CN113909478B - 一种航空发动机中异种高温合金的激光熔化沉积连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种航空发动机中异种高温合金的激光熔化沉积连接方法，属于激光熔化沉积快速成形领域，本发明将航空发动机轮盘用材料基体与叶片用材料基体通过激光熔化沉积梯度材料粉末进行连接。通过基体的形状设计、工艺参数和成形过程的优化使基体与梯度材料沉积层形成良好的冶金结合，同时极大减少残余应力降低开裂倾向，获得致密均匀且组织与性能呈梯度变化的连接过渡区。
Description
技术领域
本发明属于激光熔化沉积快速成形领域，特别涉及一种航空发动机中异种高温合金的激光熔化沉积连接方法。
背景技术
航空发动机是飞机的“心脏”，因其技术含量密集且制造难度高，其先进性是衡量一个国家工业水平的重要标志。在新一代军用及民用飞机制造业的发展中可以看出，在提高发动机可靠性的同时，减轻发动机零部件的结构重量是降低油耗、提高推重比的重要途径。为此，发展和研发先进的轻质高性能材料与轻量化结构是目前的主要趋势。
涡轮盘及叶片是涡轮发动机的核心组成部分，由于涡轮发动机叶片的工作温度在800℃以上，工作时需要抵抗高温环境下的复杂应力作用；而涡轮盘的工作温度较低，需要有较好的中温稳定性。因此涡轮发动机叶片主要使用铸造高温合金、单晶高温合金；而涡轮盘使用变形高温合金、粉末高温合金等。叶片与轮盘制成一体的结构称为整体叶盘，整体叶盘取替了传统叶盘分离式机械连接的榫接结构，使零件数量减少，大幅度减轻涡轮的总体重量，并且有效避免气流在榫根与榫槽间隙中流动所带来的微动磨损，提高了发动的使用性能和寿命。但由于异种高温合金成分和热物理性能的差异，传统的加工工艺如线性摩擦焊、数控铣削、数控电解加工等难以满足制备要求。激光增材制造技术的不断发展和完善，给整体叶盘的设计与制造提供了新的思路，即可通过激光熔化沉积梯度材料制备整体叶盘，实现涡轮盘和叶片连接处过渡区材料成分、组织和性能的平稳过渡。
目前采用激光熔化沉积制备整体叶盘结构所面临的最大问题在于沉积叶片用材料的过程中出现开裂现象，使通过全部沉积高温合金粉末而成型的方式难以实现。这是由于叶片材料的粉末中含有过高的Al+Ti含量，快速冷却作用造成成分偏析而形成共晶组织，在逐层堆积成形的过程中，已成形的沉积层将作为热影响区存在，低熔点共晶组织将再次熔化，并在拉应力的作用下形成液化裂纹。要解决开裂问题，一方面需要优化叶片用材料粉末的成分，使其易于沉积成形；另一方面从工艺的角度出发，设法降低残余应力，或者放弃沉积叶片用材料粉末，采用沉积梯度材料的方式将异种高温合金的基体进行连接。
发明内容
本发明的目的是针对上述已有技术存在的问题，提供一种航空发动机中异种高温合金的激光熔化沉积连接方法。
本发明的原理是将轮盘用材料基体与叶片用材料基体通过激光熔化沉积梯度材料粉末进行连接。通过基体的形状设计、工艺参数和成形过程的优化使基体与梯度材料沉积层形成良好的冶金结合，同时极大减少残余应力降低开裂倾向，获得致密均匀且组织与性能呈梯度变化的连接过渡区。
本发明采用如下技术方案：
一种航空发动机中异种高温合金的激光熔化沉积连接方法，用于航空发动机涡轮盘及叶片的成型，利用半导体激光器，将轮盘用合金材料基体与叶片用合金材料基体通过激光熔化沉积梯度材料粉末进行连接，具体方法如下：
(1)基体材料的预处理
将轮盘用合金材料基体与叶片用合金材料基体分别通过线切割制备成尺寸相同、各面平整的梯形体，底面与上表面为等宽长方形，斜角为45°，使两基体斜边成相对放置并固定于Q235基板上；
(2)梯度材料粉末制备
选用的材料粉末为气雾化法制备的轮盘用合金材料与叶片用合金材料的混合粉末，两种粉末按照一定比例进行混合，随后通过球磨机进行均匀混粉处理；
(3)激光熔化沉积梯度材料粉末
利用半导体激光器，熔化沉积预置的梯度材料粉末，具体工艺参数如下：激光功率P＝1600-2000W，扫描速度V＝4-6mm/s，扫描方向垂直于两基体间的连线，路径为循环往复，搭接率40-50％，激光从轮盘用合金材料基体一侧开始扫描，到达两基体间距一半处停止，将基体水平旋转180°，从叶片用合金材料基体一侧重新开始扫描，直到之前停止处，完成一层的沉积，随后经10-15分钟冷却，预置梯度材料粉末进行下一层沉积，当到达一定厚度之后，切取一定高度间的部位，获得两侧连接不同基体的过渡区。
