CN112008224B - 一种粉末高温合金双辐板空心涡轮盘的连接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及航空发动机涡轮盘制造领域，具体涉及一种粉末高温合金双辐板空心涡轮盘的连接方法。针对双辐板涡轮盘特有的半封闭、空心狭腔、焊接面积大的设计结构特点及新型粉末高温合金选材特点所带来的综合性问题，本发明以固相扩散连接为核心，通过焊接界面精密制备、扩散连接工艺曲线设计及优化、焊后恢复性能热处理等工艺措施，消除接头原始连接界面，实现粉末高温合金的可靠连接，提高涡轮盘结构完整性和使用性能。与传统的高温合金扩散连接工艺相比，采用本发明的方法获得的连接接头原始连接界面消失，高温蠕变寿命超过了材料标准值，高温低周疲劳性能达到了材料标准值的90%以上，满足了空心涡轮盘设计及使用需求。

Description

一种粉末高温合金双辐板空心涡轮盘的连接方法
技术领域
本发明涉及航空发动机涡轮盘制造领域，具体涉及一种粉末高温合金双辐板空心涡轮盘的连接方法。
背景技术
双辐板空心涡轮盘为国际先进高性能发动机代表型零件，也是国内新一代高性能发动机首选设计结构，其典型结构如图1 所示。传统涡轮盘为实心结构，冷气只能从盘面流过进行冷却，导致涡轮盘温度分布不均、热应力大。与传统涡轮盘相比，冷气可直接流进双辐板间空腔，从而实现盘体内部冷却，提高了盘体冷却效果，减少了冷却空气用量，提高了发动机性能；涡轮盘温度分布更加均匀，热应力更小，从而延长了涡轮盘寿命；质量减轻了17%，转速提高了9%，提高了AN2值，从而降低涡轮盘的高周疲劳失效，进而大幅降低发动机的非定期维护成本。
如图1所示，双辐板空心涡轮盘由2个近对称半盘焊接而成，其中一个半盘有安装边，除安装边外两半盘其他部分接近对称。两个半盘轴向外侧均有内外两个凸出的环形平面，轴向内侧组合后形成空心狭腔，空心狭腔处沿径向两侧的两个半盘的连接处即为需要焊接的位置，即焊接面。材料选用了第三代粉末高温合金，该合金其兼具了兼具第一代粉末高温合金的高强度和第二代粉末高温合金的损伤容限设计的优点，是高强度损伤容限型合金，具有更高的蠕变强度和抗裂纹扩展能力，热时寿命是第二代的20～30倍，是新一代航空发动机热端部件的首选材料；双辐板空心涡轮盘具有半封闭、空心狭腔、焊接面积大的结构设计特点，焊后内腔无法加工，采用常规焊接方法存在如下问题：
(1)内腔的电子束焊工艺锁底或焊缝余高、惯性摩擦焊接头飞边等无法去除，影响结构完整性和使用性能；
(2)电子束焊接头的铸造组织难以满足涡轮盘对高温蠕变性能、抗疲劳裂纹扩展能力的需求；
(3)高温合金扩散连接温度一般为合金熔点的80%～85%，对于该新型粉末高温合金约为1000℃～1100℃，在该温度下即使进行长时间、大压力固相扩散连接，接头仍存在原始扩散连接界面，破坏了接头微观结构完整性，接头高温蠕变、高温疲劳等性能无法满足使用需求；而进一步提高焊接温度，将导致母材性能降低，零件综合性能无法满足使用需求。
综上所述，现有工艺技术水平已限制了新型高性能发动机粉末合金空心涡轮盘的研制及应用。
发明内容
针对双辐板涡轮盘特有的半封闭、空心狭腔、焊接面积大的设计结构特点及新型粉末高温合金选材特点所带来的综合性问题，本发明以固相扩散连接为核心，通过焊接界面精密制备、扩散连接工艺曲线设计及优化、焊后恢复性能热处理等工艺措施，消除接头原始连接界面，实现粉末高温合金的可靠连接，提高涡轮盘结构完整性和使用性能，为国内新型高性能发动机空心涡轮盘的研制及应用提供技术支撑。
