CN110788562A - 一种镍基合金双性能整体叶盘的制造方法 - Google Patents

一种镍基合金双性能整体叶盘的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种镍基合金双性能整体叶盘的制造方法，本发明制造方法首先经大变形量等温锻造制造出细晶盘毂毛坯3，然后在盘毂毛坯3上采用电子束熔丝增材制造方法制备出粗大柱状晶的叶片毛坯4，再对整体叶盘毛坯进行小变形量的等温锻造变形，该种小变形量的等温锻造能够有效消除电子束熔丝沉积叶片毛坯内部的气孔及未熔合等缺陷，使整体叶盘毛坯致密化；同时有利于合金元素在盘毂毛坯3和叶片毛坯4界面处的均匀扩散，强化盘毂毛坯3和叶片毛坯4之间的界面结合；而且通过对整体叶盘毛坯的局部梯度变形，可以实现双性能整体叶盘的盘毂毛坯3与叶片毛坯4结合界面处两种显著差异组织之间的渐变过渡，能够大幅提高镍基合金双性能整体叶盘的耐久性和可靠性，得到整体叶盘锻件5。

Description

一种镍基合金双性能整体叶盘的制造方法
技术领域
本发明是一种镍基合金双性能整体叶盘的制造方法，属于塑性成形技术领域。
背景技术
涡轮盘是航空发动机热端的关键部件之一，通常在540℃～840℃工作，因而要求材料具有优良的力学性能和热加工性能，镍基高温合金由于在高温下表现出一系列优异的性能，有效保证发动机的可靠性和耐久性，所以成为制造先进航空发动机高压涡轮盘等关键热端部件的首选材料。
随着航空发动机推重比的提高，航空发动机部件结构正朝着轻量化、整体化方向发展。整体叶盘是现代航空发动机的一种新型结构部件，它将传统结构的叶片和轮盘设计成整体结构，省去传统连接方式采用的榫头、榫槽和锁紧装置，结构质量减轻、零件数减少，避免了榫头的气流损失，使发动机整体结构大为简化，推重比和可靠性明显提高。但整体构件不同部位的服役环境(如温度、承载等)的具有显著差异，叶盘的叶片同时承受高温、燃气腐蚀、离心力、振动和热疲劳等作用，因此要求叶片除了应具有良好的高温抗氧化性、耐腐蚀能力外，还需要粗晶组织保证足够的高温持久和蠕变以及抗疲劳裂纹扩展性能。而盘心部位(轮毂)虽然工作温度比叶片低，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，其晶粒度级别应达到8级以上，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，以满足叶片和盘具有满足服役环境要求的不同性能。
改变不同部位的晶粒度是为了获得盘心细晶组织和盘缘粗晶组织，目前镍基合金双性能整体叶盘制造方法主要有热等静压扩散焊、局部形变热处理和双重组织梯度热处理等。其中热等静压扩散焊工艺成熟度较低、盘毂和叶片材料界面结合不稳定，严重影响零件的使用寿命和可靠性。局部形变热处理和双重组织梯度热处理方法成形工艺复杂，需要精确掌控变形、加热时间和温度的动态变化，工艺过程控制难度大，而且一次只能制备一个盘件，生产效率低。此外，每制造一种材料和一种尺寸的双性能涡轮盘，要专门设计制造与之相匹配的模具或导热块，导致生产成本高。
发明内容
本发明正是针对上述国内现有的技术状况而设计提供了一种镍基合金双性能整体叶盘的制造方法，其目的是充分利用等温锻造和电子束熔丝增材具有的独特优势，制备出具备高性能、高可靠性、长寿命的双性能整体叶盘。
本发明方法的技术方案是：
该种镍基合金双性能整体叶盘的制造方法的步骤为：
步骤一、制备盘毂毛坯
针对锻态或轧制态镍基合金棒材采用等温锻造方法制备双性能整体叶盘的细晶盘毂毛坯3，盘毂毛坯3为圆盘形态；
步骤二、在盘毂毛坯周边制备叶片毛坯
在盘毂毛坯3的周边，根据叶片进、排气边轮廓逐层熔丝沉积叶片毛坯4，得到整体叶盘毛坯；
叶片毛坯4沿盘毂毛坯3的径向的截面为等腰梯形，该等腰梯形的长边尺寸H1与盘毂毛坯3的厚度相同，等腰梯形的短边尺寸为H2，H1与H2的差为h并定义为压下量；
步骤三、对整体叶盘进行小变形量等温模锻
对整体叶盘沿轴向进行等温模锻，压下量为h，得到整体叶盘锻件5；
步骤四、整体叶盘加工
对整体叶盘锻件5按照图纸加工到零件最终尺寸，获得镍基合金双性能整体叶盘零件6。
在一种实施中，步骤一中的模具加热温度与镍基合金棒材加热温度一致，锻造速度为0.01mm/s～0.05mm/s，变形量为60％～70％。
在一种实施中，步骤二中，逐层熔丝沉积叶片毛坯4的焊丝2的直径为
