CN114309606B - 一种单叶片与粉末盘双合金整体叶盘及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单叶片与粉末盘双合金整体叶盘及其制备方法，包括：将高温合金叶片的榫头与拼装卡具拼接孔进行拼接，得到叶片环，对叶片环中高温合金叶片表面进行制壳；将合金盘坯置于带有壳体的叶片环内腔中，进行机加工和间隙装配；将包套上盖、包套下盖与间隙装配后带有壳体的叶片环进行组合，并对组合后的包套上盖和包套下盖连接处进行焊接，得到组合包套；包套上盖设置有包套嘴；将高温合金粉末通过包套嘴装入组合包套中，同时进行动态热脱气和振动密实，再对包套嘴进行封焊，得到密闭包套；对密闭包套进行热等静压扩散连接；高温合金叶片的榫头包括凸台形。所述制备方法无需复杂焊接工艺，准确定位叶片，制备的整体叶盘扩散连接合格率高。
Description
技术领域
本发明涉及金属加工领域，具体而言，涉及一种单叶片与粉末盘双合金整体叶盘及其制备方法。
背景技术
双合金整体叶盘的叶片与涡轮盘部分采用特性不同的两种合金，使得转子叶片部分具有良好的高温性能、盘体部分具有高的屈服强度和良好的低循环疲劳性能。与整体铸造叶轮相比，整体叶盘兼顾盘心、盘缘的性能；与机械榫齿连接的叶盘结构相比，可大大减少机加工量、减轻涡轮重量，提高涡轮转速和性能。为满足新一代航空发动机的高性能、长寿命、高可靠性需要，进一步提高涡轮转子的承温能力，从而提高发动机综合性能，亟需研制单晶叶片或定向叶片同粉末盘扩散连接的双合金整体叶盘。由于铸造高温合金单晶叶片/定向叶片制备工艺复杂，难以直接铸造成叶片环，只能铸造成单个叶片，因此单晶叶片/定向叶片与粉末盘扩散连接制备整体叶盘必须解决单个叶片的定位问题。
现有技术将叶片安装到由低碳钢制作的包套内部，并利用预定位嵌块将其定位、固定，再进行热等静压，从而实现单个叶片异种合金扩散连接。该方法的缺点为可选用的叶片有限，仅适用于不带冷却通道的实心叶片，而空心叶片难以适用。
现有技术通过叶根定位于低碳钢所制备的固定圈中，并用钎焊法固定，然后将带有叶片的固定圈安装到盘体部分的外表面上，将盘体与叶根的连接区密封到包套中，并通过热等静压扩散连接。该方法可适用于带有冷却通道的单晶叶片与粉末盘扩散连接，但缺点在于，高温高压过程中，叶片的定位精度不够，使得叶根与固定圈的连接在径向上气密性不足，从而导致包套漏气，影响扩散连接。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的一个方面，涉及一种单叶片与粉末盘双合金整体叶盘的制备方法，包括以下步骤：
将高温合金叶片的榫头与拼装卡具的拼接孔进行拼接，得到叶片环，对所述叶片环中的高温合金叶片的表面进行制壳，得到带有壳体的叶片环；将合金盘坯置于所述带有壳体的叶片环的内腔中，进行机加工和间隙装配，得到装配体，将包套上盖、包套下盖与所述装配体进行组合，并对组合后的所述包套上盖和所述包套下盖连接处进行焊接，得到组合包套；
所述包套上盖设置有包套嘴；
将高温合金粉末通过所述包套嘴装入所述组合包套中，同时进行动态热脱气和振动密实，再对所述包套嘴进行封焊，得到密闭包套；对所述密闭包套进行热等静压扩散连接；
所述高温合金叶片的榫头包括凸台形。
所述的单叶片与粉末盘双合金整体叶盘的制备方法，操作简单，无需复杂的焊接工艺，能够准确的将叶片定位，制备得到的整体叶盘的扩散连接合格率高。
本发明的另一个方面，还涉及一种单叶片与粉末盘双合金整体叶盘，通过所述的整体叶盘的制备方法制备得到。
