CN112296602A - 一种双合金双组织钛合金整体叶盘的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种双合金双组织钛合金整体叶盘的制造方法，该方法首先采用准β锻造方法制造出网篮细晶组织的Ti60钛合金盘毂锻坯，经机械加工得到盘毂粗加工坯，然后在盘毂粗加工坯上采用激光送粉增材制造方法制备出Ti2AlNb钛合金叶片毛坯，再对双合金整体叶盘预制坯进行局部梯度等温锻造变形，能够有效消除激光增材制造叶片毛坯内部的气孔及未熔合等缺陷，细化沉积态叶片析出相及微观组织；同时有利于合金元素在盘毂粗加工坯和叶片毛坯界面处的均匀扩散，强化盘毂粗加工坯和叶片毛坯之间的界面结合强度，而且通过对整体叶盘预制坯的局部梯度变形，可以实现网篮组织的Ti60钛合金盘毂粗加工坯与等轴组织Ti2AlNb钛合金叶片毛坯结合界面处两种显著差异组织之间的渐变过渡，使得叶片和盘体的材料与组织状态更适应整体叶盘实际工况。

Description

一种双合金双组织钛合金整体叶盘的制造方法
技术领域
本发明是一种双合金双组织钛合金整体叶盘的制造方法，属于增材制造技术领域，涉及双合金钛合金整体叶盘成形工艺的改进。
背景技术
钛合金整体叶盘是高推重比航空发动机的典型轻质高效整体结构，广泛用于压气机、风扇、涡轮等转子部件系统。整体叶盘的不同区域，其工作环境和技术要求并不相同，叶片由于工作温度较高且受离心力和振动载荷作用，主要强调良好的高周疲劳性能、热稳定性和高温持久性能等，盘毂部分承受载荷较大，主要强调高温蠕变和低周疲劳性能。因此为了提升压气机转子减重效果并满足愈加严苛、多变的工况条件，整体叶盘采用“双性能”代替传统的“均质”设计。
目前钛合金双性能整体叶盘主要包括整体式和分体式两种结构，其中整体式整体叶盘采用同一牌号钛合金通过局部变形热处理和双重组织梯度热处理方法来获得网篮组织的盘心和等轴组织的叶片部分，但因叶片和盘心部分工作温度差异较大，叶片和盘心部分即使采用同一合金不同组织状态亦必然受到合金自身性能的约束，无法充分发挥出双性能整体叶盘的结构设计优势，而且改变不同部位组织状态的工艺过程十分复杂，控制难度大，制造成本高。
分体式整体叶盘的叶片和盘毂部分可以灵活采用不同使用温度的两种钛合金制造，进而充分发挥材料各自力的最佳性能优势，进一步提高整体叶盘结构效率。目前国内外异种材料双合金整体叶盘的制造方法主要通过线性摩擦焊、扩散焊、热等静压技术将叶片和盘毂联接在一起。线性摩擦焊工艺队设备的依赖程度很大，焊接的效果、精度很大程度上取决于设备的能力，目前国际上只有少数公司具有工程化设备的制造能力。扩散焊接头通常具有较高的接头强度，适合于各种材料组织的整体叶盘制造。但是传统扩散焊工艺面临加压困难、工艺实施难度大及接头一致性差等问题。热等静压技术可以解决扩散焊面临的多向加压问题，获得质量一致性好的可靠接头，但热等静压过程中包套的封焊可靠性和工艺实施难度较大。
伴随近几年增材制造技术的快速发展，使用激光送粉或电子束熔丝增材制造技术制备异种材料构成的双合金零部件成为现实。《一种双金属双性能钛合金整体叶盘制造方法》(CN107138924A)和《一种镍基双合金整体叶盘的制造方法》(CN105312563A)分别采用电子束熔丝或激光送粉增材制造方法在轮盘锻坯上打印出不同材料的叶片毛坯。该方法虽然可消除传统扩散焊工艺不同材料之间扩散不均匀、不充分、存在缺陷的特点，但增材制造叶片毛坯内部易存在气孔、未熔合等缺陷，而且采用激光送粉或电子束熔丝增材制造钛合金叶片毛坯为粗大的魏氏组织，降低整体叶盘的服役寿命。另外，采用上述工艺制备出的双合金整体叶盘的连接界面是盘体最薄弱环节，而且结合处存在组织突变，容易在工作过程中形成裂纹源而发生松脱、断裂，严重影响发动机的安全性和可靠性。