Figure BDA0002153770160000031
在一种实施中，步骤二中，所述压下量h为盘毂毛坯3厚度H1的10％～20％。该种变形量能够避免叶片毛坯组织出现完全动态再结晶，同时有利于合金元素在盘毂和叶片界面处的扩散，改善双性能盘过渡区的质量，另外可有效闭合电子束熔丝沉积叶片毛坯内部存在的气孔、未熔合等缺陷，改善零件内部的残余应力分布，提高镍基合金双性能整体叶盘的耐久性和可靠性；
在一种实施中，步骤三中，等温模锻前，将整体叶盘表面涂覆玻璃润滑剂，连同锻造模具一起加热到1000℃～1100℃，进行保温，保温时间按以下公式计算：
T保温时间＝H1×0.8～1.2min/mm公式1.
在一种实施中，步骤三中，等温模锻的下压速度为0.5mm/s～1.0mm/s。
在一种实施中，所述镍基合金的牌号为GH4169。
在一种实施中，步骤四中，在机加成形前，对整体叶盘锻件5进行热处理强化，热处理制度为：固溶处理：960℃保温1h，空冷；时效处理：720℃保温8h，以50℃/h速率炉冷至620℃保温8h，空冷。
在一种实施中，步骤二中，叶片毛坯4的沉积方向是沿盘毂毛坯3的径向，叶片毛坯4内部的晶粒为沿该方向的大尺寸柱状晶，与盘件承载方向几乎一致，可明显提高整体叶盘的服役寿命。
本发明制造方法首先经大变形量等温锻造制造出细晶盘毂毛坯3，然后在盘毂毛坯3上采用电子束熔丝增材制造方法制备出粗大柱状晶的叶片毛坯4，再对整体叶盘毛坯进行小变形量的等温锻造变形，该种小变形量的等温锻造能够有效消除电子束熔丝沉积叶片毛坯内部的气孔及未熔合等缺陷，使整体叶盘毛坯致密化；同时有利于合金元素在盘毂毛坯3和叶片毛坯4界面处的均匀扩散，强化盘毂毛坯3和叶片毛坯4之间的界面结合；而且通过对整体叶盘毛坯的局部梯度变形，可以实现双性能整体叶盘的盘毂毛坯3与叶片毛坯4结合界面处两种显著差异组织之间的渐变过渡，能够大幅提高镍基合金双性能整体叶盘的耐久性和可靠性，得到整体叶盘锻件5。
本发明技术方案具有如下优点：
与现行普遍使用的等温锻造+双重组织梯度热处理工艺相比，这种镍基合金双性能整体叶盘的制造方法的技术优势是采用等温锻造和电子束熔丝增材制造技术分别制备出细晶盘毂和粗晶盘缘，直接获得具备双组织双性能的整体叶盘锻件5，免除了繁杂的双重组织梯度热处理工艺，简化工艺流程，提高工艺稳定性，降低生产制造成本，具有显著的经济效益。
附图说明
图1为本发明方法实施例中的电子束熔丝增材制造叶片毛坯过程示意图
图2为本发明方法实施例中的增材制造的整体叶盘毛坯结构示意图
图3为本发明方法实施例中的整体叶盘锻件的结构示意图
图4为本发明方法实施例中的整体叶盘零件的结构示意图
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步说明：
步骤一、制备盘毂毛坯3
针对锻态的GH4169合金棒材采用等温锻造进行鐓饼，等温锻造速度为0.02mm/s，变形量为60％，模具加热温度与镍基合金棒材加热温度均为1010℃，制备出双性能整体叶盘的均匀细晶GH4169合金盘毂毛坯3，经机械加工后尺寸为
Figure BDA0002153770160000042
步骤二、制备叶片毛坯4
采用
Figure BDA0002153770160000043
的GH4169合金焊丝2在电子束枪1聚焦的作用下，在GH4169合金盘毂毛坯3上根据叶片进、排气边轮廓逐层熔丝沉积叶片毛坯4，得到整体叶盘毛坯；由数控运动系统完成盘毂毛坯3、焊丝2及电子束枪1运动的匹配耦合控制；
步骤三：加热整体叶盘毛坯
将表面涂覆玻璃润滑剂的增材制造GH4169合金的整体叶盘毛坯加热到1010℃，进行保温，保温时间按以下公式计算：
T保温时间＝H1×1min/mm 公式1
式中：H1＝50mm；
步骤四：整体叶盘毛坯等温锻造
将保温后的整体叶盘毛坯放入锻造模具内等温锻造成形，模具加热温度与坯料加热温度一致。锻造速度为0.6mm/s，压下量h为8mm，变形量为16％，等温锻造完成后得到整体叶盘锻件5；
步骤五：整体叶盘锻件5的加工处理
将整体叶盘锻件5进行热处理强化，热处理制度为：固溶处理：960℃保温1h，空冷；时效处理：720℃保温8h，以50℃/h速率炉冷至620℃保温8h，空冷；
对锻件表面精加工，经无损探伤检测合格后，按照图纸加工制零件所需尺寸，得到GH4169合金双性能整体叶盘零件6。