作为本发明的优选方案：所述轮盘用合金材料为GH4169，叶片用合金材料为K417G。
作为本发明的优选方案：梯度材料粉末的粒径为80～120μm，粉末形貌为球形。
作为本发明的优选方案：所述步骤(2)中球磨机的转速为300r/min，混粉24小时。
作为本发明的优选方案：所述步骤(1)中两种基体首先通过打磨抛光去除基体表面杂质，随后使用清水清洗，再用无水乙醇和丙酮彻底清洗掉表面的杂质，最后风干。
相比于现有技术，本发明的有益效果在于：激光快速成型技术可以通过选择性地熔化预置粉末层来实现复杂几何零件的快速制造，为材料的成形提供了独特的设计自由度，能够在制造过程中根据零部件的实际使用需要改变其各部分的成分组成和组织特征；可以通过优化成形过程和工艺参数以获得更低的孔隙率和更高强度的高质量零件；无需零件毛坯试样的制备，无需锻压模具的加工，无需铸锻工业基础设施及相关配套设施；产品的加工速度快，零部件的全部设计可以在计算机中完成，材料的利用率较高，后续机械加工量小，实现了制造过程的数字化和智能化；而且其制造过程无污染、无辐射、低噪声。因此采用激光快速成型技术可带来显著的社会效益和经济效益。
本发明在激光快速成形技术的基础上，针对沉积叶片用材料粉末出现开裂的难题，采用激光熔化沉积梯度材料粉末的方法，使轮盘基体与叶片基体达到良好的冶金结合并获得致密均匀且组织与性能呈梯度变化的连接过渡区，为激光快速成成形整体叶盘结构的制备提供了一种新思路。其中由于考虑激光入射方向与加工平台存在夹角，因此合理设计基体形状和沉积过程中的水平旋转使激光扫描起始时充分照射于基体与预置粉末层交界处，即在135°的钝角处形成熔池，以达到良好的冶金结合；选取从轮盘用合金材料GH4169基体一侧开始扫描是可起到预热作用，使基体温度预热至500℃，降低了温度梯度，从而降低叶片用合金材料K417G基体一侧快速熔化和冷却过程中的开裂倾向。
附图说明
图1为本发明实施例3中沉积连接层的形貌。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
将轮盘用材料GH4169基体与叶片用材料K417G基体分别通过线切割制备成尺寸相同、各面平整的梯形体，底面与上表面为等宽长方形，斜角为45°，使两基体斜边成相对放置，通过双面胶固定于Q235基板上。
将按GH4169与K417G比例约为2:1和1:2混合的GH4169/K417G梯度材料粉末分别预置于Q235基板上GH4169基体一侧与K417G基体一侧，宽度大于两基体并覆盖从GH4169基体到K417G基体的全部路径，厚度为0.3mm。
选用FL-Dlight02-3000 W型半导体激光器，具体工艺参数如下：激光功率P＝1600-2000W，扫描速度V＝4-6mm/s，扫描方向垂直于两基体间的连线，路径为循环往复，搭接率40-50％。激光从GH4169基体一侧开始扫描，到达两基体间距约一半处停止，将基体水平旋转180°，从K417G基体一侧重新开始扫描，直到之前停止处，完成一层的沉积。随后经10-15分钟冷却，预置梯度材料粉末进行下一层沉积。梯度结构样品组织均匀致密，硬度从GH4169一侧到K417G一侧呈上升趋势，在半程处有显著提高，并且在接近K417G基体处达到最高，约为HV450，这是由于稀释作用导致，而沉积态的组织更为细密，在成分接近K417G的情况下其硬度将高于铸态K417G基体。
实施例2
将轮盘用材料GH4169基体与叶片用材料K417G基体分别通过线切割制备成尺寸相同、各面平整的梯形体，底面与上表面为等宽长方形，斜角为45°。
使两基体斜边成相对放置，通过双面胶固定于Q235基板上。将按1:1比例混合的GH4169/K417G梯度材料粉末预置于Q235基板上，完全覆盖从GH4169基体到K417G基体的路径，同时宽度大于两基体，厚度为0.3mm。