本发明以固相扩散连接为核心，通过焊接界面精密制备、扩散连接工艺曲线设计及优化、焊后恢复性能热处理等工艺措施，消除接头原始连接界面，实现粉末高温合金的可靠连接，提高涡轮盘结构完整性和使用性能，其技术方案要点包含：（1）扩散连界面精密加工；（2）固相扩散连接工艺曲线设计及优化，包括预连接温度及保温时间、正式焊接温度及保温时间；（3）焊后热处理工艺。
本发明的方法具体包含以下步骤：
S1：焊前精密加工：
采用磨、车复合加工对待焊件进行焊前精密加工，所述待焊件为两个近对称的毛坯半盘，见图2。两待焊件的环形平面和焊接面均加工至平面度≤0.05mm，任意环形平面、焊接面间的平行度≤0.05mm。
S2：组配定位：
将两个待焊件对正贴合，微调对正后，将两待焊件相对位置固定，固定方式可为定位销固定或储能焊，固定后的组配待焊件的圆周相对跳动≤0.15mm，自由状态下焊接面装配间隙≤0.1mm，组配后待焊件上下环形平面间平行度≤0.1mm。
S3：装配入炉：
将组配待焊件放置在真空扩散焊炉平台中心，在组配待焊件两侧放置石墨限位块，石墨限位块较组配待焊件低0.15±0.05mm，关闭炉门。
S4：预连接：
抽真空至炉内真空压力小于1×10-4mbar，设定焊接压力1～3MPa，以不大于120℃/h的升温速率升温至800±10℃，保温1~2小时；随后以不大于120℃/h的升温速率升温至1030±10℃~1070±10 ℃，调整焊接压力至4～10MPa，保温2~3小时。
在低于扩散连接温度时，零件焊接面微观质点在焊接压力作用下发生微观塑性变形，零件在焊接压力作用下发生塑性变形和蠕变变形，以上的微观、宏观变形均对界面贴合、界面孔洞闭合起到积极的促进作用。通过预连接处理，充分利用合金在低温段的微观、宏观变形对接头焊合率的作用，可以实现扩散连接接头的初步焊合，这样的优点在于可减少后续正式连接的保温时间，从而避免了为获得高质量扩散连接接头而延长保温时间对零件基体组织性能的不利影响。
S5：正式连接：
调整焊接压力至1～3MPa，继续以不大于120℃/h的升温速率升温至1140±10℃～1180±10℃后，调整焊接压力至4～6MPa，保温1.5~3小时；保温结束后，调整焊接压力至1～3MPa，充入1.2～3.0bar高纯氩，启动风机快速冷却到50℃以下出炉。
通过降低1030±10℃~1070±10 ℃升温至1140±10℃～1180±10℃期间的焊接压力，使零件在温度作用下充分热膨胀，该方法的好处在于，正式连接温度时，即1140±10℃～1180±10℃，零件具有更大的塑性变形量，通过较大的塑性变形量和较高的连接温度综合作用，可进一步提高接头焊合率，促进接头微观组织的再结晶，从而达到了消除焊接界线的效果。
S6：焊后检查：
目视检查扩散连接线闭合无可见间隙，在平台上用高度尺测量焊件高度，焊接变形量为1.20±0.05mm。
S7：时效热处理：
采用二级时效真空热处理热处理制度为815±10℃～845±10℃，保温4～8小时，空冷至80℃以下出炉；760±10℃，保温8～16小时，空冷至80℃以下出炉。通过时效处理，可促进接头和零件基体强化相的析出，提高接头和零件基体的综合性能。
本发明的有益效果：本发明以固相扩散连接为核心，提出了一种粉末高温合金空心涡轮盘的连接方法，与传统的高温合金扩散连接工艺相比，采用本发明的方法获得的连接接头原始连接界面消失，高温蠕变寿命超过了材料标准值，高温低周疲劳性能达到了材料标准值的90%以上，满足了空心涡轮盘设计及使用需求，可应用于新型高性能发动机空心涡轮盘研制及生产，并推广应用于其他新型高性能航空发动机同类型或相似连接需求的构件。