所述的单叶片与粉末盘双合金整体叶盘的扩散连接合格率高，且叶片能够准确定位。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明所提供的单叶片与粉末盘双合金整体叶盘的制备方法，操作简单，无需复杂的焊接工艺，所述的高温合金叶片的榫头为凸台形，能够精准的嵌于拼接环的拼接孔中，能够实现叶片的精准定位，叶片外面包裹的壳结构，通过不锈钢包套焊接整体组合包套，避免异种合金之间的焊接，从而提高整体叶盘的扩散连接合格率高，高温合金叶片和合金盘坯的扩散连接接头无裂纹，无显微孔洞，无夹杂物等缺陷，存在明显的扩散带，界面紧密完整，制备得到的整体叶盘的扩散连接合格率高。
(2)本发明所提供的单叶片与粉末盘双合金整体叶盘，扩散连接合格率高，高温合金叶片和合金盘坯的扩散连接接头无裂纹，无显微孔洞，无夹杂物等缺陷，存在明显的扩散带，界面紧密完整。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的单叶片与粉末盘双合金整体叶盘各部件的示意图；
图2为本发明实施例提供的叶片凸台形榫头的示意图；
图3为本发明实施例提供的单叶片与粉末盘双合金整体叶盘的扩散连接接头的金相检验结果图。
附图标记：
1-包套下盖、2-高温合金叶片、3-拼接环、4-合金盘坯、5-包套上盖。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明的一个方面，涉及一种单叶片与粉末盘双合金整体叶盘的制备方法，包括以下步骤：
将高温合金叶片的榫头与拼装卡具的拼接孔进行拼接，得到叶片环，对所述叶片环中的高温合金叶片的表面进行制壳，得到带有壳体的叶片环；将合金盘坯置于所述带有壳体的叶片环的内腔中，进行机加工和间隙装配，得到装配体将包套上盖、包套下盖与所述装配体进行组合，并对组合后的所述包套上盖和所述包套下盖连接处进行焊接，得到组合包套；
所述包套上盖设置有包套嘴；
将高温合金粉末通过所述包套嘴装入所述组合包套中，同时进行动态热脱气和振动密实，再对所述包套嘴进行封焊，得到密闭包套；对所述密闭包套进行热等静压扩散连接；
所述高温合金叶片的榫头包括凸台形。
所述的单叶片与粉末盘双合金整体叶盘的制备方法，操作简单，不需要复杂的焊接工艺，能够准确的将叶片定位，制备得到的整体叶盘的扩散连接合格率高。
优选地，所述高温合金叶片包括定向凝固高温合金叶片或单晶高温合金叶片。
优选地，所述制壳具体包括：将涂料涂挂在所述高温合金叶片的表面后进行干燥，将干燥后的所述高温合金叶片进行打磨、加固和焙烧。
优选地，所述涂料为本领域常规涂料。
优选地，所述涂挂和所述干燥分别进行7～9次(例如7次、8次或9次)。
优选地，所述间隙装配的间隙量为0.1～2mm(例如0.1mm、0.5mm、0.8mm、1mm、1.2mm、1.5mm、1.7mm、1.9mm或2.0mm)。
优选地，对组合后的所述包套上盖和所述包套下盖连接处采用氩弧焊进行焊接。
优选地，所述氩弧焊的焊接电流为130～280A(例如130A、140A、150A、180A、200A、220A、240A、260A或280A)。
优选地，在真空条件下将所述高温合金粉末装入所述组合包套中。
优选地，所述真空条件的真空度为10-2～10-3Pa。
优选地，所述高温合金粉末的牌号包括：Rene 104、Alloy10和Udimet 720Li中的至少一种。
优选地，所述高温合金粉末的粒度为0～150μm。
