻璃涂层厚度控制在30μm-50μm，以此能有效达到阻氢目的，玻璃母料为不会与钛合金表面发生化学反应的材料，烧结成涂层后靠分子间作用力与钛合金表面结合，方便后续的去除操作；

S2置氢处理过程

将烧结后的钛合金坯料放置在真空置氢炉中置氢，置氢温度为750℃，调整氢分压，保温一段时间(即置氢时间)，以使需置氢的部位(包括轮缘部分和过渡区域)达到所需氢浓度，然后炉冷至室温；具体的，使距轮缘外侧面距离等于轮缘半径25％处(其对应于轮缘的某处)的氢含量为0.08wt.％-0.15wt.％，距轮缘外侧面距离等于轮缘半径50％处(其对应于过渡区的某处)的氢含量低于0.08wt.％，由此使得钛合金不同区域的相变点下降到所需温度范围，便于确定模锻预热温度，置氢时间采用下式计算获得：

式中，C₀为材料原始氢浓度，C_s为气氛氢浓度(置氢气氛中氢气的质量分数，通过氢分压即可计算获得)，C_s可根据需要设定，t为置氢时间，D为氢原子在钛合金中的扩散系数，C(x,t)为置氢时间为t时距离轮缘侧面x处的氢含量，例如距轮缘侧面距离等于轮缘半径25％处的氢含量C(x,t)为0.08wt.％-0.15wt.％，距轮缘侧面距离等于轮缘半径50％处的氢含量C(x,t)低于0.08wt.％，当坯料尺寸设定后，上述x的大小即为已知参数；

S3阻氢涂层去除过程

取出已经过置氢处理的钛合金坯料，在喷砂机中通过喷砂处理使表面剥离涂层脱落；

S4高温模锻过程

将已去除玻璃涂层的钛合金坯料预热至已置氢的过渡区β相变点温度与已置氢轮缘β相变点温度之间，该温度位于未置氢钛合金的α+β两相区的下半部，保温一定时间，使坯料充分热透，以使得未置氢的轮毂组织为α+β两相区的组织，置氢的过渡区组织为α+β两相区的组织，置氢的轮缘组织为β相区的组织，然后将已预热的钛合金坯料移动到预热至400℃(的模锻模具上进行不同变形量的高温模锻成形，模锻后炉冷至室温，其中，轮毂的变形量为50％-70％，轮缘的变形量为50％以下，过渡区变形量与轮缘保持一致，以使轮毂部分受到较大变形细化晶粒，轮缘部分变形量较小，保持较粗大晶粒；

S5除氢处理过程

将模锻成形获得的锻件进行真空退火除氢处理，处理温度为700℃，处理时间为4h，以去除锻件内部的氢元素，使得氢含量在0.015wt.％以下，并消除内应力，分解亚稳相。

下面以TC₄钛合金双性能涡轮盘为例对本发明的方法进行详细说明。

(a)制备玻璃浆料，浆料的具体成分是质量分数50％的SiO₂、20％的B₂O₃、5％的Na₂O、5％的Li₂O、5％的ZrO₂、5％的TiO₂、其余10％的CaO，将制备好的玻璃浆料均匀涂覆在圆饼状坯料的上下表面，在950℃进行烧结，保温30min，控制涂层厚度为30-50μm；

(b)如图3所示，TC₄钛合金坯料尺寸为外缘直径φ600mm，中间轮毂直径φ240mm，轮毂高度为300mm，轮缘部分高度为200mm，将已经覆盖一层涂层的TC₄钛合金坯料放在真空置氢炉中，进行高温置氢，置氢炉温度保持在750℃，控制氢分压，设计距轮缘外侧面的距离等于轮缘半径25％(即x1＝25％×600/2＝75mm，如图3所示)处的氢含量C(x,t)为0.15wt.％，距轮缘外侧面的距离等于轮缘半径50％(即x2＝50％×600/2＝150mm，如图3所示)处的氢含量C(x,t)为0.07wt.％，按照上式(1)计算出保温时间为120min，在上述置氢工艺下置氢，使得坯料由外至内氢含量逐渐减小，呈梯度分布，且成形后涡轮盘轮缘某处含氢量为0.15wt.％，过渡区域某处含氢量为0.07wt.％，根据图2可以得到已置氢轮缘部分的相变点为880℃，已置氢过渡区域相变点为930℃，置氢完成后，随炉冷却；

(c)将置氢后的坯料在喷砂机中进行喷砂处理去除表面阻氢涂层，随后对表面进行清洗，去除杂质；

(d)将已经进行了局部置氢的坯料进行高温模锻，将坯料加热至900℃(位于880℃和930℃之间)，保温1h，使坯料充分热透，然后放入温度保持在400℃的模锻模具中进行模锻成形，其中轮毂的变形量为60％，轮缘的变形量为40％以下，过渡区变形量与轮缘一样，锻造后炉冷至室温；