Claims (9)

1.一种镍基合金双性能整体叶盘的制造方法，其特征在于：该制造方法中的步骤为：
步骤一、制备盘毂毛坯
针对锻态或轧制态镍基合金棒材采用等温锻造方法制备双性能整体叶盘的细晶盘毂毛坯(3)，盘毂毛坯(3)为圆盘形态；
步骤二、在盘毂毛坯周边制备叶片毛坯
在盘毂毛坯(3)的周边，根据叶片进、排气边轮廓逐层熔丝沉积叶片毛坯(4)，得到整体叶盘毛坯；
叶片毛坯(4)沿盘毂毛坯(3)的径向的截面为等腰梯形，该等腰梯形的长边尺寸H1与盘毂毛坯(3)的厚度相同，等腰梯形的短边尺寸为H2，H1与H2的差为h并定义为压下量；
步骤三、对整体叶盘进行小变形量等温模锻
对整体叶盘沿轴向进行等温模锻，压下量为h，得到整体叶盘锻件(5)；
步骤四、整体叶盘加工
对整体叶盘锻件(5)按照图纸加工到零件最终尺寸，获得镍基合金双性能整体叶盘零件(6)。
2.根据权利要求1所述的镍基合金双性能整体叶盘的制造方法。其特征在于：步骤一中的模具加热温度与镍基合金棒材加热温度一致，锻造速度为0.01mm/s～0.05mm/s，变形量为60％～70％。
3.根据权利要求1所述的镍基合金双性能整体叶盘的制造方法。其特征在于：步骤二中，逐层熔丝沉积叶片毛坯(4)的焊丝(2)的直径为
Figure RE-FDA0002312830890000012
4.根据权利要求1所述的镍基合金双性能整体叶盘的制造方法。其特征在于：步骤二中，所述压下量h为盘毂毛坯(3)厚度H1的10％～20％。
5.根据权利要求1所述的镍基合金双性能整体叶盘的制造方法。其特征在于：步骤三中，等温模锻前，将整体叶盘表面涂覆玻璃润滑剂，连同锻造模具一起加热到1000℃～1100℃，进行保温，保温时间按以下公式计算：
T保温时间＝H1×0.8～1.2min/mm。
6.根据权利要求1或5所述的镍基合金双性能整体叶盘的制造方法。其特征在于：步骤三中，等温模锻的下压速度为0.5mm/s～1.0mm/s。
7.根据权利要求1所述的镍基合金双性能整体叶盘的制造方法。其特征在于：所述镍基合金的牌号为GH4169。
8.根据权利要求1或7所述的镍基合金双性能整体叶盘的制造方法。其特征在于：步骤四中，在机加成形前，对整体叶盘锻件(5)进行热处理强化，热处理制度为：固溶处理：960℃保温1h，空冷；时效处理：720℃保温8h，以50℃/h速率炉冷至620℃保温8h，空冷。
9.根据权利要求1或7所述的镍基合金双性能整体叶盘的制造方法。其特征在于：步骤二中，叶片毛坯(4)的沉积方向是沿盘毂毛坯(3)的径向，叶片毛坯(4)内部的晶粒为沿该方向的大尺寸柱状晶。
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