CN114807581B - 电子束焊接方法、焊接式转子以及燃气涡轮发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电子束焊接方法、焊接式转子以及燃气涡轮发动机。其中，所述电子束焊接方法包括步骤A：采用经过固溶时效热处理后的GH4169为第一合金零件，以及经过固溶时效热处理后GH4169D为第二合金零件；步骤B：将第一合金零件、第二合金零件进行电子束焊接，得到初步焊接组件；步骤C：将所述步骤B得到的所述初步焊接组件进行热处理，所述热处理的工艺参数为加热至720℃～740℃，保温2.5h～5h，之后冷却至635℃～660℃，保温2h～4h，得到中间焊接组件；步骤D：将所述中间焊接组件进行空冷或者气氛冷却至室温。本发明的电子束焊接方法可以使得焊接得到的焊接式转子的力学性能良好，满足应用于燃气涡轮发动机的要求。
Description
技术领域
本发明涉及焊接制造领域，尤其涉及一种电子束焊接方法、焊接式转子以及燃气涡轮发动机。
背景技术
转子(Rotor)，由轴承支撑的旋转体。例如压气机，作为燃气涡轮发动机的核心机三大部件之一，其技术进步将直接推动发动机整体设计水平的提高。采用焊接式转子组件来实现压气机的减重增效是广泛使用的技术方案，常用的焊接式转子组件的焊接方法有电子束焊，惯性摩擦焊等方法。其中，电子束焊(Electron Beam Welding)：电子在电压作用下加速轰击待焊工件的表面，其动能转化为热能，使得待焊工件表面形成熔池。随着电子束流的移动，熔池冷却凝固形成焊缝。
然而随着高压压气机压比和效率的提升，需要在转子组件末级使用耐温水平更高的新型镍基高温合金，异种高温合金的组合结构使得转子组件的焊接技术难度增加。例如，GH4169+GH4169D、GH4169+GH4169D+GH4169D等复杂材料的焊接整体式转子结构。
针对该类型的结构，在电子束焊的焊接的热过程中，焊接材料的组织、力学性能将发生变化，为恢复焊接接头焊缝及热影响区的最佳组织、力学性能，需要进行热处理。
现有技术的方案一般为在焊接前对异种材料进行固溶处理，焊接后采用异种材料中任意一种材料的时效处理参数对焊接组件进行热处理即可。例如公开号为CN110158002B的中国专利授权公告文本公开了将高温合金GH4169、与粉末高温合金FGH96进行惯性摩擦焊得到转子组件的方法，焊接前GH4169经过固溶处理，FGH96在固溶处理后再进行一半时间的时效处理，而在焊接后采用接近FGH96一半时效的参数进行处理。然而，发明人在完成本发明的过程中发现，对于GD4169+GH4169D的电子束焊接，若依照CN110158002B提供的启示，采用的焊接前将时效温度低的GH4169固溶处理，时效温度高的GH4169D固溶+一半时效处理，焊接后按照接近GH4169D一半时效的参数进行热处理，得到焊接件的持久性能无法满足要求，其原因在于，焊接后按照接近GH4169D一半时效的参数热处理后，GH4169的显微组织长大，导致力学性能特别是持久性能明显下降，无法满足要求。
现有技术的方案还包括对异种材料电子束焊接后采用任意一种的材料的时效热处理参数，例如王亚军(高温合金GH4169/GH907异种材料的电子束焊接[J].航空工艺技术,1995(2):11-14)公开的GH4169/GH907的电子束焊接方法，焊接前对GH4169、GH907均采用固溶时效处理，焊接后采用GH4169或者GH907的固溶时效参数，其认为焊接后采用GH4169的时效参数得到结果更优。然而，发明人在完成本发明的过程中发现，在焊接后采用GH4169或者GH4169D的时效热处理参数，焊接件的力学性能均无法满足要求。其原理在于，若采用GH4169D的时效参数，则GH4169母材会发生明显的显微组织长大的“过时效”现象。而采用GH4169的时效参数，发明人在完成本发明的过程中发现，GH4169+GH4169D的焊接接头的力学性能差，其原因可能在于，焊接接头中GH4169发生了过时效，或者是GH4169D的残余应力无法充分释放。但发明人进一步发现，如图10所示的，采用GH4169的时效参数，GH4169的母材的晶粒规则，并且，其拉伸性能良好，室温下抗拉强度为1420MPa-1445MPa，650℃下的抗拉强度为1180MPa-1200MPa，均满足要求，从而基本排除了在该热处理条件下GH4169发生变化而导致GH4169+GH4169D的焊接接头的力学性能差的可能，因此在该热处理条件下，很可能是由于GH4169D的残余应力无法充分释放导致GH4169+GH4169D的焊接接头的力学性能差。以上所述的GH4169以及GH4169D的时效热处理参数，采用现有技术中普遍采用的较佳的时效热处理参数。
因此，本领域需要一种电子束焊接方法，使得焊接得到的焊接式转子的力学性能良好，可以满足应用于燃气涡轮发动机的要求，使得燃气涡轮发动机得以减重增效。
发明内容