(e)将已成形的涡轮盘进行真空退火处理，退火温度为700℃，保温时间为4h，随后炉冷至室温，炉内保持真空，使涡轮盘的含氢量降至0.015wt.％以下。

上述制备的TC₄钛合金双性能涡轮盘的轮缘部分为晶粒较大的魏氏组织，有着良好的断裂韧性和抗蠕变性能，轮毂为晶粒细小的等轴组织，有着较高的屈服强度和低周疲劳强度，轮毂与轮缘间的过渡区域的组织为双态组织，性能处于魏氏组织和等轴组织之间，与轮毂和轮缘都有良好的组织性能过渡，避免了弱链接的问题。

本发明利用局部置氢获得不同部位具有不同氢含量的锻造坯料，随后通过模锻完成钛合金双性能涡轮盘的成形，在轮毂和轮缘获得不同的组织性能，实现涡轮盘轮缘部分为断裂韧性和抗蠕变性强的魏氏组织或网篮组织，轮毂部分为屈服强度和低周疲劳强度高的等轴组织，不仅能满足轮毂和轮缘性能的要求，还能实现轮毂和轮缘组织连续、过渡平缓，并且整个制造过程简单、易控。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于局部置氢制造钛合金双性能涡轮盘的方法，其特征在于，包括下列步骤：

S1在钛合金坯料需阻氢部位的表面涂覆玻璃涂层，并将涂覆有玻璃涂层的钛合金坯料在玻璃涂层软化温度下进行烧结；

S2将烧结后的钛合金坯料放置在真空置氢炉中置氢，在所需的置氢温度下保温一段时间，使氢元素从钛合金坯料的侧面向内扩散，以使钛合金坯料的氢含量由外至内呈梯度分布，且轮缘及轮缘与轮毂之间的过渡区域设定位置处达到设计氢含量，然后炉冷至室温；

S3取出已经过置氢处理的钛合金坯料，并去除钛合金坯料上的玻璃涂层；

S4将已去除玻璃涂层的钛合金坯料预热至所需温度并保温，使未置氢的轮毂组织为α+β两相区组织，置氢的轮缘组织为β相区组织，然后将已预热的钛合金坯料在模锻模具上进行高温模锻成形，并随炉冷至室温；

S5将模锻成形获得的锻件进行真空退火除氢处理，去除锻件内部的氢元素，使得氢含量在0.015wt.％以下。

2.如权利要求1所述的基于局部置氢制造钛合金双性能涡轮盘的方法，其特征在于，步骤S1中的烧结温度为900℃±50℃，烧结时间为30min。

3.如权利要求1所述的基于局部置氢制造钛合金双性能涡轮盘的方法，其特征在于，步骤S1中玻璃涂层的厚度控制在30μm-50μm，玻璃涂层的浆料为不与钛合金表面发生化学反应的材料。

4.如权利要求1所述的基于局部置氢制造钛合金双性能涡轮盘的方法，其特征在于，玻璃涂层涂覆在钛合金坯料上对应轮毂、轮缘及过渡区域的上下表面，而轮缘的侧面不涂覆。

5.如权利要求1所述的基于局部置氢制造钛合金双性能涡轮盘的方法，其特征在于，步骤S2中，置氢温度为750℃，轮缘设定位置为距轮缘外侧面距离等于轮缘半径25％处，该处氢含量设计为0.08wt.％-0.15wt.％，过渡区域设定位置为距轮缘外侧面距离等于轮缘半径50％处，该处氢含量设计为低于0.08wt.％。

6.如权利要求1所述的基于局部置氢制造钛合金双性能涡轮盘的方法，其特征在于，步骤S2中保温时间采用如下公式计算：

式中，C₀为材料原始氢浓度，C_s为气氛氢浓度，t为保温时间，C(x,t)为保温时间为t时距离轮缘外侧面x处的氢含量，D为氢原子在钛合金中的扩散系数。

7.如权利要求1所述的基于局部置氢制造钛合金双性能涡轮盘的方法，其特征在于，步骤S4中钛合金坯料的预热温度在已置氢的过渡区β相变点温度与已置氢轮缘β相变点温度之间，保温时间为1h。

8.如权利要求1-7任一项所述的基于局部置氢制造钛合金双性能涡轮盘的方法，其特征在于，步骤S4中高温模锻成形过程中轮毂的变形量为50％-70％，轮缘的变形量为50％以下。

9.如权利要求1-7任一项所述的基于局部置氢制造钛合金双性能涡轮盘的方法，其特征在于，步骤S5中真空退火除氢处理的温度为700℃，处理时间为4h。

10.一种基于局部置氢制造的钛合金双性能涡轮盘，其特征在于，采用如权利要求1-9任一项所述的方法制备。

Images