CN110158002B - 惯性摩擦焊转子组件的焊前及焊后热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种惯性摩擦焊转子组件的焊前及焊后热处理方法，其包括：步骤一、确认待焊零件的焊前热处理状态；步骤二、对所有待焊零件的表面进行清理，被清理的表面应呈现金属光泽；步骤三、将两个焊接零件进行固定并进行焊接；步骤四、完成焊接后将焊接好的组件固定，装入另一个焊接零件进行焊接；步骤五、待组件焊接完成后，去除所有焊接飞边，装入真空热处理炉进行焊后热处理；步骤六、焊后热处理完成后组件进行空冷或者气氛冷却；步骤七、对所述惯性摩擦焊转子组件进行检测和加工。本发明在保证材料本身组织和性能的基础上，保证组件进行统一的焊后热处理制度，为惯性摩擦焊工艺在航空发动机焊接转子组件中的应用提供支撑。

Description

惯性摩擦焊转子组件的焊前及焊后热处理方法

技术领域

本发明涉及高压压气机转子组件、高压涡轮盘轴组件的惯性摩擦焊，特别涉及一种惯性摩擦焊转子组件的焊前及焊后热处理方法。

背景技术

惯性摩擦焊焊接时，所需要的能量主要由焊机飞轮储存的旋转动能提供。惯性摩擦焊开始前，将被焊工件分别装入焊机的飞轮旋转端和固定滑移端。当焊接开始时，将飞轮和旋转零件加速到预定速度，然后飞轮与动力源(一般为主驱动电机或液压马达)脱开，滑移端零件向前移动。当零件接触后，两焊接端面开始摩擦加热。随着飞轮转速逐渐降低，当转速到达一定速度时，开始对被焊零件实施顶锻，并保持一定时间后，飞轮夹持端分开，滑移端后退并松开零件，焊接过程结束。

航空发动机转子组件包括压气机盘鼓组件、涡轮盘轴组件等，其使用条件苛刻，对焊接工艺提出了很高的要求。尤其是随着航空发动机性能的提高，在转子组件中采用了性能更好的粉末高温合金，使得转子组件的焊接组合更为复杂，包括变形高温合金GH4169、粉末高温合金FGH96同种、异种材料组合的焊接结构，即出现了诸如GH4169+FGH96+GH4169、GH4169+FGH96+FGH96等复杂材料组合的焊接结构。

针对该类型的焊接结构，目前最为可行的焊接工艺是惯性摩擦焊。该工艺作为一种固相连接，优点是工艺控制参数少、热输入小、变形小、焊缝窄，是少有的真正能达到6σ质量水平(缺陷率为百万分之3.4以下)的材料加工工艺。FGH96、GH4169经过惯性摩擦焊接过程热力耦合作用后，其组织、力学性能将发生变化，为恢复焊接接头焊缝及热影响区的最佳组织、力学性能，必须对焊接接头的焊前/后热处理制度进行合理选择。

FGH96高温合金和GH4169合金均为时效强化合金，锻件需经过固溶和时效处理才能达到最佳组织和力学性能。其中，FGH96的时效温度为750℃～770℃，GH4169的时效温度为720℃，对于FGH96同种材料、GH4169同种材料的焊接来说，只要针对其各自材料本身的热处理工艺，对其焊前、焊后热处理制度进行合理安排，即可使焊接接头和母材均达到最佳组织和性能。

但对于FGH96+GH4169异种材料焊接组合，尤其是针对更为复杂的GH4169+FGH96+GH4169、GH4169+FGH96+FGH96等材料组合，如何通过焊前、焊后热处理工艺的优化使整个组件中的焊接接头和母材均达到最佳性能，是解决惯性摩擦焊在航空发动机转子组件中应用的重要因素。