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的上述问题，通过反复研究改进，给出了一种双合金双组织钛合金整体叶盘的成形方法，通过局部梯度锻造变形不仅强化了双合金连接界面，而且使双合金整体叶盘不同区域具有不同的组织状态，特别是在整体叶盘中轮毂部位存在着细晶网篮组织，同时在叶片部位存在等轴双态锻态组织。其目的是解决增材制造方法制备的双合金整体叶盘容易出现的诸多弊端，促使整体叶盘在工作中能够充分发挥异种材料不同组织状态的优异工作性能，更好地满足航空发动机长寿命和高可靠性的使用要求。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，现结合附图说明如下：
该种双合金双组织钛合金整体叶盘的制造方法中的步骤为：
步骤一、制备盘毂粗加工坯
通过对锻造模具进行加热，将锻制状态Ti60钛合金棒材采用准β锻造方法制备细晶网篮组织的盘毂锻坯6，盘毂锻坯6为哑铃状的圆盘形态，采用机械加工方法去除盘毂锻坯外缘凸台，加工后的凸台边缘厚度H1保持不变，得到盘毂粗加工坯4；
步骤二、打印叶片毛坯
将粉末粒度为200～250目的Ti2AlNb粉末采用激光送粉增材制造工艺在盘毂粗加工坯4外缘基体上逐层打印叶片毛坯3，叶片毛坯3沉积厚度H2为盘毂粗加工坯4凸台边缘厚度H1的1.5～3倍，然后采用机械加工方法去除增材支撑块5，获得整体叶盘预制坯7；
步骤三、锻造整体叶盘预制坯
采用加热后的锻造模具对整体叶盘预制坯7沿轴向进行等温模锻，压下量为h，得到整体叶盘锻件8；
步骤四、整体叶盘锻件热处理
采用固溶处理+时效处理的热处理方法对整体叶盘锻件8进行热处理强化；
步骤五、加工整体叶盘
对整体叶盘锻件8按照图纸加工到零件最终尺寸，获得Ti60-Ti2AlNb双合金双组织钛合金整体叶盘零件9。
在一种实施中，步骤一中的Ti60钛合金坯料在相变点(Tβ)以下20～50℃进行加热保温，待保温时间T1结束后迅速升温到相变点(Tβ)以上15～30℃，保温时间T2，保温时间T1和T2分别按公式1和公式2计算。
T1＝坯料最小截面高度×0.8～1.2min/mm 公式1
T2＝坯料最小截面高度×0.3～0.5min/mm 公式2
在一种实施中，步骤一中锻造模具加热温度与Ti60钛合金坯料最终加热温度并不相同，模具加热温度为Ti60钛合金相变点(Tβ)±10℃，锻造速度0.5mm/s～1.0mm/s，锻造变形量为60％～80％，锻造变形后的Ti60钛合金盘毂锻坯6迅速进行水冷处理
在一种实施中，步骤一中，采用机械加工方法去除盘毂锻坯6外缘凸台前进行去应力退火，退火温度为400～600℃，保温4h后出炉空冷。
在一种实施中，步骤二中，打印叶片毛坯3过程中采用感应线圈对盘毂粗加工坯4基体进行加热，加热温度为300～600℃。
在一种实施中，步骤二中，打印叶片毛坯3过程中采用感应线圈对盘毂粗加工坯4基体进行加热，加热温度为300～600℃。
在一种实施中，步骤三中，等温锻造前将整体叶盘预制坯7表面涂覆玻璃润滑剂，锻造温度为Ti2AlNb合金的两相区(α2+B2)温度范围进行加热保温，锻造模具温度与整体叶盘预制坯7加热温度保持一致
在一种实施中，步骤三中，等温锻造的下压速度为0.01mm/s～0.1mm/s。所述压下量h为打印叶片毛坯3边缘厚度H2的50％～80％。
在一种实施中，步骤四中，整体叶盘锻件5的热处理制度为固溶处理：Ti2AlNb合金的三相区(O+α2+B2)温度范围内保温2h，空冷；时效处理：680～750℃保温5～8h，空冷。
本发明技术方案具有如下优点：
