CN109692953B - 一种航空发动机用高温合金盘件制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种航空发动机用高温合金盘件制备方法，(1)制备高温合金粉末；(2)对制备的高温合金粉末进行静电除杂；(3)对经静电除杂的高温合金粉末进行真空除气，之后使用喷射器将高温合金粉末沉积在铜制环形沉积器上，得到盘坯；(4)对得到盘坯使用等温锻造进行致密化处理；(5)对得到的盘坯进行热处理。通过本发明的航空发动机用高温合金盘件制备方法，可以制备出满足新型航空航天发动机需要的高温合金盘件。
Description
技术领域
本发明属于高温合金盘件制备技术领域，特别是涉及一种航空发动机用高温合金盘件制备方法。
背景技术
随着航空航天对发动机推重比要求的进一步提高，航空发动机热端的燃气温度不断升高，对高温合金的工作温度和性能的要求越来越高，镍基高温合金由于其较高的使用温度和优良的性能，在发动机热端的应用越来越广泛。
但随着使用温度的进一步升高，传统镍基高温合金制件由于合金偏析，组织不稳定等因素，无法满足新型发动机对于盘件的要求，美国和俄罗斯于上世纪末期开始，使用粉末冶金的方法制作镍基高温合金，粉末冶金件的组织均匀晶粒细小，显著提高了合金的力学性能。
但是粉末冶金件的制作工序复杂，常规工艺包括合金熔炼、粉末制备，粉末筛分，包套热等静压，制件锻造和热处理，基于粉末冶金件的独特性，成型后的盘件还会存在PPB、夹杂和热诱导孔洞等严重影响粉末冶金件性能的缺陷，造成持久和疲劳性能降低，甚至盘件断裂，发动机损毁等严重情况，引起重大安全事故。
发明内容
本发明的目的是提供一种航空发动机用高温合金盘件制备方法，用以制备出满足新型航空航天发动机需要的高温合金盘件。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是，一种航空发动机用高温合金盘件制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，制备高温合金粉末；
步骤2，对步骤1制备的高温合金粉末进行静电除杂；
步骤3，对经步骤2静电除杂的高温合金粉末进行真空除气，之后使用喷射器将高温合金粉末沉积在铜制环形沉积器上，得到盘坯；
步骤4，对步骤3得到盘坯使用等温锻造进行致密化处理；
步骤5，对步骤4得到的盘坯进行热处理。
本发明的技术方案，还具有以下特点：
在所述步骤1中，采用真空感应、真空自耗熔炼以及等离子旋转电极法制备高温合金粉末。
在所述步骤1中：所述高温合金粉末的粒度为53μm～150μm，氧含量小于60ppm。
在所述步骤1中：先使用静电设备对高温合金粉末进行静电除杂，静电设备抽真空至真空度小于10-3Pa，之后充入氩气进行保护。
在所述步骤2中：经过静电除杂后，高温合金粉末中非金属夹杂含量小于5颗/kg。
在所述步骤3中：使用自制粉末除气沉积设备在真空度小于5×10-3Pa、温度为350℃～550℃对高温合金粉末进行除气，除气后高温合金粉末的氧含量小于20ppm，之后高温合金粉末输送至喷射器，在30KW～50KW高功率喷射器作用下，沉积到以一定速度旋转的铜制环形沉积器上，高功率喷射器沿径向缓慢移动实现粉末盘的最终沉积，得到盘坯。
在所述步骤3中：高温合金粉末的传送速率v＝8g/s～10g/s，铜制环形沉积器的旋转角速度为10r/min～12r/min，沉积过程中喷射器距离沉积面的PV值保持30mm～40mm。
在所述步骤4中，在1160℃～1200℃下对盘坯进行等温锻造。
在所述步骤4中，锻造用的上下模具需预热至1000℃～1050℃，锻造压力为55MN～65MN，应变速率为0.002s-1～0.005s-1。