目前，国内、国外针对粉末高温合金或者新型高温合金(如U720Li)同种、异种惯性摩擦焊组件的焊前/后热处理制度公开报道很少，尚未形成统一的工艺。Z.W.HUANG等人针对采用固溶态的GH4169高温合金和U720Li合金进行异种材料组合的惯性摩擦焊，研究结果认为从微观组织上分析最优的焊后热处理制度为760℃×8h，但未对焊接接头进行力学性能测试。M.KARADGE等人采用固溶态的U720Li合金进行同种材料组合的惯性摩擦焊，焊后热处理制度为760℃×8h。O.Roder等人针对GH4169合金与Rene’88DT粉末高温合金、U720Li高温合金的惯性摩擦焊进行了研究，其中GH4169合金焊前为固溶+时效态，焊后热处理制度未明确。而国内公开资料中对于FGH96粉末高温合金同种、异种材料组合的惯性摩擦焊焊前、焊后热处理制度均无明确说明。

在航空发动机转子组件的结构设计中，综合考虑各个部位的使用条件及制造成本，在同一个组件中会出现GH4169+FGH96+GH4169、GH4169+FGH96+FGH96等复杂材料组合，如果每种组合焊接完成后即进行一次焊后热处理，则会出现组件中一部分进行了多次热处理、一部分仅进行了一次热处理的情况，多次热处理直接影响母材及焊缝的组织和性能，同时也不能保证组件中材料性能的一致性。

另外，对于FGH96异种材料组合的惯性摩擦焊接头，如果GH4169合金采用时效态焊接，并在焊后按照FGH96的时效热处理温度进行热处理，对于已经进行过时效处理的GH4169合金母材，再经历一次超出本身时效温度30℃～50℃的热处理，会直接造成显微组织长大和力学性能下降。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中惯性摩擦焊转子组件的焊前和焊后容易造成显微组织长大和力学性能下降的缺陷，提供一种惯性摩擦焊转子组件的焊前及焊后热处理方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

一种惯性摩擦焊转子组件的焊前及焊后热处理方法，其特点在于，所述热处理方法包括：

步骤一、确认待焊零件的焊前热处理状态；

步骤二、对所有待焊零件的表面进行清理，被清理的表面应呈现金属光泽；

步骤三、将两个焊接零件进行固定并进行焊接；

步骤四、完成焊接后将焊接好的组件固定，装入另一个焊接零件进行焊接；

步骤五、待组件焊接完成后，去除所有焊接飞边，装入真空热处理炉进行焊后热处理；

步骤六、焊后热处理完成后组件进行空冷或者气氛冷却；

步骤七、对所述惯性摩擦焊转子组件进行检测和加工。

根据本发明的一个实施例，所述惯性摩擦焊转子组件为三级高压压气机盘鼓组件或高压涡轮盘轴组件。

根据本发明的一个实施例，所述三级高压压气机盘鼓组件或所述高压涡轮盘轴组件从前级到后级的材料分别为GH4169、FGH96、FGH96或者GH4169、FGH96、GH4169。

根据本发明的一个实施例，所述步骤一中还包括：所述FGH96合金为固溶后进行一半时间的时效处理。

根据本发明的一个实施例，所述一半时间为4h～8h。

根据本发明的一个实施例，所述步骤一中所述GH4169合金为固溶状态。

根据本发明的一个实施例，所述步骤二中所有待焊零件的表面进行清理采用的清理方法为化学清洗和抛光，被清理的表面应呈现金属光泽。

根据本发明的一个实施例，所述步骤三中还包括：将所述GH4169合金待焊零件固定在惯性摩擦焊机的尾座，夹紧主夹持面和辅助夹持面，保证其焊接过程中不发生旋转并保证焊接过程中焊接面对中；

再将一个所述FGH96合金零件固定在惯性摩擦焊机的主轴一侧，夹紧零件的主夹持面，保证零件在焊接过程中不发生旋转，完成装配后开始焊接。

根据本发明的一个实施例，所述步骤四中所述另一个待焊接组件为另一个所述FGH96合金

根据本发明的一个实施例，所述步骤五中选用的热处理温度为(745℃～770℃)×(2.5h～6h)。

本发明的积极进步效果在于：

本发明惯性摩擦焊转子组件的焊前及焊后热处理方法对包含FGH96同种、异种材料焊接接头的航空发动机转子组件，将不同惯性摩擦焊接头的焊后热处理制度进行了统一，在保证材料本身组织和性能的基础上，保证组件进行统一的焊后热处理制度，为惯性摩擦焊工艺在航空发动机焊接转子组件中的应用提供支撑。

