CN110695361B - 一种制备合金盘件的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备合金盘件的装置,包括包套,包套内活动安装有两个挡板,每个挡板一端均位于包套外并固接有把手,包套上表面安装有下粉口A和下粉口B,下粉口A位于其中一个挡板一侧,下粉口B位于两个挡板之间。本发明还公开了一种制备合金盘件的方法,在制备过程中使用巧妙的包套结构设计,实现了异金属粉末的同步填充,挡板撤离时的持续振动使得粉末A和粉末B充分混合,形成过渡区,有效的避免成型后的弱连接问题。
Description
技术领域
本发明属于合金制件技术领域,涉及一种制备合金盘件的装置,还涉及一种制备合金盘件的方法。
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。
目前,先进发动机涡轮前工作温度已高达1750℃左右,这需要合金材料具有较高的承温能力和性能稳定性。航空发动机用涡轮盘,盘心部位(轮毂)工作温度低,但它相应的要受到涡轮轴的扭转作用,需要细晶组织以保证足够的拉伸强度和疲劳抗力;盘缘部位(轮缘)要承受的工作温度高,所以需要粗晶组织保证足够的持久、蠕变和抗疲劳裂纹扩展性能,这样就要求涡轮盘件的不同区域具有不同晶粒尺寸的显微组织,以获得相应的力学性能。因此,要延长其使用寿命,在涡轮盘结构设计中通常有两种途径可以选择:一种是增加盘件的厚度,降低局部应力水平,保证涡轮盘在高温作业下合金材料显微组织的稳定性,另外一种途径是制备双性能涡轮盘,这种方法不仅可以减轻盘件的重量,优化涡轮盘结构设计,还能充分挖掘材料的性能,因此是一种行之有效的途径。
双性能涡轮盘按结构可分为两种类型:单一合金双性能涡轮盘和双合金双性能涡轮盘。双合金双性能涡轮盘制备的工艺难点是如何将两种合金,即盘缘和盘心部位所选择的合金连接在一起,而不出现严重“弱连接”问题,从而使连接区避免成为涡轮盘破裂根源。制备工艺包括超塑性锻造、HIP或扩散连接、锻造增强连接以及喷射成形以及局部热处理或定向凝固热处理等。但是,超塑性锻造及锻造增强连接所需设备造价昂贵,且已限制出口至中国,HIP扩散连接无法有效去除“弱连接”问题,喷射成型无法制备大尺寸零件,局部热处理和定向凝固热处理均需要结构复杂,操作困难的设备,都无法实现双性能盘的有效制备。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备合金盘件的装置,解决了现有技术中存在合金盘件的弱连接的问题。
本发明的另一目的是提供一种制备合金盘件的方法。
本发明所采用的技术方案是,一种制备合金盘件的装置,包括包套,包套内活动安装有两个挡板,每个挡板一端均位于包套外并固接有把手,包套上表面安装有下粉口A和下粉口B。
下粉口A位于其中一个挡板一侧,下粉口B位于两个挡板之间。
本发明所采用的另一技术方案是,一种制备合金盘件的方法,具体按照以下步骤进行:
步骤1,制备合金粉末A和合金粉末B;
步骤2,将步骤1得到的合金粉末A通过下粉口A进入包套1内,装满后封焊下粉口A,合金粉末B通过下粉口B进入包套1内,装满后封焊下粉口B;
步骤3,将包套1上的两个挡板取出,使用电子枪熔化挡板凹槽使包套密封;
步骤4,将步骤3中得到的包套进行热等静压处理;
步骤5,将步骤4中得到的包套进行热处理,然后对坯料进行机加工,得到合金盘件。
步骤1中,采用等离子旋转电极法制备合金粉末A和合金粉末B。
步骤1中,合金粉末A的粒度为53~106μm,合金粉末B的粒度为15~53μm。
步骤2中,包套1内的真空度为6×10-3~8×10-3Pa,包套1内温度为300~650℃,下粉速率为20~65Kg/h。
步骤3中,密封过程中,包套持续振动,振动时间为30~60min,振动频率为15~50Hz。
步骤4中,热等静压时间为2~10h,热等静压压力为120~150MPa。
步骤5中,热处理过程中,首先在1190~1210℃温度下保温4~10h,降低温度至1150~1170℃,保温0.5~1h,之后在850~920℃下保温8~32h,出炉空冷。
本发明的有益效果是,所用合金粉末为等离子旋转电极法制备,粉末含氧量极低且球形度高,有利于粉末紧密填充并可有效避免成型过程中产生PPB和热诱导孔洞等缺陷;使用巧妙的包套结构设计,实现了异金属粉末的同步填充,挡板撤离时的持续振动使得粉末A和粉末B充分混合,形成过渡区,有效的避免成型后的弱连接问题;成型后制件无需额外锻造,无需复杂的梯度热处理,有效减少生产周期并降低成本。
附图说明