优选地，对所述包套嘴进行封焊采用电子束真空封焊。
优选地，进行1～3次所述的电子束真空封焊。
优选地，所述电子束真空封焊的加速电压为50～80kV(例如50kV、60kV、70kV或80kV)。
优选地，所述热等静压扩散连接的温度为1100～1230℃(例如1100℃、1160℃、1170℃、1180℃、1190℃、1200℃或1230℃)。
优选地，所述热等静压扩散连接的压力为110～130MPa(例如110MPa、115MPa、120MPa、125MPa或130MPa)。
优选地，所述热等静压扩散连接的时间为2～4h(例如2h、2.5h、3h、3.5h或4h)。
优选地，所述单叶片与粉末盘双合金整体叶盘的制备方法还包括：对所述热等静压扩散连接的连接界面进行金相检验。
优选地，对经过金相检验的所述双合金整体叶盘进行热处理。
所述热处理能够进一步完善整体叶盘的组织和性能。
本发明的另一个方面，还涉及一种单叶片与粉末盘双合金整体叶盘，通过所述的双合金整体叶盘的制备方法制备得到的。
所述的单叶片与粉末盘双合金整体叶盘中的单个叶片能够实现精准定位，并且扩散连接合格率高。
优选地，所述单叶片与粉末盘双合金整体叶盘，包括：高温合金叶片、拼接环、合金盘坯、包套上盖和包套下盖。
优选地，所述高温合金叶片的榫头嵌于所述拼接环上的拼接孔中形成叶片环。
优选地，如图2所示，所述高温合金叶片的榫头包括凸台形。
优选地，所述高温合金叶片的表面设置壳体。
优选地，所述拼接环的形状包括空心圆柱，所述拼接环沿环向设置若干个拼接孔；所述高温合金叶片的榫头嵌于所述拼接环上的拼接孔中形成叶片环。
优选地，所述拼接环上的拼接孔与所述高温合金叶片的榫头一一对应。
优选地，所述合金盘坯的形状包括实心圆柱；所述合金盘坯置于所述叶片环的内腔中，得到装配体，所述装配体置于所述包套上盖和所述包套下盖合围成的腔体中。
优选地，所述高温合金叶片、拼接环和合金盘坯同轴设置。
优选地，所述包套下盖呈延圆筒状，所述包套上盖包括上盖本体以及设置于所述上盖本体盖面上的包套嘴；所述上盖本体呈圆筒状。
优选地，通过所述的包套嘴将所述高温合金粉末装入到所述高温合金叶片的榫头与所述合金盘坯的连接处。
优选地，所述高温合金叶片、拼接环和合金盘坯的轴线垂直于包套上盖或包套下盖的盖面。
下面结合具体的实施例和对比例对本发明作进一步的解释说明。
实施例1
本实施例提供的单叶片与粉末盘双合金整体叶盘，如图1所示，包括：高温合金叶片2、拼接环3、合金盘坯4、包套上盖5和包套下盖1；
所述高温合金叶片2的榫头嵌于所述拼接环3上的拼接孔中形成叶片环；所述高温合金叶片2的榫头包括凸台形；所述高温合金叶片2的表面设置壳体；
所述拼接环3的形状包括圆柱，所述拼接环3沿环向设置若干个拼接孔；所述高温合金叶片2的榫头嵌于所述拼接环3上的拼接孔中形成叶片环；所述拼接环3上的拼接孔与所述高温合金叶片2的榫头一一对应；
所述合金盘坯4的形状包括实心圆柱；所述合金盘坯4置于所述叶片环的内腔中，得到装配体，所述装配体置于所述包套上盖5和所述包套下盖1合围成的腔体中；所述高温合金叶片2、拼接环3和合金盘坯4同轴设置；包套下盖1呈延圆筒状，包套上盖5包括上盖本体以及设置于所述上盖本体盖面上的包套嘴；所述上盖本体呈圆筒状；通过所述的包套嘴将所述高温合金粉末装入到所述高温合金叶片2的榫头与所述合金盘坯4的连接处；所述高温合金叶片2、拼接环3和合金盘坯4的轴线垂直于包套上盖5或包套下盖1的盖面。
实施例2
