CN110303259B - 异种合金整体叶盘结构的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及异种合金整体叶盘结构的制造方法。包括：将叶盘通过高导电率金属支撑轴可转动的轴向安装在高导电率金属支撑座上，该支撑座安装在石墨电极底板上；将叶片与叶盘进行装配后，采用放电等离子扩散焊进行焊接，焊接时，叶片上方通过石墨电极压块施压，在石墨电极压块和石墨电极底板之间接通直流脉冲电流产生放电等离子，在冲击压力、焦耳热和电场作用下实现叶片和叶盘的快速扩散焊接，将全部叶片均焊接在叶盘上，得到整体叶盘，其中，叶片和叶盘采用不同材质的合金制备。采用放电等离子扩散焊方法，解决了整体叶盘制造难度大、高废品率的难题，充分发挥异种合金在性能和经济上的互补优势，满足了航空发动机对高性能整体叶盘的需求。

Description

异种合金整体叶盘结构的制造方法

技术领域

本发明涉及航空制造技术领域，特别是涉及异种合金整体叶盘结构的制造方法。

背景技术

在航空制造技术领域，目前，整体叶盘的制造方法主要有机械加工、熔焊焊接、线性摩擦焊、热压扩散焊，但是，这些制造方法都有一定的缺点和局限性，具体如下：

(1)整体机械加工增加了锻件毛坯材料的尺寸和重量，材料利用率低，加工难度大，产品合格率低，生产成本高，且只适用于制造同种材料的整体叶盘。

(3)熔焊焊接的接头组织为铸造组织，容易存在气孔、夹渣、未焊合、组织粗大等缺点，接头性能和组织一致性较差，造成接头可靠性低，产品合格率低等问题。

(4)线性摩擦焊制造整体叶盘，由于焊接件受很大顶锻力作用，对强度、硬度要求高，因而不适用于制造具有冷却通道的整体叶盘。

(5)热压扩散焊可制备复杂结构的整体叶盘，但是其为整体加热，在制备异质整体叶盘时，很难同时兼顾两种材料的匹配的焊接工艺，焊接时间长，基体材料性能损失较大。

随着航空武器装备性能要求的不断提高，越来越多地采用了新材料、新结构，对包括焊接技术在内的航空制造技术提出了更高的要求，上述现有技术的制造方法以满足不了高性能发动机整体叶盘的制造要求。近几年，出现了一种新的焊接方法—放电等离子扩散焊，其工作原理是利用直流脉冲电流产生放电等离子，在放电冲击压力、焦耳热和电场作用下实现快速扩散焊接，具有升降温速度快、焊接温度低、焊接时间短、焊接质量高等优点，适用于焊接截面具有冷却通道的整体叶盘，在航空、航天耐高温材料及其构件连接中有广泛的应用前景。因此，基于放电等离子扩散焊技术，发明人提供了一种双合金整体叶盘结构的制造方法。

发明内容

本发明实施例采用放电等离子扩散焊方法制备异种合金整体叶盘结构，解决了异种合金整体叶盘结构制造难度大、高废品率的难题，充分发挥两种合金在性能和经济上的互补优势，满足了航空发动机对高性能整体叶盘的需求。

本发明的实施例提出了异种合金整体叶盘结构的制造方法，该制造方法包括：

将叶盘通过高导电率金属支撑轴可转动的轴向安装在高导电率金属支撑座上，所述支撑座安装在石墨电极底板上；

将待焊叶片与叶盘进行装配后，采用放电等离子扩散焊进行焊接，焊接时，叶片上方通过石墨电极压块施压，在所述石墨电极压块和所述石墨电极底板之间接通直流脉冲电流产生放电等离子，在冲击压力、焦耳热和电场作用下实现叶片和叶盘的快速扩散焊接，将全部叶片均焊接在叶盘上，得到整体叶盘，其中，所述叶片和所述叶盘采用不同材质的合金制备。

进一步地，所述高导电率金属支撑座的顶端为U形安装槽，用于放置所述高导电率金属支撑轴。

进一步地，所述叶盘安装在所述高导电率金属支撑轴中部，所述高导电率金属支撑轴的一端自由放置在所述高导电率金属支撑座的U形安装槽中，另一端安转载转台中，所述转台用于驱动支撑轴带动所述叶盘按照叶片间隔角度转动。