图1是本发明一种制备合金盘件的装置的结构示意图;
图2是本发明制备的合金盘件的盘心组织的扫描电镜图;
图3是本发明制备的合金盘件的轮缘组织的扫描电镜图。
图中,1.包套,2.挡板,3.把手,4.下粉口A,5.下粉口B。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种制备合金盘件的装置,如图1所示,包括包套1,包套1内活动安装有两个挡板2,两个挡板2将包套1内腔分为3个独立的空间,每个挡板2一端均位于包套1外并固接有把手3,包套1上表面安装有下粉口A4和下粉口B5。
下粉口A4位于其中一个挡板2一侧,下粉口B5位于这个挡板2的另一侧,同时,下粉口B5位于两个挡板2之间,利用挡板将粉末机械式的分开,可以一次性实现不同粒度段粉末的装粉。
本发明所采用的另一技术方案是,一种制备合金盘件的方法,具体按照以下步骤进行:
步骤1,制备合金粉末A和合金粉末B;
步骤2,将步骤1得到的合金粉末A通过下粉口A4进入包套1内,装满后封焊下粉口A4,合金粉末B通过下粉口B5进入包套1内,装满后封焊下粉口B5;
步骤3,将包套1上的两个挡板2取出,使用电子枪熔化挡板凹槽使包套1密封;
步骤4,将步骤3中得到的包套进行热等静压处理;
步骤5,将步骤4中得到的包套进行热处理,然后对坯料进行机加工,得到合金盘件。
步骤1中,采用等离子旋转电极法制备合金粉末A和合金粉末B。
步骤1中,合金粉末A的粒度为53~106μm,合金粉末B的粒度为15~53μm。
步骤2中,包套1内的真空度为6×10-3~8×10-3Pa,包套1内温度为300~650℃,下粉速率为20~65Kg/h。
步骤3中,密封过程中,包套1持续振动,振动时间为30~60min,振动频率为15~50Hz。
步骤4中,热等静压时间为2~10h,热等静压压力为120~150MPa。
步骤5中,热处理过程中,首先在1190~1210℃温度下保温4~10h,降低温度至1150~1170℃,保温0.5~1h,之后在850~920℃下保温8~32h,出炉空冷。
实施例1
一种制备合金盘件的方法,具体按照以下步骤进行:
步骤1,通过等离子旋转电极法制备合金粉末A和合金粉末B;
步骤2,将步骤1得到的合金粉末A通过下粉口A4进入包套1内,装满后封焊下粉口A4,合金粉末B通过下粉口B5进入包套1内,装满后封焊下粉口B5,其中,包套1内的真空度为6×10-3Pa,包套1内温度为650℃,下粉速率为20Kg/h;
步骤3,将包套1上的两个挡板2取出,使用电子枪熔化挡板凹槽使包套1密封,密封过程中,包套1持续振动,振动时间为30min,振动频率为50Hz;
步骤4,将步骤3中得到的包套进行热等静压处理,热等静压时间为10h,热等静压压力为150MPa;
步骤5,将步骤4中得到的包套进行热处理,热处理过程中,首先在1210℃温度下保温5h,降低温度至1150℃,保温1h,之后在920℃下保温8h,出炉空冷,然后对坯料进行机加工,得到合金盘件。
实施例2
一种制备合金盘件的方法,具体按照以下步骤进行:
步骤1,通过等离子旋转电极法制备合金粉末A和合金粉末B;
步骤2,将步骤1得到的合金粉末A通过下粉口A4进入包套1内,装满后封焊下粉口A4,合金粉末B通过下粉口B5进入包套1内,装满后封焊下粉口B5,其中,包套1内的真空度为7×10-3Pa,包套1内温度为300℃,下粉速率为50Kg/h;
步骤3,将包套1上的两个挡板2取出,使用电子枪熔化挡板凹槽使包套1密封,密封过程中,包套1持续振动,振动时间为50min,振动频率为15Hz;
步骤4,将步骤3中得到的包套进行热等静压处理,热等静压时间为10h,热等静压压力为120MPa;
步骤5,将步骤4中得到的包套进行热处理,热处理过程中,首先在1200℃温度下保温4h,降低温度至1160℃,保温0.5h,之后在900℃下保温32h,出炉空冷,然后对坯料进行机加工,得到合金盘件。
实施例3
一种制备合金盘件的方法,具体按照以下步骤进行:
步骤1,通过等离子旋转电极法制备合金粉末A和合金粉末B;
步骤2,将步骤1得到的合金粉末A通过下粉口A4进入包套1内,装满后封焊下粉口A4,合金粉末B通过下粉口B5进入包套1内,装满后封焊下粉口B5,其中,包套1内的真空度为8×10-3Pa,包套1内温度为600℃,下粉速率为65Kg/h;
步骤3,将包套1上的两个挡板2取出,使用电子枪熔化挡板凹槽使包套1密封,密封过程中,包套1持续振动,振动时间为60min,振动频率为30Hz;