选用FL-Dlight02-3000 W型半导体激光器，熔化沉积预置的梯度材料粉末，具体工艺参数如下：激光功率P＝1600-2000W，扫描速度V＝4-6mm/s，扫描方向垂直于两基体间的连线，路径为循环往复，搭接率40-50％，激光从GH4169一侧开始扫描，到达两基体间距约一半处停止，将基体水平旋转180°，从K417G一侧重新开始扫描，直到之前停止处，完成一层的沉积。随后经10-15分钟冷却，预置梯度材料粉末进行下一层沉积。当到达一定厚度之后，切取一定高度间的部位，获得两侧连接不同基体的过渡区。连接件的断裂位置在GH4169基体处，抗拉强度738MPa，屈服强度375MPa，延伸率27％，即受到GH4169基体性能所影响。
实施例3
将轮盘用材料GH4169基体与叶片用材料K417G基体分别通过线切割制备成尺寸相同、各面平整的梯形体，底面与上表面为等宽长方形，斜角为45°。
使两基体斜边成相对放置，通过双面胶固定于Q235基板上。将GH4169粉末预置于Q235基板上GH4169基体一侧与K417G基体一侧，宽度大于两基体并覆盖从GH4169基体到K417G基体的全部路径，厚度为0.3mm。选用FL-Dlight02-3000 W型半导体激光器，具体工艺参数如下：激光功率P＝1600-2000W，扫描速度V＝4-6mm/s，扫描方向垂直于两基体间的连线，路径为循环往复，搭接率40-50％。激光从GH4169基体一侧开始扫描，到达两基体间距约一半处停止，将基体水平旋转180°，从K417G基体一侧重新开始扫描，直到之前停止处，完成一层的沉积。随后经10-15分钟冷却，预置梯度材料粉末进行下一层沉积。完成后观察沉积方向和搭接方向形成的切面，如图1所示，沉积层与两侧基体形成良好的冶金结合，无开裂现象。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求范围内。
Claims (4)
1.一种航空发动机中异种高温合金的激光熔化沉积连接方法，用于航空发动机涡轮盘及叶片的成型，其特征在于：利用半导体激光器，将轮盘用合金材料基体与叶片用合金材料基体通过激光熔化沉积梯度材料粉末进行连接，具体方法如下：
(1)基体材料的预处理
将轮盘用合金材料基体与叶片用合金材料基体分别通过线切割制备成尺寸相同、各面平整的梯形体，底面与上表面为等宽长方形，斜角为45°，使两基体斜边成相对放置并固定于Q235基板上；
(2)梯度材料粉末制备
选用的材料粉末为气雾化法制备的轮盘用合金材料与叶片用合金材料的混合粉末，两种粉末按照一定比例进行混合，随后通过球磨机进行均匀混粉处理；
(3)激光熔化沉积梯度材料粉末
利用半导体激光器，熔化沉积预置的梯度材料粉末，具体工艺参数如下：激光功率P＝1600-2000W，扫描速度V＝4-6mm/s，扫描方向垂直于两基体间的连线，路径为循环往复，搭接率40-50％，激光从轮盘用合金材料基体一侧开始扫描，到达两基体间距一半处停止，将基体水平旋转180°，从叶片用合金材料基体一侧重新开始扫描，直到之前停止处，完成一层的沉积，随后经10-15分钟冷却，预置梯度材料粉末进行下一层沉积，当到达一定厚度之后，切取一定高度间的部位，获得两侧连接不同基体的过渡区；
所述轮盘用合金材料为GH4169，叶片用合金材料为K417G。
2.根据权利要求1所述的一种航空发动机中异种高温合金的激光熔化沉积连接方法，其特征在于：梯度材料粉末的粒径为80～120μm，粉末形貌为球形。
3.根据权利要求1所述的一种航空发动机中异种高温合金的激光熔化沉积连接方法，其特征在于：所述步骤(2)中球磨机的转速为300r/min，混粉24小时。
4.根据权利要求1所述的一种航空发动机中异种高温合金的激光熔化沉积连接方法，其特征在于：所述步骤(1)中两种基体首先通过打磨抛光去除基体表面杂质，随后使用清水清洗，再用无水乙醇和丙酮彻底清洗掉表面的杂质，最后风干。
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| GR01 | Patent grant | ||
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