与现行技术相比，这种Ti60-Ti2AlNb双合金整体叶盘的制造方法的技术优势是采用准β锻造和激光增材制造技术分别制造出Ti60盘毂和Ti2AlNb叶身的整体叶盘预制坯，整体叶盘预制坯采用梯度等温锻造变形最终获得具备细小网篮组织的盘毂和均匀等轴组织的Ti2AlNb叶片。较传统双组织梯度热处理工艺不仅省去了复杂结构热处理炉，提高了生产效率，降低制造成本，而且通过锻造变形可以使界面处的魏氏组织出现球化、等轴化，组织变得细小均匀，同时闭合增材制造叶盘毛坯内部存在的气孔、未熔合等缺陷，有效强化了双合金界面结合强度。另外通过合理设计整体叶盘预制坯并采用梯度等温锻造变形使得叶尖区域的等轴组织更为细小，从而实现叶片与盘毂之间的组织渐变过渡，省去了锻造后的大梯度热处理工艺，大幅提高了盘毂、叶片及过渡区组织控制准确性，由此可以保证叶片部位具有良好的高周疲劳性能、热稳定性和高温持久性能等，盘毂部位具有良好的高温蠕变和低周疲劳性能，促使整体叶盘在工作中能够充分发挥异种材料不同组织状态的优异工作性能，提高Ti60-Ti2AlNb双合金双组织整体叶盘的使用可靠性和服役寿命。
附图说明
图1为实施本发明方法的激光送粉增材制造叶片毛坯过程示意图；图中图号：1聚焦激光2金属粉末3叶片毛坯4盘毂粗加工坯5增材支撑块
图2为本发明方法实施例中的采用准β锻造方法制备的钛合金盘毂锻坯示意图
图3为本发明方法实施例中经过机械加工的钛合金盘毂粗加工坯示意图
图4为本发明方法实施例中的双合金双组织钛合金整体叶盘预制坯示意图
图5为本发明方法实施例中的双合金双组织钛合金整体叶盘锻件示意图
图6为本发明方法实施例中的双合金双组织钛合金整体叶盘零件示意图
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地详述：
实施例1
步骤一、制备盘毂粗加工坯
采用金相法测得Ti60钛合金坯料的相变点(Tβ)为1055℃，锻造模具加热温度设定为1055℃，Ti60钛合金坯料首先在1030℃进行预热，待保温150min结束后迅速升温到1075℃保温50min，然后将Ti60钛合金坯料转移到加热后的模具中进行锻造变形，锻造速度0.7～1.0mm/s，变形量为70％，锻造变形后迅速进行水冷处理，制备出细晶网篮组织的盘毂锻坯6，盘毂锻坯6为哑铃状的圆盘形态，凸台边缘厚度H1为100mm；
采用450℃保温4h，空冷的热处理制度对盘毂锻坯6进行去应力退火。退火后的盘毂锻坯6通过机械加工去除盘毂锻坯外缘凸台，加工后的凸台边缘厚度保持不变，得到盘毂粗加工坯4；
步骤二、打印叶片毛坯
将粉末粒度为220～240目的Ti2AlNb粉末进行真空烘干处理，烘干温度为180℃。采用激光送粉增材制造工艺在预热到400℃的盘毂粗加工坯4外缘基体上逐层打印叶片毛坯3，打印叶片毛坯3厚度H2为200mm，然后采用机械加工方法去除增材支撑块5，获得整体叶盘预制坯7；
步骤三、锻造整体叶盘预制坯
将表面涂覆玻璃润滑剂的的整体叶盘预制坯7进行加热保温，加热温度为1030℃，保温120min后进行等温锻造，锻造速度0.05～0.07mm/s，锻造变形量为60％。其中锻造模具加热温度与与整体叶盘预制坯7加热温度保持一致。
步骤四、整体叶盘锻件热处理
采用固溶处理+时效处理的热处理方法对整体叶盘锻件8进行热处理强化，热处理制度为固溶处理：980℃保温2h，空冷；时效处理：720℃保温6h，空冷。
步骤五、加工整体叶盘
对整体叶盘锻件8按照图纸加工到零件最终尺寸，获得Ti60-Ti2AlNb双合金双组织钛合金整体叶盘零件9。

Claims (10)

1.一种双合金双组织钛合金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、制备盘毂粗加工坯