本发明的有益效果是：(1)使用粉末等离子旋转电极法制备，制备得到的高温合金粉末含氧量极低，粉末球形度高；(2)使用静电分离对高温合金粉末进行除杂，最大限度去除粉末中严重影响成型件性能和使用寿命的非金属夹杂；(3)使用粉末除气沉积设备对粉末进行一次性除气和沉积，避免了粉末除气后保存过程中的二次吸气，除气和沉积过程在高真空保护下进行，避免了高温合金粉末受气体和外来物的污染，沉积过程不使用焊接包套，不会引入因包套制作而产生的焊渣和异质合金，在保留了粉末冶金件无宏观偏析、组织均匀细小等优点的同时，最大限度的去除了非金属夹杂物，并有效的抑制了PPB和热诱导孔洞等因为除气不彻底而产生的冶金缺陷，疲劳性能从均值50000～60000周次提升到100000周次以上，持久性能从120h提升到230h，盘件力学性能显著提高；(4)所制盘件俯尺寸不受包套尺寸及热等静压设备的限制。
附图说明
图1是本发明的一种航空发动机用高温合金盘件制备方法中的工作原理图。
图中，1.机械泵，2.罗茨泵，3.扩散泵，4.料罐，5.下粉管，6.粉末喷射器位移导轨，7.环形沉积器，8.粉末喷射器，9.除气沉积设备，10.连接管，11.除气设备，12.沉积的粉末盘，13.沉积器旋转台。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的技术方案，作进一步地详细说明。
本发明的一种航空发动机用高温合金盘件制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，采用真空感应、真空自耗熔炼以及等离子旋转电极法制备高温合金粉末；制得的高温合金粉末的粒度为53μm～150μm，氧含量小于60ppm；
步骤2，先使用静电设备对高温合金粉末进行静电除杂，静电设备抽真空至真空度小于10-3Pa，之后充入氩气进行保护，经过静电除杂后，高温合金粉末中非金属夹杂含量小于5颗/kg；
步骤3，使用自制粉末除气沉积设备在真空度小于5×10-3Pa、温度为350℃～550℃对高温合金粉末进行除气，除气后高温合金粉末的氧含量小于20ppm，之后高温合金粉末输送至喷射器，在30KW～50KW高功率喷射器作用下，沉积到以一定速度旋转的铜制环形沉积器上，高功率喷射器沿径向缓慢移动实现粉末盘的最终沉积，得到盘坯；高温合金粉末的传送速率v＝8g/s～10g/s，铜制环形沉积器的旋转角速度为10r/min～12r/min，沉积过程中喷射器距离沉积面的PV值保持30mm～40mm；
步骤4，在1160℃～1200℃下对盘坯使用等温锻造进行致密化处理；锻造用的上下模具需预热至1000℃～1050℃，锻造压力为55～65MN，应变速率为0.002s-1～0.005s-1。
步骤5，先对步骤4得到的盘坯进行热处理，在经过机加工即可得到航空发动机用盘形制件。
如图1所示，结合图简述步骤3的原理：
将装粉料罐4固定在除气沉积设备9上方，通过连接管10连接料罐上方阀口和除气沉积设备9，使用机械泵1，罗茨泵2以及扩散泵3对整体进行抽真空，真空度要求小于5×10- 3Pa。，使用除气设备11在350℃对粉末进行除气，除气后粉末氧含量小于20ppm，而后粉末输送至喷射器，在30KW高功率粉末喷射器8的作用下，沉积到以一定速度旋转的铜制环形沉积器7上，高功率喷射器8沿径向导轨6缓慢移动实现粉末盘12的最终沉积。
实施例1
本发明的一种航空发动机用高温合金盘件制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，采用真空感应、真空自耗熔炼以及等离子旋转电极法制备高温合金粉末；制得的高温合金粉末的粒度为53μm，氧含量小于60ppm；
步骤2，先使用静电设备对高温合金粉末进行静电除杂，静电设备抽真空至真空度小于10-3Pa，之后充入氩气进行保护，经过静电除杂后，高温合金粉末中非金属夹杂含量小于5颗/kg；
步骤3，使用自制粉末除气沉积设备在真空度小于5×10-3Pa、温度为350℃对高温合金粉末进行除气，除气后高温合金粉末的氧含量小于20ppm，之后高温合金粉末输送至喷射器，在30KW高功率喷射器作用下，沉积到以一定速度旋转的铜制环形沉积器上，高功率喷射器沿径向缓慢移动实现粉末盘的最终沉积，得到盘坯；高温合金粉末的传送速率v＝8g/s，铜制环形沉积器的旋转角速度为10r/min，沉积过程中喷射器距离沉积面的PV值保持30mm；