附图说明

本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1为本发明惯性摩擦焊转子组件的焊前及焊后热处理方法的流程示意图。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

现在将详细参考附图描述本发明的实施例。现在将详细参考本发明的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。

此外，尽管本发明中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本发明说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。

此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本发明。

图1为本发明惯性摩擦焊转子组件的焊前及焊后热处理方法的流程示意图。

如图1所示，本发明公开了一种惯性摩擦焊转子组件的焊前及焊后热处理方法，其包括：

步骤S1、确认待焊零件的焊前热处理状态。

所述惯性摩擦焊转子组件优选为三级高压压气机盘鼓组件。所述三级高压压气机盘鼓组件从前级到后级的材料分别为GH4169、FGH96、FGH96，即组件焊接材料组合为GH4169+FGH96+FGH96。具体地说，确认待焊三个零件的焊前热处理状态，所述FGH96合金为固溶后进行一半时间的时效处理，所述一半时间优选为4h～8h，所述GH4169合金为固溶状态。

步骤S2、对所有待焊零件的表面进行清理，被清理的表面应呈现金属光泽。

此步骤中去除表面的氧化膜、污垢、油脂、灰尘，所述清理方法可优选地采用化学清洗、抛光等，被清理的表面应呈现金属光泽。

步骤S3、将两个焊接零件进行固定并进行焊接。

具体地，将所述GH4169合金待焊零件固定在惯性摩擦焊机的尾座，夹紧主夹持面和辅助夹持面，保证其焊接过程中不发生旋转并保证焊接过程中焊接面对中。然后，再将一个所述FGH96合金零件固定在惯性摩擦焊机的主轴一侧，夹紧零件的主夹持面，保证零件在焊接过程中不发生旋转，完成装配后开始焊接。

步骤S4、完成焊接后将焊接好的组件固定，装入另一个焊接零件进行焊接。

所述另一个待焊接组件优选为另一个所述FGH96合金。焊接结束后，将所述焊接组件固定在尾座，将另一个FGH96合金固定在主轴一侧，重复上述步骤三进行焊接。

步骤S5、待组件焊接完成后，去除所有焊接飞边，装入真空热处理炉进行焊后热处理。

待组件焊接完成后，进行目视检查，并去除所有焊接飞边，装入真空热处理炉进行焊后热处理，选用的热处理制度为(745℃～770℃)×(2.5h～6h)。

步骤S6、焊后热处理完成后组件进行空冷或者气氛冷却。

步骤S7、对所述惯性摩擦焊转子组件进行检测和加工。

对于惯性摩擦焊组件，不论组件中包含几种焊接材料组合，为了保证材料的组织和性能，只能在焊后对组件进行一次统一的热处理，这种热处理制度的选择一方面影响焊接接头的性能，一方面影响组件中所有FGH96、GH4169材料的性能。也就是说，对于含有FGH96合金同种、异种材料组合的惯性摩擦焊转子组件，FGH96+FGH96焊接接头、FGH96+GH4169焊接接头均需要采用同一种焊后热处理制度。这种热处理制度的选择需要在充分考虑组件使用要求的同时考虑FGH96合金、GH4169合金母材的组织和性能，参考两种材料本身的热处理制度，综合制定合适的焊前/焊后热处理制度。

针对FGH96+GH4169异种材料的惯性摩擦焊接头，为了保证GH4169合金的焊后热处理制度对母材本身影响最小，在焊前选择固溶态进行焊接，在焊后再根据两种母材的组织性能变化特点选择热处理制度。

经过试验发现，在对FGH96+FGH96焊接接头、FGH96+GH4169焊接接头采用以下焊前/后热处理制度进行处理后，可以充分释放焊接接头的残余应力，同时保证焊接接头和两种母材均能达到使用要求，从而使整个焊接组件达到最佳使用性能：