本实施例提供的单叶片与粉末盘双合金整体叶盘的制备方法，包括以下步骤：
1、将经过精密熔模铸造后的定向凝固或单晶高温合金叶片2的榫头，嵌于拼接环3的拼接孔中，得到叶片环；
2、将叶片环的叶片进行制壳处理，将涂料涂挂在所述高温合金叶片2的表面后进行干燥，涂挂和干燥重复进行7次，将干燥后的高温合金叶片2进行打磨、加固和焙烧；
3、将粒度为50～100μm的高温合金粉末，将高温合金粉末通过高真空脱气装套装入包套中，进行电子束封焊；将封焊后的包套通过热等静压制备为致密的粉末高温合金盘坯4；
4、将步骤3的合金盘坯4置于步骤2的叶片环的内腔中，进行机加工、间隙装配，间隙量为0.1～2mm，与包套上盖5、包套下盖1组合成组合包套，通过氩弧焊，焊接电流为130A，焊接为密闭包套；
5、选用与合金盘坯4相同高温合金粉末，在真空条件下装入密闭包套中，真空度为10-2Pa，同时进行动态热脱气、振动密实，之后进行1次的电子束真空封焊，加速电压为50kV；
6、将封焊后的组合包套进行热等静压扩散连接，热等静压扩散连接的温度为1160℃，压力为110MPa，时间为2h；
7、对连接界面进行金相检验；
8、对检验后的整体叶盘进行热处理。
对实施例2制备得到的整体叶盘进行金相检验，结果如图3所示，扩散连接接头无裂纹、无显微孔洞、无夹杂物等缺陷，存在明显的扩散带，界面紧密完整，扩散连接接头，700℃的拉伸强度Rm≥1000MPa。
实施例3
本实施例提供的单叶片与粉末盘双合金整体叶盘的制备方法，包括以下步骤：
1、同实施例2；
2、将叶片环的叶片进行制壳处理，将涂料涂挂在所述高温合金叶片2的表面后进行干燥，涂挂和干燥重复进行8次，将干燥后的高温合金叶片2进行打磨、加固和焙烧；
3、将粒度为50～100μm的高温合金粉末，将高温合金粉末通过高真空脱气装套装入包套中，进行电子束封焊；将封焊后的包套通过热等静压制备为致密的粉末高温合金盘坯4；
4、将步骤3的合金盘坯4置于步骤2的叶片环的内腔中，进行机加工、间隙装配，间隙量为0.1～2mm，与包套上盖5、包套下盖1组合成组合包套，通过氩弧焊，焊接电流为200A，焊接为密闭包套；
5、选用与合金盘坯4相同高温合金粉末，在真空条件下装入密闭包套中，真空度为10-2Pa，同时进行动态热脱气、振动密实，之后进行2次的电子束真空封焊，加速电压为60kV；
6、将封焊后的组合包套进行热等静压扩散连接，热等静压扩散连接的温度为1180℃，压力为130MPa，时间为2h；
7～8、同实施例2。
实施例4
本实施例提供的单叶片与粉末盘双合金整体叶盘的制备方法，包括以下步骤：
1、同实施例2；
2、将叶片环的叶片进行制壳处理，将涂料涂挂在所述高温合金叶片2的表面后进行干燥，涂挂和干燥重复进行9次，将干燥后的高温合金叶片2进行打磨、加固和焙烧；
3、将粒度为0～53μm的高温合金粉末，将高温合金粉末通过高真空脱气装套装入包套中，进行电子束封焊；将封焊后的包套通过热等静压制备为致密的粉末高温合金盘坯4；
4、将步骤3的合金盘坯4置于步骤2的叶片环的内腔中，进行机加工、间隙装配，间隙量为0.1～2mm，与包套上盖5、包套下盖1组合成组合包套，通过氩弧焊，焊接电流为280A，焊接为密闭包套；
5、选用与合金盘坯4相同高温合金粉末，在真空条件下装入密闭包套中，真空度为10-2Pa，同时进行动态热脱气、振动密实，之后进行3次的电子束真空封焊，加速电压为80kV；
6、将封焊后的组合包套进行热等静压扩散连接，热等静压扩散连接的温度为1200℃，压力为120MPa，时间为3h；