步骤4，在1160℃下对盘坯使用等温锻造进行致密化处理；锻造用的上下模具需预热至1000℃，锻造压力为55MN，应变速率为0.002s-1。
步骤5，先对步骤4得到的盘坯进行热处理，在经过机加工即可得到航空发动机用盘形制件。
实施例2
本发明的一种航空发动机用高温合金盘件制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，采用真空感应、真空自耗熔炼以及等离子旋转电极法制备高温合金粉末；制得的高温合金粉末的粒度为60μm，氧含量小于60ppm；
步骤2，先使用静电设备对高温合金粉末进行静电除杂，静电设备抽真空至真空度小于10-3Pa，之后充入氩气进行保护，经过静电除杂后，高温合金粉末中非金属夹杂含量小于5颗/kg；
步骤3，使用自制粉末除气沉积设备在真空度小于5×10-3Pa、温度为400℃对高温合金粉末进行除气，除气后高温合金粉末的氧含量小于20ppm，之后高温合金粉末输送至喷射器，在35KW高功率喷射器作用下，沉积到以一定速度旋转的铜制环形沉积器上，高功率喷射器沿径向缓慢移动实现粉末盘的最终沉积，得到盘坯；高温合金粉末的传送速率v＝8.5g/s，铜制环形沉积器的旋转角速度为10.5r/min，沉积过程中喷射器距离沉积面的PV值保持33mm；
步骤4，在1170℃下对盘坯使用等温锻造进行致密化处理；锻造用的上下模具需预热至1010℃，锻造压力为57MN，应变速率为0.03s-1。
步骤5，先对步骤4得到的盘坯进行热处理，在经过机加工即可得到航空发动机用盘形制件。
实施例3
本发明的一种航空发动机用高温合金盘件制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，采用真空感应、真空自耗熔炼以及等离子旋转电极法制备高温合金粉末；制得的高温合金粉末的粒度为102μm，氧含量小于60ppm；
步骤2，先使用静电设备对高温合金粉末进行静电除杂，静电设备抽真空至真空度小于10-3Pa，之后充入氩气进行保护，经过静电除杂后，高温合金粉末中非金属夹杂含量小于5颗/kg；
步骤3，使用自制粉末除气沉积设备在真空度小于5×10-3Pa、温度为450℃对高温合金粉末进行除气，除气后高温合金粉末的氧含量小于20ppm，之后高温合金粉末输送至喷射器，在40KW高功率喷射器作用下，沉积到以一定速度旋转的铜制环形沉积器上，高功率喷射器沿径向缓慢移动实现粉末盘的最终沉积，得到盘坯；高温合金粉末的传送速率9g/s，铜制环形沉积器的旋转角速度为10r/min～12r/min，沉积过程中喷射器距离沉积面的PV值保持30mm～40mm；
步骤4，在1180℃下对盘坯使用等温锻造进行致密化处理；锻造用的上下模具需预热至1030℃，锻造压力为60MN，应变速率为0.03s-1。
步骤5，先对步骤4得到的盘坯进行热处理，在经过机加工即可得到航空发动机用盘形制件。
实施例4
本发明的一种航空发动机用高温合金盘件制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，采用真空感应、真空自耗熔炼以及等离子旋转电极法制备高温合金粉末；制得的高温合金粉末的粒度为145μm，氧含量小于60ppm；
步骤2，先使用静电设备对高温合金粉末进行静电除杂，静电设备抽真空至真空度小于10-3Pa，之后充入氩气进行保护，经过静电除杂后，高温合金粉末中非金属夹杂含量小于5颗/kg；
步骤3，使用自制粉末除气沉积设备在真空度小于5×10-3Pa、温度为540℃对高温合金粉末进行除气，除气后高温合金粉末的氧含量小于20ppm，之后高温合金粉末输送至喷射器，在48KW高功率喷射器作用下，沉积到以一定速度旋转的铜制环形沉积器上，高功率喷射器沿径向缓慢移动实现粉末盘的最终沉积，得到盘坯；高温合金粉末的传送速率9.5g/s，铜制环形沉积器的旋转角速度为11.5r/min，沉积过程中喷射器距离沉积面的PV值保持39mm；
