CN113145851A - 一种粉末冶金钛铝基双合金叶盘的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种粉末冶金钛铝基双合金叶盘的制备方法，该方法针对目前国内粉末冶金钛铝基双合金叶盘构件的潜在需求，提出一种粉末冶金+粉末直接锻造成形+烧结的工艺路线，该工艺路线中，双合金叶盘锻件的叶轮部分和叶盘部分分别成形，降低了工艺参数之间的相互影响，降低了组织及性能的控制难度，从粉末态原材料到固态构件，叶盘与叶轮之间的过渡组织依次进行了粉态‑半固态‑固态，分两步增强了叶盘与叶轮的整体可靠性，避免了成形后的加工与焊接。

Description

一种粉末冶金钛铝基双合金叶盘的制备方法
技术领域
本发明是一种粉末冶金钛铝基双合金叶盘的制备方法，属于热加工技术领域。
背景技术
我国高推重比发动机的研制中，为了取代镍基高温合金获得良好的结构减重效果，将设计和选用γ-TiAl系金属间化合物材料，用于制造发动机压气机整体导向器、可调转角导向器扇形段、导叶内环、燃烧室机匣、涡轮盘件等等。但是，由于已有的TiAl材料的室温脆性大、铸造缺陷多等问题而难以实现，设计采用双合金材料的整体叶盘结构，包括Ti60盘/TiAl叶片，或者Ti2AlNb盘/TiAl叶片的组合。目前，这种双合金叶盘尚处于研发阶段，焊接成为盘与叶片分别加工后的连接成形的选择，但这无疑会降低构件的整体可靠性。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术状况而设计提供了一种粉末冶金钛铝基双合金叶盘的制备方法，其目的是实现从粉末态原材料到固态构件，叶盘与叶轮之间的过渡组织依次进行了粉态-半固态-固态，分两步增强了叶盘与叶轮的整体可靠性，避免了成形后的加工与焊接。解决了TiAl合金叶盘整体加工难度大，以及叶轮部位室温脆性大的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种粉末冶金钛铝基双合金叶盘的制备方法的步骤是：
步骤一、粉末冶金材料准备
根据钛铝基双合金叶盘的结构尺寸，计算叶片部位所需的纯Ti粉和纯Al粉，以及叶轮部位所需的Ti2AlNb粉，并在真空环境中进行称取，将纯Ti粉和纯Al粉在研钵中进行混合备用；
步骤二、叶盘叶片部位成形
将称取后的纯Ti粉和纯Al粉混合物装填入环状的叶片模具腔1内，该环状的叶片模具腔1的内圈壁由一根圆柱形的压柱4的外壁形成，将纯Ti粉和纯Al粉混合物联同成型叶片的模具一起加热至900～1100℃，用压环3沿叶片模具腔1向下运动，直至压力达到5～20MPa后，继续加热至1100～1400℃，同时使压环3继续向下运动，直至压力达到30～40MPa，保温保压1.5～4.5h后，停止加热加压，让压环3和压柱4同时向上运动，得到叶片型坯5；
步骤三：叶盘叶轮部位成形
将称取后的Ti2AlNb粉装填入柱状的叶轮模具腔2内，该柱状的叶轮模具腔2的外圈壁由步骤二得的叶片型坯5的外壁形成，将Ti2AlNb粉联同成型叶轮的模具一起加热至900～1100℃后，使压环3和压柱4同时向下运动，直至压力达到5～20MPa，继续加热至1100～1400℃，同时使压环3和压柱4继续向下运动，直至压力达到30～40MPa，保温保压1.5～4.5h后，停止加热加压，让压环3和压柱4同时向上运动，得到叶轮型坯6与叶片型坯5相组合的钛铝基双合金叶盘锻件；
步骤四、热处理
将制备好的钛铝基双合金叶盘锻件放入热处理炉中进行固溶+时效热处理，热处理后，对锻件进行吹砂打磨，即得到粉末冶金钛铝基双合金叶盘。
上述技术方案提出了一种新的粉末冶金+粉末直接锻造成形+烧结的加工方法。该技术方案针对目前国内外正在研发的Ti2AlNb盘/TiAl叶片双合金叶盘，从粉末冶金材料直接锻造成形的角度的出发，提出了叶轮以及叶片分别成形，并且成形过程中，利用温度和压力，以及粉末良好的流动性，在叶轮以及叶片之间形成50~100微米的过渡层组织。
在成形过程中，采用叶轮以及叶片分别成形是由于粉末粒度较小（-400目），其流动性较好，如果同时装填叶片部位和叶轮部位的粉末，在成形过程中，无法保证叶片部位和叶轮部位的界面清晰，过渡层组织也会歪曲，另一方面，即使使用了隔板等材料用于分隔叶片部位和叶轮部位的粉末，太薄的隔板起不到实现清晰界面的作用，太厚的隔板无法保证隔板材料在叶盘成形过程中完全与原材料粉末发生化学反应，反而会成为夹杂物存在于微观组织中，影响整体强度。