通过对锻造模具进行加热，将锻制状态Ti60钛合金棒材采用准β锻造方法制备细晶网篮组织的盘毂锻坯(6)，盘毂锻坯(6)为哑铃状的圆盘形态，采用机械加工方法去除盘毂锻坯外缘凸台，加工后的凸台边缘厚度H1保持不变，得到盘毂粗加工坯(4)；
步骤二、打印叶片毛坯
将粉末粒度为200～250目的Ti2AlNb粉末采用激光送粉增材制造工艺在盘毂粗加工坯4外缘基体上逐层打印叶片毛坯(3)，叶片毛坯(3)厚度H2为盘毂粗加工坯(4)凸台边缘厚度H1的1.5～3倍，然后采用机械加工方法去除增材支撑块(5)，获得整体叶盘预制坯(7)；
步骤三、锻造整体叶盘预制坯
采用加热后的锻造模具对整体叶盘预制坯(7)沿轴向进行等温模锻，压下量为h，得到整体叶盘锻件(8)；
步骤四、整体叶盘锻件热处理
采用固溶处理+时效处理的热处理方法对整体叶盘锻件(8)进行热处理强化；
步骤五、加工整体叶盘
对整体叶盘锻件(8)按照图纸加工到零件最终尺寸，获得Ti60-Ti2AlNb双合金双组织钛合金整体叶盘零件(9)。
2.根据权利要求1所述的一种双合金双组织钛合金整体叶盘的制造方法，其特征在于：步骤一中的Ti60钛合金坯料在相变点(Tβ)以下20～50℃进行加热保温，待保温时间T1结束后迅速升温到相变点(Tβ)以上15～30℃，保温时间T2，保温时间T1和T2分别按公式1和公式2计算。
T1＝坯料最小截面高度×0.8～1.2min/mm 公式1
T2＝坯料最小截面高度×0.3～0.5min/mm 公式2。
3.根据权利要求1所述的一种双合金双组织钛合金整体叶盘的制造方法，其特征在于：步骤一中锻造模具加热温度与Ti60钛合金坯料最终加热温度并不相同，模具加热温度为Ti60钛合金相变点(Tβ)±10℃，锻造速度0.5mm/s～1.0mm/s，锻造变形量为60％～80％，锻造变形后的Ti60钛合金盘毂锻坯6迅速进行水冷处理。
4.根据权利要求1所述的一种双合金双组织钛合金整体叶盘的制造方法，其特征在于：步骤一中，采用机械加工方法去除盘毂锻坯(6)外缘凸台前进行去应力退火，退火温度为400～600℃，保温4h后出炉空冷。
5.根据权利要求1所述的一种双合金双组织钛合金整体叶盘的制造方法，其特征在于：步骤二中，打印叶片毛坯(3)前对Ti2AlNb合金粉末进行真空烘干处理，烘干温度为100～200℃。
6.根据权利要求1所述的一种双合金双组织钛合金整体叶盘的制造方法，其特征在于：步骤二中，打印叶片毛坯(3)过程中采用感应线圈对盘毂粗加工坯(4)基体进行加热，加热温度为300～600℃。
7.根据权利要求1所述的一种双合金双组织钛合金整体叶盘的制造方法，其特征在于：步骤三中，等温锻造前将整体叶盘预制坯(7)表面涂覆玻璃润滑剂，锻造温度为Ti2AlNb合金的两相区(α2+B2)温度范围进行加热保温，锻造模具温度与整体叶盘预制坯(7)加热温度保持一致。
8.根据权利要求1所述的一种双合金双组织钛合金整体叶盘的制造方法，其特征在于：步骤三中，等温锻造的下压速度为0.01mm/s～0.1mm/s。所述压下量h为打印叶片毛坯(3)边缘厚度H2的50％～80％。
9.根据权利要求1所述的一种双合金双组织钛合金整体叶盘的制造方法，其特征在于：步骤四中，整体叶盘锻件(5)的热处理制度为固溶处理：Ti2AlNb 合金的三相区(O+α2+B2)温度范围内保温2h，空冷；时效处理：680～750℃保温5～8h，空冷。
10.根据权利要求1所述的一种双合金双组织钛合金整体叶盘的制造方法，其特征在于：所述的双合金双组织钛合金整体叶盘的Ti60钛合金盘毂部分存在着网篮组织，Ti2AlNb合金叶片部分存在着等轴组织。
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