步骤4，在1195℃下对盘坯使用等温锻造进行致密化处理；锻造用的上下模具需预热至1048℃，锻造压力为63MN，应变速率为0.04s-1。
步骤5，先对步骤4得到的盘坯进行热处理，在经过机加工即可得到航空发动机用盘形制件。
实施列5
本发明的一种航空发动机用高温合金盘件制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，采用真空感应、真空自耗熔炼以及等离子旋转电极法制备高温合金粉末；制得的高温合金粉末的粒度为150μm，氧含量小于60ppm；
步骤2，先使用静电设备对高温合金粉末进行静电除杂，静电设备抽真空至真空度小于10-3Pa，之后充入氩气进行保护，经过静电除杂后，高温合金粉末中非金属夹杂含量小于5颗/kg；
步骤3，使用自制粉末除气沉积设备在真空度小于5×10-3Pa、温度为550℃对高温合金粉末进行除气，除气后高温合金粉末的氧含量小于20ppm，之后高温合金粉末输送至喷射器，在50KW高功率喷射器作用下，沉积到以一定速度旋转的铜制环形沉积器上，高功率喷射器沿径向缓慢移动实现粉末盘的最终沉积，得到盘坯；高温合金粉末的传送速率v＝10g/s，铜制环形沉积器的旋转角速度为12r/min，沉积过程中喷射器距离沉积面的PV值保持40mm；
步骤4，在1200℃下对盘坯使用等温锻造进行致密化处理；锻造用的上下模具需预热至1050℃，锻造压力为65MN，应变速率为0.005s-1。
步骤5，先对步骤4得到的盘坯进行热处理，在经过机加工即可得到航空发动机用盘形制件。
Claims (3)
1.一种航空发动机用高温合金盘件制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1，制备高温合金粉末；所述高温合金粉末的粒度为53μm ~150μm，氧含量小于60ppm；
步骤2，对步骤1制备的高温合金粉末进行静电除杂；经过静电除杂后，高温合金粉末中非金属夹杂含量小于5颗/kg；
步骤3，对经步骤2静电除杂的高温合金粉末进行真空除气，之后使用喷射器将高温合金粉末沉积在铜制环形沉积器上，得到盘坯；在所述步骤3中：使用自制粉末除气沉积设备在真空度小于5×10-3Pa、温度为350℃~550℃对高温合金粉末进行除气，除气后高温合金粉末的氧含量小于20ppm，之后高温合金粉末输送至喷射器，在30KW~50KW高功率喷射器作用下，沉积到以一定速度旋转的铜制环形沉积器上，高功率喷射器沿径向缓慢移动实现粉末盘的最终沉积，得到盘坯；高温合金粉末的传送速率v=8g/s ~10g/s，铜制环形沉积器的旋转角速度为10 r/min ~12 r/min，沉积过程中喷射器距离沉积面的PV值保持30 mm ~40mm；
步骤4，对步骤3得到盘坯使用等温锻造进行致密化处理；在1160℃~1200℃下对盘坯进行等温锻造；锻造用的上下模具预热至1000℃~1050℃，锻造压力为55 MN ~65MN，应变速率为0.002s-1~0.005s-1；
步骤5，对步骤4得到的盘坯进行热处理。
2.根据权利要求1所述的航空发动机用高温合金盘件制备方法，其特征在于，在所述步骤1中，采用真空感应、真空自耗熔炼以及等离子旋转电极法制备高温合金粉末。
3.根据权利要求2所述的航空发动机用高温合金盘件制备方法，其特征在于，在所述步骤2中：先使用静电设备对高温合金粉末进行静电除杂，静电设备抽真空至真空度小于10- 3Pa，之后充入氩气进行保护。
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2018
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