步骤4,将步骤3中得到的包套进行热等静压处理,热等静压时间为2h,热等静压压力为130MPa;
步骤5,将步骤4中得到的包套进行热处理,热处理过程中,首先在1190℃温度下保温5h,降低温度至1170℃,保温1h,之后在850℃下保温12h,出炉空冷,然后对坯料进行机加工,得到合金盘件。
实施例4
一种制备合金盘件的方法,具体按照以下步骤进行:
步骤1,通过等离子旋转电极法制备合金粉末A和合金粉末B;
步骤2,将步骤1得到的合金粉末A通过下粉口A4进入包套1内,装满后封焊下粉口A4,合金粉末B通过下粉口B5进入包套1内,装满后封焊下粉口B5,其中,包套1内的真空度为6×10-3Pa,包套1内温度为500℃,下粉速率为33Kg/h;
步骤3,将包套1上的两个挡板2取出,使用电子枪熔化挡板凹槽使包套1密封,密封过程中,包套1持续振动,振动时间为45min,振动频率为50Hz;
步骤4,将步骤3中得到的包套进行热等静压处理,热等静压时间为5h,热等静压压力为140MPa;
步骤5,将步骤4中得到的包套进行热处理,热处理过程中,首先在1190℃温度下保温10h,降低温度至1160℃,保温0.8h,之后在800℃下保温22h,出炉空冷,然后对坯料进行机加工,得到合金盘件。
从图2中可以看出,盘心组织晶粒度可达4~5级,为细晶组织,从图3中可以看出,盘缘组织晶粒度可达6~7级,为粗晶组织。
粉末A和粉末B的氧含量均小于40ppm,粉末中非金属夹杂个数均≤5颗/kg,使用内置挡板的包套进行装粉,粉末装满后撤离挡板,使用电子枪熔化挡板凹槽实现密封,实现不同粒度粉末的同步填充。
本发明使用巧妙的包套结构设计,实现了异金属粉末的同步填充,挡板撤离时的持续振动使得粉末A和粉末B充分混合,形成过渡区,有效的避免成型后的弱连接问题,成型后制件无需额外锻造,无需复杂的梯度热处理,有效减少生产周期并降低成本。
本发明在一定温度一定真空度下分别对合金粉末A和合金粉末B进行装套封焊,使得合金粉末填充致密,通过填充后持续振动使得混合区两种粉末交错混合实现过渡,而后通过热等静压技术实现致密化,并经过热处理形成边缘组织粗大、轮毂组织细小、致密度高、无热诱导孔洞等粉末高温合金常见缺陷的合金盘件。
本发明是对现有的盘件制备工艺进行改进,使用巧妙的包套结构规避了异金属装套和连接问题,经过直接热等静压实现异金属粉末颗粒的紧密结合,可以有效避免组织“弱连接”问题,另外不需要进行大变形细化晶粒,也不需要进行复杂的梯度热处理,是一种高效、高性能、低成本的合金盘件制备方法。
表1本发明制备的合金盘件的盘心及盘缘性能表
从表中可以看出,本发明制备的合金盘件整体力学性能满足高温合金盘件要求,且盘心抗拉、屈服持久以及疲劳寿命远高于盘缘,满足了双性能盘盘心抗拉及疲劳性能高于盘缘的要求。
Claims (1)
1.一种制备合金盘件的方法,其特征在于,使用制备合金盘件的装置进行,制备合金盘件的装置包括包套(1),所述包套(1)内活动安装有两个挡板(2),每个所述挡板(2)一端均位于包套(1)外并固接有把手(3),所述包套(1)上表面安装有下粉口A(4)和下粉口B(5);所述下粉口A(4)位于其中一个挡板(2)一侧,所述下粉口B(5)位于两个挡板(2)之间;
所述的制备合金盘件的方法,具体按照以下步骤进行:
步骤1,制备合金粉末A和合金粉末B;
步骤2,将步骤1得到的合金粉末A通过下粉口A(4)进入包套(1)内,装满后封焊下粉口A(4),合金粉末B通过下粉口B(5)进入包套(1)内,装满后封焊下粉口B(5);包套(1)内的真空度为6×10-3~8×10-3Pa,包套(1)内温度为300~650℃,下粉速率为20~65Kg/h;密封过程中,包套(1)持续振动,振动时间为30~60min,振动频率为15~50Hz;
步骤3,将包套(1)上的两个挡板(2)取出,使用电子枪熔化挡板凹槽使包套(1)密封;
步骤4,将步骤3中得到的包套进行热等静压处理;
步骤5,将步骤4中得到的包套进行热处理,然后对坯料进行机加工,得到合金盘件;
所述步骤1中,采用等离子旋转电极法制备合金粉末A和合金粉末B,合金粉末A的粒度为53~106μm,合金粉末B的粒度为15~53μm;
所述步骤4中,热等静压时间为2~10h,热等静压压力为120~150MPa;
所述步骤5中,热处理过程中,首先在1190~1210℃温度下保温4~10h,降低温度至1150~1170℃,保温0.5~1h,之后在850~920℃下保温8~32h,出炉空冷。
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