7～8、同实施例2。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。
Claims (13)
1.一种单叶片与粉末盘双合金整体叶盘的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将高温合金叶片的榫头与拼装卡具的拼接孔进行拼接，得到叶片环，对所述叶片环中的高温合金叶片的表面进行制壳，得到带有壳体的叶片环；将合金盘坯置于所述带有壳体的叶片环的内腔中，进行机加工和间隙装配，得到装配体，将包套上盖、包套下盖与所述装配体进行组合，并对组合后的所述包套上盖和所述包套下盖连接处进行焊接，得到组合包套；
所述包套上盖设置有包套嘴；
将高温合金粉末通过所述包套嘴装入所述组合包套中，同时进行动态热脱气和振动密实，再对所述包套嘴进行封焊，得到密闭包套；对所述密闭包套进行热等静压扩散连接；
所述高温合金叶片的榫头包括凸台形；
所述高温合金粉末的粒度为≤150μm。
2.根据权利要求1所述的单叶片与粉末盘双合金整体叶盘的制备方法，其特征在于，所述高温合金叶片包括定向凝固高温合金叶片或单晶高温合金叶片。
3. 根据权利要求2所述的单叶片与粉末盘双合金整体叶盘的制备方法，其特征在于，所述单晶高温合金叶片的牌号包括：CMSX-4、DD405或 DD407中的至少一种。
4. 根据权利要求2所述的单叶片与粉末盘双合金整体叶盘的制备方法，其特征在于，所述定向凝固高温合金叶片的牌号包括：Mar-M200或René 150。
5.根据权利要求1所述的单叶片与粉末盘双合金整体叶盘的制备方法，其特征在于，所述制壳具体包括：将涂料涂挂在所述高温合金叶片的表面后进行干燥，将干燥后的所述高温合金叶片进行打磨、加固和焙烧；
所述涂挂和所述干燥分别进行7~9次。
6.根据权利要求1所述的单叶片与粉末盘双合金整体叶盘的制备方法，其特征在于，所述间隙装配的间隙量为0.1~2mm。
7.根据权利要求1所述的单叶片与粉末盘双合金整体叶盘的制备方法，其特征在于，对组合后的所述包套上盖和所述包套下盖连接处采用氩弧焊进行焊接；
所述氩弧焊的焊接电流为130~280A。
8.根据权利要求1所述的单叶片与粉末盘双合金整体叶盘的制备方法，其特征在于，在真空条件下将所述高温合金粉末装入所述组合包套中；
所述真空条件的真空度为10-2~10-3Pa。
9. 根据权利要求1所述的单叶片与粉末盘双合金整体叶盘的制备方法，其特征在于，所述高温合金粉末的牌号包括：René 104、Alloy10和Udimet 720Li中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的单叶片与粉末盘双合金整体叶盘的制备方法，其特征在于，对所述包套嘴进行封焊采用电子束真空封焊。
11.根据权利要求10所述的单叶片与粉末盘双合金整体叶盘的制备方法，其特征在于，进行1~3次所述的电子束真空封焊。
12.根据权利要求10所述的单叶片与粉末盘双合金整体叶盘的制备方法，其特征在于，所述电子束真空封焊的加速电压为50~80kV。
13.根据权利要求1所述的单叶片与粉末盘双合金整体叶盘的制备方法，其特征在于，所述热等静压扩散连接的温度为1100~1230℃；
所述热等静压扩散连接的压力为110~130MPa；
所述热等静压扩散连接的时间为2~4h。
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