在成形过程中，叶片部位首先由Ti粉和Al粉混合物成形，微观组织主要由TiAl相构成，并且在叶片和叶轮的接触面形成了TixAl（Nb）过渡组织，然后在叶轮部位的成形过程中，叶轮部位的Ti2AlNb粉末一方面转变成了固态，另一方面随着温度的升高，与叶片和叶轮的接触面形成了TixAl（Nb）过渡组织再次发生反应，最终形成了TiAl+ TixAl（Nb）+Ti2AlNb的过渡组织。
在一种实施中，所述纯Ti粉和纯Al粉的纯度大于99.99%。
在一种实施中，所述纯Ti粉、纯Al粉和Ti2AlNb粉的粉末粒度为-400目～-600目。
在一种实施中，所述成型叶片和叶轮的模具、压环3和压柱4均采用国内最高强度石墨制成。
在一种实施中，所述步骤二中，压柱4的底面与待成型的叶轮的下表面平齐。
在一种实施中，所述步骤二中，在形成叶片模具腔1的内圈壁的压柱4的外壁上沿圆周表面涂覆氮化硼乳浊液来接触纯Ti粉和纯Al粉混合物。该项技术措施的的作用是在模具与粉末接触的地方涂有氮化硼乳浊液，否则会发生渗碳。
在一种实施中，所述步骤二中，在形成叶片模具腔1的内圈壁的压柱4的外壁上沿圆周表面包覆Ti2AlNb箔带。该项技术措施的原理及作用是：首先利用高温高压使叶轮部位成形，在叶盘成形过程中，通过模具上的Ti2AlNb箔带，在叶轮与叶盘之间的过渡面上形成了初步的过渡组织；其次，利用高温高压使叶盘部位成形，在叶盘成形的同时，利用金属良好的流动性，实现了固态与半固态基体的结合，促进了叶盘与叶轮之间过渡组织的最终形成；最后，通过热处理，完成粉末冶金钛铝基双合金叶盘的制备。
在一种实施中，步骤二、三中，在1100～1400℃的温度区间内，压环3或压环3及压柱4同时向下运动的压力到达值为30MPa。该压力的设定与国内石墨材料的性能指标相关，目前国内的高强石墨模具的最大承载强度为30MPa。
本发明技术方案的优点及有益效果主要体现在：
（1）双合金叶盘锻件的叶轮部分和叶片部分分别成形，降低了工艺参数之间的相互影响，降低了组织及性能的控制难度；
（2）从粉末态原材料到固态构件，叶片与叶轮之间的过渡组织依次进行了粉态-半固态-固态，分两步增强了叶片与叶轮的整体可靠性，避免了成形后的加工与焊接。
附图说明
图1为本发明技术方案中所述成型叶片和叶轮的模具腔的示意图
图2为本发明技术方案中所述成型叶片和叶轮的示意图
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
该种粉末冶金钛铝基双合金叶盘的制备方法的步骤是：
步骤一、粉末冶金材料准备
根据钛铝基双合金叶盘的结构尺寸，计算叶片部位所需的纯Ti粉和纯Al粉，以及叶轮部位所需的Ti2AlNb粉，并在真空环境中进行称取，将纯Ti粉和纯Al粉在研钵中进行混合备用；
所述纯Ti粉和纯Al粉的纯度大于99.99%，所述纯Ti粉、纯Al粉和Ti2AlNb粉的粉末粒度为-400目～-600目；
步骤二、叶盘叶片部位成形
参见附图1、2所示，将称取后的纯Ti粉和纯Al粉混合物装填入环状的叶片模具腔1内，该环状的叶片模具腔1的内圈壁由一根圆柱形的压柱4的外壁形成，压柱4的底面与待成型的叶轮的下表面平齐，在形成叶片模具腔1的内圈壁的压柱4的外壁上沿圆周表面包覆Ti2AlNb箔带，在形成叶片模具腔1的内圈壁的压柱4的外壁上沿圆周表面涂覆氮化硼乳浊液来接触纯Ti粉和纯Al粉混合物，将纯Ti粉和纯Al粉混合物联同成型叶片的模具一起加热至900℃，用压环3沿叶片模具腔1向下运动，直至压力达到10MPa后，继续加热至1100℃，同时使压环3继续向下运动，直至压力达到30MPa，保温保压1.5h后，停止加热加压，让压环3和压柱4同时向上运动，得到叶片型坯5；
所述成型叶片和叶轮的模具、压环3和压柱4均采用国内最高强度石墨制成；
步骤三：叶盘叶轮部位成形
将称取后的Ti2AlNb粉装填入柱状的叶轮模具腔2内，该柱状的叶轮模具腔2的外圈壁由步骤二得的叶片型坯5的外壁形成，将Ti2AlNb粉联同成型叶轮的模具一起加热至900℃后，使压环3和压柱4同时向下运动，直至压力达到10MPa，继续加热至1100℃，同时使压环3和压柱4继续向下运动，直至压力达到30MPa，保温保压1.5h后，停止加热加压，让压环3和压柱4同时向上运动，得到叶轮型坯6与叶片型坯5相组合的钛铝基双合金叶盘锻件；
步骤四、热处理
将制备好的钛铝基双合金叶盘锻件放入热处理炉中进行固溶+时效热处理(1200℃,2h,炉冷+900℃,4h,空冷)，热处理后，对锻件进行吹砂打磨，即得到粉末冶金钛铝基双合金叶盘。制备出的盘件，叶片和叶轮结合部位的抗拉强度达到500MPa，延伸率2.3%。