进一步地，所述转台与所述石墨电极底板之间进行绝缘隔离处理。

进一步地，所述叶盘和所述高导电率金属支撑轴之间的安装部位垫有石墨纸，以避免叶盘和支撑轴直接接触，防止通电焊接时两者发生连接。

进一步地，所述叶盘和所述叶片焊接面的面积在电流通路中为最小面积，以避免在焊接过程中非焊接区域的温度高于焊接面的温度。

进一步地，所述高导电率金属支撑轴采用钼合金或钨合金的材质。

进一步地，将所述叶片和所述叶盘的装配整体放置在真空炉中进行放电等离子扩散焊，焊接部位的缩短量控制在0.5mm至5mm之间。

进一步地，所述叶盘采用镍基粉末高温合金材质制备，焊接面表面粗糙度R不大于6.3，水平度不超过±0.1。

进一步地，所述叶片采用镍基单晶材质制备，表面粗糙度R不大于6.3，上下端面平行度不超过±0.1。

综上，本发明的进步点有：

(1)采用放电等离子扩散焊制造整体叶盘结构，与整体加热扩散焊相比，解决了由叶片材料与叶盘材料高温性能差距大造成的无法相匹配的焊接工艺难题，以及长时间焊接造成晶粒长，力学性能恶化，焊接变形严重导致尺寸精度不可控制等问题；本发明采用的放电等离子扩散焊，具有升降温速度快、焊接温度低、焊接时间短、晶粒均匀细小且对基体显微组织影响小、更易获得具有可控显微组织接头等优点。

(2)采用高强度、高导电率的钼合金、钨合金等材料作为焊接整体叶盘的支撑轴，解决了整体叶盘焊接过程中支撑轴容易碎裂的问题。

(3)此外，在支撑轴的另一端安装有转台，容易实现叶片与叶盘之间的尺寸精确定位，转台与石墨电极底板之间绝缘处理，焊接过程中电流按照单一通道进行焊接，避免了焊接过程中电流分流的影响。

(4)提出了采用放电等离子扩散焊制造整体叶盘过程中形成良好焊接接头的压缩量范围，有效实现两者连接，同时减轻了整体叶盘结构的重量。

(5)提出了采用放电等离子扩散焊制造整体叶盘过程中焊接面的要求，即在整个电流通路中焊接面的面积为最小或电流通路中焊接面中的电流密度最高，保证焊接过程中温度在焊接面处最高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1(a)、(b)是本发明实施例的异种合金整体叶盘结构的制造方法应用场景示意图。

图2是本发明实施例的制备方法焊接得到的高温接头的微观组织。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

在航空发动机叶盘结构方面，减轻部件重量、提高发动机工作温度和部件载荷能力，是提高发动机推重比和增大推力的有效途径。但通常采用榫头/榫槽连接叶盘结构，榫头/榫槽连接叶盘部位尺寸大，要求叶盘的轮盘部位厚度大，导致叶盘结构重量大。如果将叶片与盘连接成整体，形成整体叶盘结构，去掉榫头/榫槽连接部位，同时可减小轮盘部位厚度，相比榫头/榫槽连接叶盘结构，整体叶盘结构可显著减轻50％的重量。整体叶盘结构在高推比(功重比)发动机的风扇和压气机中大量使用，其中整体叶盘结构根据叶片和盘的工作特性以及载荷状况，可采用双合金结构。由于整体叶盘结构是高速旋转的转子件，要求叶片部位工作温度高、疲劳性能好，叶盘部位承受应力载荷大，常规金属材料无法适应该部位的强度要求；因此，根据叶片和叶盘不同部位的工作载荷特点，需要选用高屈服强度和良好低周疲劳寿命的合金作为圆盘材料，选用耐持久和蠕变性能的合金作为叶片材料要求，然后将叶片和盘采用焊接的方式制造成双合金涡轮整体叶盘整体，才能够充分发挥材料性能。