附图说明
图1 为本发明中涉及的双辐板空心涡轮盘零件典型结构示意图。
图2 为本发明中涉及的双辐板空心涡轮盘待焊件结构的剖切示意图。
图3 为本发明中涉及的组配焊接后双辐板空心涡轮盘毛坯件结构示意图。
图4 为实施例1中得到的扩散连接接头显微照片。
图5 为对比例1中常规扩散焊接工艺得到的接头显微照片。
附图标记：1-盘缘，2-左半盘，3-右半盘，4-安装边，5-空心狭腔，6-环形平面，7-焊接面。
具体实施方式
下面结合对比例和实施例对本发明中方法的具体实施方式做进一步介绍，使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
下述对比例和实施例所涉及的双辐板空心涡轮盘零件典型结构如图1所示，双辐板空心涡轮盘待焊件的剖切示意图如图2所示，待焊件为两个接近对称的带辐板圆盘毛坯件，其中一个带有安装边。组配焊接后形成双辐板空心涡轮盘毛坯件，结构示意图如图3。
实施例1
步骤一：焊前精密加工
采用磨、车复合加工对待焊件进行焊前加工，所述待焊件为两个近对称的毛坯半盘，见图2。两待焊件的环形平面和焊接面均加工至平面度≤0.05mm，任意环形平面、焊接面间的平行度≤0.05mm。
步骤二：组配定位
将两个待焊件对正贴合，微调对正后，将两待焊件相对位置固定，采用定位销定位，通过调整两待焊件相对位置，使组配待焊件的圆周相对跳动≤0.15mm，自由状态下焊接面装配间隙≤0.1mm，上下环形平面间平行度≤0.1mm，组配。
步骤三：装配入炉
将组配待焊件放置在真空扩散焊炉平台中心，在两侧放置石墨限位块，使石墨限位块较组配待焊件低0.15±0.05mm，关闭炉门。
步骤四：预连接
抽真空至炉内真空压力小于1×10-4mbar，设定焊接压力1.0MPa，以不大于120℃/h的升温速率升温至800±10℃，保温60min；随后以不大于120℃/h的升温速率升温至1030±10℃，调整焊接压力至4.0MPa，保温120min。
步骤五：正式连接
调整焊接压力至1.0MPa，继续以不大于120℃/h的升温速率升温至1140±10℃后，调整焊接压力至4.0MPa，保温90min；保温结束后，调整焊接压力至1.0MPa，充入1.2bar高纯氩，启动风机快速冷却到50℃以下出炉。
步骤六：焊后检查
目视检查毛坯扩散连接线，应闭合无可见间隙；在平台上用高度尺测量变形量为1.20±0.05mm。
步骤七：时效热处理
进行二级时效真空热处理，热处理制度：845±10℃，保温4小时，空冷至80℃以下出炉；760±10℃，保温8小时，空冷至80℃以下出炉。
步骤八：渗透检验
车加工盘体外缘，径向去除10mm余量，荧光检查扩散连接线，无超标缺陷。
步骤九：剖切检验
在余量区取样，进行接头金相检查，原始连接界面消失，如图4所示。
实施例2
步骤一：焊前精密加工
采用磨、车复合加工对待焊件进行焊前加工，所述待焊件为两个近对称的毛坯半盘，见图2。两待焊件的环形平面和焊接面均加工至平面度≤0.05mm，任意环形平面、焊接面间的平行度≤0.05mm。
步骤二：组配定位
将两个待焊件对正贴合，微调对正后，将两待焊件相对位置固定，采用定位销定位，通过调整两待焊件相对位置，使组配待焊件的圆周相对跳动≤0.15mm，自由状态下焊接面装配间隙≤0.1mm，上下环形平面间平行度≤0.1mm，组配。