Claims (8)

1.一种粉末冶金钛铝基双合金叶盘的制备方法，其特征在于：该方法的步骤是：
步骤一、粉末冶金材料准备
根据钛铝基双合金叶盘的结构尺寸，计算叶片部位所需的纯Ti粉和纯Al粉，以及叶轮部位所需的Ti2AlNb粉，并在真空环境中进行称取，将纯Ti粉和纯Al粉在研钵中进行混合备用；
步骤二、叶盘叶片部位成形
将称取后的纯Ti粉和纯Al粉混合物装填入环状的叶片模具腔(1)内，该环状的叶片模具腔(1)的内圈壁由一根圆柱形的压柱(4)的外壁形成，将纯Ti粉和纯Al粉混合物联同成型叶片的模具一起加热至900～1100℃，用压环(3)沿叶片模具腔(1)向下运动，直至压力达到5～20MPa后，继续加热至1100～1400℃，同时使压环(3)继续向下运动，直至压力达到30～40MPa，保温保压1.5～4.5h后，停止加热加压，让压环(3)和压柱(4)同时向上运动，得到叶片型坯(5)；
步骤三：叶盘叶轮部位成形
将称取后的Ti2AlNb粉装填入柱状的叶轮模具腔(2)内，该柱状的叶轮模具腔(2)的外圈壁由步骤二得的叶片型坯(5)的外壁形成，将Ti2AlNb粉联同成型叶轮的模具一起加热至900～1100℃后，使压环(3)和压柱(4)同时向下运动，直至压力达到5～20MPa，继续加热至1100～1400℃，同时使压环(3)和压柱(4)继续向下运动，直至压力达到30～40MPa，保温保压1.5～4.5h后，停止加热加压，让压环(3)和压柱(4)同时向上运动，得到叶轮型坯(6)与叶片型坯(5)相组合的钛铝基双合金叶盘锻件；
步骤四、热处理
将制备好的钛铝基双合金叶盘锻件放入热处理炉中进行固溶+时效热处理，热处理后，对锻件进行吹砂打磨，即得到粉末冶金钛铝基双合金叶盘。
2.根据权利要求1所述的粉末冶金钛铝基双合金叶盘的制备方法，其特征在于：所述纯Ti粉和纯Al粉的纯度大于99.99％。
3.根据权利要求1、2所述的粉末冶金钛铝基双合金叶盘的制备方法，其特征在于：所述纯Ti粉、纯Al粉和Ti2AlNb粉的粉末粒度为-400目～-600目。
4.根据权利要求1所述的粉末冶金钛铝基双合金叶盘的制备方法，其特征在于：所述成型叶片和叶轮的模具、压环(3)和压柱(4)均采用国内最高强度石墨制成。
5.根据权利要求1所述的粉末冶金钛铝基双合金叶盘的制备方法，其特征在于：所述步骤二中，压柱(4)的底面与待成型的叶轮的下表面平齐。
6.根据权利要求1所述的粉末冶金钛铝基双合金叶盘的制备方法，其特征在于：所述步骤二中，在形成叶片模具腔(1)的内圈壁的压柱(4)的外壁上沿圆周表面涂覆氮化硼乳浊液来接触纯Ti粉和纯Al粉混合物。
7.根据权利要求1所述的粉末冶金钛铝基双合金叶盘的制备方法，其特征在于：所述步骤二中，在形成叶片模具腔(1)的内圈壁的压柱(4)的外壁上沿圆周表面包覆Ti2AlNb箔带。
8.根据权利要求1所述的粉末冶金钛铝基双合金叶盘的制备方法，其特征在于：步骤二、三中，在1100～1400℃的温度区间内，压环(3)或压环(3)及压柱(4)同时向下运动的压力到达值为30MPa。
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CN115319092A (zh) * 2022-07-20 2022-11-11 中国航发北京航空材料研究院 一种带螺旋角的面齿轮原位粉末冶金成形方法

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