参见图1(a)、(b)所示，本发明采用放电等离子扩散焊制备异种合金整体叶盘结构的方法至少包括以下步骤S110～步骤S120：

步骤S110为：将叶盘通过高导电率金属支撑轴可转动的轴向安装在高导电率金属支撑座上，所述支撑座安装在石墨电极底板上。

步骤S120为：将待焊叶片与叶盘进行装配后，采用放电等离子扩散焊进行焊接，焊接时，叶片上方通过石墨电极压块施压，在所述石墨电极压块和所述石墨电极底板之间接通直流脉冲电流产生放电等离子，在冲击压力、焦耳热和电场作用下实现叶片和叶盘的快速扩散焊接，将全部叶片均焊接在叶盘上，得到整体叶盘，其中，所述叶片和所述叶盘采用不同材质的合金制备。

需要说明的是，在步骤S110和步骤S110之前，还包括根据设计要求制备不同合金材质的叶片和叶盘，其中，叶盘可以采用镍基粉末高温合金材质制备，焊接面表面粗糙度R不大于6.3，水平度不超过±0.1。叶片采用镍基单晶材质制备，表面粗糙度R不大于6.3，上下端面平行度不超过±0.1。叶盘和叶盘零件的制备方法可采用现有加工方法制备，本发明不再赘述。准备好待焊接的叶盘和叶片坯料零件后，还需采用机械或化学方法对上述坯料待焊工件表面进行清洁处理。此外，在焊接时，徐江叶片和叶盘的装配整体放置在真空炉中进行放电等离子扩散焊，焊接部位的缩短量控制在0.5mm至5mm之间。

由上，将叶片与叶盘的装配整体置于气体保护炉或者真空炉中，通过石墨电极压块和石墨电极底板和高导电率工装将焊接叶片与叶盘压紧，然后接通直流脉冲电流，将工件按照设计的工艺参数进行加热和焊接，完成整个焊接过程。由于放电等离子扩散焊主要在于脉冲大电流通过焊接工件，对焊接工件进行加热，在界面电阻和两端水冷电极压头的作用下，使焊接界面温度达到最高，在脉冲大电流和压力作用下将等离子活化界面、电场、热压和电阻加热融为一体，一方面促进界面发生塑性变形，加速界面空洞缩小、弥合，另一方面促进表面离子快速迁移，加速原子扩散，快速形成牢固焊接接头。

作为一种优选实施例，所述高导电率金属支撑座的顶端为U形安装槽，用于放置所述高导电率金属支撑轴。所述叶盘安装在所述高导电率金属支撑轴中部，所述高导电率金属支撑轴的一端自由放置在所述高导电率金属支撑座的U形安装槽中，另一端安转载转台中，所述转台用于驱动支撑轴带动所述叶盘按照叶片间隔角度转动。支撑座的顶端设计为U形安装槽，便于支撑轴的拆装，同时在焊接过程中，有利于支撑轴带动叶盘转动，从而使叶盘外周的叶片均能方便快捷的进行焊接。转台上可以设计有分度盘，能够更精准的带动支撑轴按照叶盘的间隔角度进行转动，实现叶片与叶盘之间的尺寸精确定位，使每个叶片均能准确转动到焊接的工艺位置。并且，在转台与石墨电极底板之间还需进行绝缘隔离处理(或者将金属支撑座放在石墨电极底板上，转台放在真空炉的炉底板上，炉底板与转台之间绝缘隔离)。这样可以在焊接过程中，电流按照单一通道(石墨电极压块-叶片-叶盘-支撑轴-支撑座-石墨电极底板)进行焊接，避免了焊接过程中电流分流到转台的影响。

作为另一种优选实施例，所述叶盘和所述高导电率金属支撑轴之间的安装部位垫有石墨纸，以避免叶盘和支撑轴直接接触，防止通电焊接时两者发生连接。

作为其他优选实施例，所述叶盘和所述叶片焊接面的面积在电流通路中的面积最小，或电流通路中焊接面中的电流密度最高，保证焊接过程中温度在焊接面处最高，以避免在焊接过程中非焊接区域的温度高于焊接面的温度。