步骤三：装配入炉
将组配待焊件放置在真空扩散焊炉平台中心，在两侧放置石墨限位块，使石墨限位块较组配待焊件低0.15±0.05mm，关闭炉门。
步骤四：预连接
抽真空至炉内真空压力小于1×10-4mbar，设定焊接压力2.0MPa，以不大于120℃/h的升温速率升温至800±10℃，保温90min；随后以不大于120℃/h的升温速率升温至1050±10℃，调整焊接压力至7.0MPa，保温150min。
步骤五：正式连接
调整焊接压力至2.0MPa，继续以不大于120℃/h的升温速率升温至1160±10℃后，调整焊接压力至5.0MPa，保温130min；保温结束后，调整焊接压力至2.0MPa，充入2.0 bar高纯氩，启动风机快速冷却到50℃以下出炉。
步骤六：焊后检查
目视检查毛坯扩散连接线，应闭合无可见间隙；在平台上用高度尺测量变形量为1.20±0.05mm。
步骤七：时效热处理
进行二级时效真空热处理，热处理制度：815±10℃，保温8小时，空冷至80℃以下出炉；760±10℃，保温16小时，空冷至80℃以下出炉。
步骤八：渗透检验
车加工盘体外缘，径向去除10mm余量，荧光检查扩散连接线，无超标缺陷。
步骤九：剖切检验
在余量区取样，进行接头金相检查，原始连接界面消失。
实施例3
步骤一：焊前精密加工
采用磨、车复合加工对待焊件进行焊前加工，所述待焊件为两个近对称的毛坯半盘，见图2。两待焊件的环形平面和焊接面均加工至平面度≤0.05mm，任意环形平面、焊接面间的平行度≤0.05mm。
步骤二：组配定位
将两个待焊件对正贴合，微调对正后，将两待焊件相对位置固定，采用定位销定位，通过调整两待焊件相对位置，使组配待焊件的圆周相对跳动≤0.15mm，自由状态下焊接面装配间隙≤0.1mm，上下环形平面间平行度≤0.1mm，组配。
步骤三：装配入炉
将组配待焊件放置在真空扩散焊炉平台中心，在两侧放置石墨限位块，使石墨限位块较组配待焊件低0.15±0.05mm，关闭炉门。
步骤四：预连接
抽真空至炉内真空压力小于1×10-4mbar，设定焊接压力3.0MPa，以不大于120℃/h的升温速率升温至800±10℃，保温120min；随后以不大于120℃/h的升温速率升温至1070±10℃，调整焊接压力至10MPa，保温180min。
步骤五：正式连接
调整焊接压力至3.0MPa，继续以不大于120℃/h的升温速率升温至1180±10℃后，调整焊接压力至6.0MPa，保温180min；保温结束后，调整焊接压力至3.0MPa，充入3.0bar高纯氩，启动风机快速冷却到50℃以下出炉。
步骤六：焊后检查
目视检查毛坯扩散连接线，应闭合无可见间隙；在平台上用高度尺测量变形量为1.20±0.05mm。
步骤七：时效热处理
进行二级时效真空热处理，热处理制度：815±10℃，保温8小时，空冷至80℃以下出炉；760±10℃，保温16小时，空冷至80℃以下出炉。
步骤八：渗透检验
车加工盘体外缘，径向去除10mm余量，荧光检查扩散连接线，无超标缺陷。
步骤九：剖切检验
在余量区取样，进行接头金相检查，原始连接界面消失。
对比例1
步骤一至四与实施例1相同，其他过程采用以下步骤：
步骤五：正式连接
抽真空至炉内真空压力小于1×10-4mbar，设定焊接压力为20MPa，升温至1160±10℃后，保温240min；保温结束后，随炉冷却到50℃以下出炉。
步骤六：焊后检查