一、焊前FGH96状态：为固溶并进行一半时间(4h～8h)的时效处理；焊前GH4169合金状态：固溶状态；

二、焊后进行的热处理制度为：(745℃～770℃)×(2.5h～6h)。

对经过以上热处理后的FGH96+FGH96焊接接头、FGH96+GH4169焊接接头进行力学性能测试，结果表明：

一、采用745℃×2.5h的焊后热处理制度时，FGH96+FGH96焊接接头的室温抗拉强度为1560MPa～1570MPa，高温抗拉强度为1200MPa～1210MPa，均高于FGH96母材标准值。GH4169+FGH96焊接接头的室温抗拉强度为1360MPa～1370MPa，高温抗拉强度为1165MPa～1175MPa，均高于GH4169母材标准值，满足设计使用要求。

二、采用770℃×6h的焊后热处理制度时，FGH96+FGH96焊接接头的室温抗拉强度为1550MPa～1570MPa，高温抗拉强度为1190MPa～1200MPa，均高于FGH96母材标准值。

GH4169+FGH96焊接接头的室温抗拉强度为1380MPa～1390MPa，高温抗拉强度为1175MPa～1185MPa，均高于GH4169母材标准值，满足设计使用要求。

采用760℃×4h的焊后热处理制度时，FGH96+FGH96焊接接头的室温抗拉强度为1570MPa～1580MPa，高温抗拉强度为1200MPa～1215MPa，均高于FGH96母材标准值。

GH4169+FGH96焊接接头的室温抗拉强度为1360MPa～1370MPa，高温抗拉强度为1165MPa～1180MPa，均高于GH4169母材标准值，满足设计使用要求。

综上所述，本发明惯性摩擦焊转子组件的焊前及焊后热处理方法对包含FGH96同种、异种材料焊接接头的航空发动机转子组件，将不同惯性摩擦焊接头的焊后热处理制度进行了统一，在保证材料本身组织和性能的基础上，保证组件进行统一的焊后热处理制度，为惯性摩擦焊工艺在航空发动机焊接转子组件中的应用提供支撑。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种惯性摩擦焊转子组件的焊前及焊后热处理方法，其特征在于，所述热处理方法包括：

步骤一、确认待焊零件的焊前热处理状态；

步骤二、对所有待焊零件的表面进行清理，被清理的表面应呈现金属光泽；

步骤三、将两个焊接零件进行固定并进行焊接；

步骤四、完成焊接后将焊接好的组件固定，装入另一个焊接零件进行焊接；

步骤五、待组件焊接完成后，去除所有焊接飞边，装入真空热处理炉进行焊后热处理；

步骤六、焊后热处理完成后组件进行空冷或者气氛冷却；

步骤七、对所述惯性摩擦焊转子组件进行检测和加工；

所述惯性摩擦焊转子组件为三级高压压气机盘鼓组件或高压涡轮盘轴组件，所述三级高压压气机盘鼓组件或所述高压涡轮盘轴组件从前级到后级的材料分别为GH4169、FGH96、FGH96或者GH4169、FGH96、GH4169；

所述步骤一中还包括：所述FGH96合金为固溶后进行一半时间的时效处理；所述一半时间为4h～8h；所述步骤一中所述GH4169合金为固溶状态；所述步骤五中选用的热处理温度为(745℃～770℃)×(2.5h～6h)。

2.如权利要求1所述的惯性摩擦焊转子组件的焊前及焊后热处理方法，其特征在于，所述步骤二中所有待焊零件的表面进行清理采用的清理方法为化学清洗和抛光，被清理的表面应呈现金属光泽。

3.如权利要求1所述的惯性摩擦焊转子组件的焊前及焊后热处理方法，其特征在于，所述步骤三中还包括：将所述GH4169合金待焊零件固定在惯性摩擦焊机的尾座，夹紧主夹持面和辅助夹持面，保证其焊接过程中不发生旋转并保证焊接过程中焊接面对中；

再将一个所述FGH96合金零件固定在惯性摩擦焊机的主轴一侧，夹紧零件的主夹持面，保证零件在焊接过程中不发生旋转，完成装配后开始焊接。

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