进一步地，高导电率金属支撑轴采用钼合金或钨合金等高温强度高、高导电率的材料代替石墨作为焊接整体叶盘的支撑轴解决了整体叶盘焊接过程中职称轴容易碎裂的问题。

下面以镍基单晶的叶片、镍基粉末高温合金的叶盘为例具体说明异种合金整体叶盘结构的制造方法步骤：

(1)将镍基单晶作为叶片材料加工成叶片坯件，表面粗糙度不大于R＝6.3，上下端面平行度不超过±0.1。

(2)将镍基粉末高温合金作为叶盘材料加工成叶盘坯件，焊接面表面粗糙度R不大于6.3，水平度不超过±0.1。

(3)焊前清洗叶片坯件和叶盘坯件的焊接接触面。

(4)将叶盘坯件按照前述方法安装在高导电率的工装上(支撑轴与支撑座)，并将叶片坯件装配在叶盘坯件外周的相应位置上，在叶盘坯件与工装之间放置石墨纸。

(5)通过对石墨电极压块施压进行预压试件，关真空炉的炉门，抽真空。

(6)待真空度达到10-2Pa以下，执行焊接程序进行放电等离子扩散焊，焊接温度900-980℃，焊接压力5MPa-35MPa,保温15-60min。

(7)焊接后，对叶片和叶盘接头进行超声无损检测和金相法检测，未发现未焊合缺陷，表明界面焊合率好。

(8)对整体叶盘焊后热处理。

(9)将焊接好的整体叶盘进行最终加工，获得复合高性能的异种合金整体叶盘。通过本发明的放电等离子扩散焊方法得到了异种合金整体叶盘结构高温接头，接头的微观组织如图2所示。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (9)

1.异种合金整体叶盘结构的制造方法，其特征在于，包括：

将叶盘通过高导电率金属支撑轴可转动的轴向安装在高导电率金属支撑座上，所述高导电率金属支撑座安装在石墨电极底板上；

将待焊叶片与叶盘进行装配后，采用放电等离子扩散焊进行焊接，焊接时，叶片上方通过石墨电极压块施压，在所述石墨电极压块和所述石墨电极底板之间接通直流脉冲电流产生放电等离子，在压力、焦耳热和电场作用下实现叶片和叶盘的快速扩散焊接，将全部叶片均焊接在叶盘上，得到整体叶盘，其中，所述叶片和所述叶盘采用不同材质的合金制备，所述高导电率金属支撑轴采用钼合金或钨合金的材质。

2.根据权利要求1所述的异种合金整体叶盘结构的制造方法，其特征在于，所述高导电率金属支撑座的顶端为U形安装槽，用于放置所述高导电率金属支撑轴。

3.根据权利要求2所述的异种合金整体叶盘结构的制造方法，其特征在于，所述叶盘安装在所述高导电率金属支撑轴中部，所述高导电率金属支撑轴的一端自由放置在所述高导电率金属支撑座的U形安装槽中，另一端安转载转台中，所述转台用于驱动支撑轴带动所述叶盘按照叶片间隔角度转动。

4.根据权利要求3所述的异种合金整体叶盘结构的制造方法，其特征在于，所述转台与所述石墨电极底板之间进行绝缘隔离处理。

5.根据权利要求1所述的异种合金整体叶盘结构的制造方法，其特征在于，所述叶盘和所述高导电率金属支撑轴之间的安装部位垫有石墨纸，以避免叶盘和支撑轴直接接触，防止通电焊接时两者发生连接。

6.根据权利要求1所述的异种合金整体叶盘结构的制造方法，其特征在于，所述叶盘和所述叶片焊接面的面积在电流通路中为最小面积，以避免在焊接过程中非焊接区域的温度高于焊接面的温度。

7.根据权利要求1所述的异种合金整体叶盘结构的制造方法，其特征在于，将所述叶片和所述叶盘的装配整体放置在真空炉中进行放电等离子扩散焊，焊接部位的缩短量控制在0.5mm至5mm之间。

8.根据权利要求1-7任一项所述的异种合金整体叶盘结构的制造方法，其特征在于，所述叶盘采用镍基粉末高温合金材质制备，焊接面表面粗糙度不大于6.3，水平度不超过±0.1。

9.根据权利要求8所述的异种合金整体叶盘结构的制造方法，其特征在于，所述叶片采用镍基单晶材质制备，表面粗糙度不大于6.3，上下端面平行度不超过±0.1。

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