在平台上用高度尺测量变形量为2.31mm。
步骤七：时效热处理
进行二级时效真空热处理，热处理制度：845±10℃，保温4小时，空冷至80℃以下出炉。
步骤八：渗透检验
车加工盘体外缘，径向去除10mm余量，荧光检查扩散连接线，无超标缺陷。
步骤九：剖切检验
在余量区取样，进行接头金相检查，原始连接界面未消失，如图5所示。
从图4和图5的对比可见，相比对比例1中的常规工艺，采用本发明实施例1中的方法之后，扩散焊的原始连接界面在显微照片中消失，微观结构完整。
对实施例1～3和对比例1中步骤九中的余量区取的样品进行750℃高温蠕变、700℃低周疲劳测试，计算平均值并与材料标准值进行对比，测试结果如下：
示例 接头高温蠕变寿命/母材高温蠕变寿命 % 接头高温疲劳循环次数/母材高温疲劳循环次数 %
实施例1 124.77% 92.3%
实施例2 148.48% 94.1%
实施例3 161.72% 90.5%
对比例1 87.35% 66.7%
可以看出本发明的实施例中所得的焊接接头高温蠕变寿命超过了材料标准值，远高于对比例中的常规工艺。高温低周疲劳性能达到了材料标准值的90%以上，满足了空心涡轮盘设计及使用需求。

Claims (3)

1.一种粉末高温合金双辐板空心涡轮盘的连接方法，其特征在于，所述粉末高温合金为第三代粉末高温合金，所述连接方法包括以下步骤：
S1：焊前精密加工：
对待焊件进行焊前精密加工，所述待焊件为两个近对称的毛坯半盘，两待焊件的环形平面和焊接面均加工至平面度≤0.05mm，任意环形平面、焊接面间的平行度≤0.05mm；
S2：组配定位：
将两个待焊件对正贴合，微调对正后，将两待焊件相对位置固定，固定后的组配待焊件的圆周相对跳动≤0.15mm，自由状态下焊接面装配间隙≤0.1mm，组配后待焊件上下环形平面间平行度≤0.1mm；
S3：装配入炉：
将组配待焊件放置在真空扩散焊炉平台中心，在组配待焊件两侧放置石墨限位块，石墨限位块较组配待焊件低0.15±0.05mm，关闭炉门；
S4：预连接：
抽真空至炉内真空压力小于1×10-4mbar，设定焊接压力1～3MPa，以不大于120℃/h的升温速率升温至800±10℃，保温1~2小时；随后以不大于120℃/h的升温速率升温至1030±10℃~1070±10 ℃，调整焊接压力至4～10MPa，保温2~3小时；
S5：正式连接：
调整焊接压力至1～3MPa，继续以不大于120℃/h的升温速率升温至1140±10℃～1180±10℃后，调整焊接压力至4～6MPa，保温1.5~3小时；保温结束后，调整焊接压力至1～3MPa，充入1.2～3.0bar高纯氩，启动风机快速冷却到50℃以下出炉；
S6：焊后检查：
目视检查扩散连接线闭合无可见间隙，用高度尺测量焊件的焊接变形量为1.20±0.05mm；
S7：时效热处理：
采用二级时效真空热处理，热处理制度为：815±10℃~845±10℃，保温4～8小时，空冷至80℃以下出炉；760±10℃，保温8～16小时，空冷至80℃以下出炉。
2.根据权利要求1所述的一种粉末高温合金双辐板空心涡轮盘的连接方法，其特征在于，步骤S1中所述的焊前精密加工方法为采用磨、车复合加工。
3.根据权利要求1所述的一种粉末高温合金双辐板空心涡轮盘的连接方法，其特征在于，步骤S2中所述的将两待焊件相对位置固定的方法为利用定位销或采用储能焊。
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