本发明的目的在于提供一种焊接式转子的电子束焊接方法。
本发明的目的在于提供一种焊接式转子。
本发明的目的在于提供一种燃气涡轮发动机。
根据本发明一个方面的一种焊接式转子的电子束焊接方法，所述焊接式转子的材料组合包括GH4169以及GH4169D，所述焊接方法包括：步骤A.采用经过固溶时效热处理后的GH4169为第一合金零件，以及经过固溶时效热处理后GH4169D为第二合金零件；步骤B.将第一合金零件、第二合金零件进行电子束焊接，得到初步焊接组件；步骤C.将所述步骤B得到的所述初步焊接组件进行热处理，所述热处理的工艺参数为加热至720℃～740℃，保温2.5h～5h，之后冷却至635℃～660℃，保温2h～4h，得到中间焊接组件；步骤D.将所述中间焊接组件进行空冷或者气氛冷却至室温。
在所述电子束焊接方法的一个或多个实施例中，所述第一合金零件的固溶时效热处理参数为：固溶：950℃～965℃，保温1h～2.5h；时效：加热到695℃～725℃，保温6h～9h，以一定速率冷却至605℃～630℃，保温6h～9h；所述第二合金零件的固溶时效热处理参数为：固溶：945～965℃，保温0.5～2h；时效：770℃-800℃，保温6h～9h，之后以一定速率冷至680℃～710℃，保温6h～9h。
在所述电子束焊接方法的一个或多个实施例中，所述步骤A还包括：对所述第一合金零件、所述第二合金的待焊表面进行清理处理，直至所述待焊表面呈现金属光泽。在所述电子束焊接方法的一个或多个实施例中，所述焊接式转子为三级盘鼓组件，从前级到后级分别为第一级、第二级以及第三级，对应的材料分别为GH4169、GH4169D、GH4169D，或者是分别为GH4169、GH4169D、GH4169。
在所述电子束焊接方法的一个或多个实施例中，在所述步骤B中，先将所述三级盘鼓组件其中的相邻两级焊接得到第一焊接组件，再将所述第一焊接组件与剩余的一级焊接，得到所述初步焊接组件。
根据本发明一个方面的一种焊接式转子，其通过以上任意一项所述的电子束焊接方法焊接得到。
在所述焊接式转子的一个或多个实施例中，所述焊接式转子为燃气涡轮发动机的高压压气机盘鼓组件。
根据本发明一个方面的一种燃气涡轮发动机，包括转子，所述转子包括以上任意一项所述的焊接式转子。
综上，本发明的进步效果包括但不限于：
提出了一种使得GH4169+GH4169D的焊接接头的力学性能达到要求的技术方案，通过工艺参数为加热至720℃～740℃，保温2.5h～5h，之后冷却至635℃～660℃，保温2h～4h的时效处理参数，得到力学性能优良的包括GH4169与GH4169D的组合焊接式转子，使得该焊接式转子可以满足应用于燃气涡轮发动机的要求，实现燃气涡轮发动机的减重增效。
附图说明
本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，需要注意的是，附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制，其中：
图1是根据一个或多个实施例的电子束焊接方法的流程示意图。
图2至图5是根据一个或多个实施例的电子束焊接方法得到焊接式转子的GH4169D与GH4169的焊接接头分别在起弧、收弧、搭接、正常能量区的金相组织照片。
图6至图9是根据一个或多个实施例的电子束焊接方法得到焊接式转子的GH4169D与GH4169D的焊接接头分别在起弧、收弧、搭接、正常能量区的金相组织照片。
图10是采用GH4169的时效参数进行热处理得到的GH4169母材的金相组织照片。
具体实施方式
下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本发明的保护范围进行限制。“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
本申请中使用了流程图用来说明根据本申请的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或下面操作不一定按照顺序来精确地执行。也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。
以下实施例的介绍中，焊接式转子以燃气涡轮发动机的高压压气机的三级高压压气机盘鼓组件，组件从前级到后级的材料分别为GH4169、GH4169D、GH4169D，即组件焊接材料组合为GH4169+GH4169D+GH4169D。即组件中包括的焊接接头的结构为GH4169+GH4169D的焊接接头，以及GH4169D+GH4169D的焊接接头。但不以此为限，例如还可以是从前级到后级的材料分别为GH4169、GH4169D、GH4169等结构，组件的级数也不限于三级，只要是多级，且材料组合包括GH4169以及GH4169D即可。转子也不限于高压压气机，也可以是涡轮等等。
如图1所示，在一实施例中，焊接式转子的电子束焊接方法包括：
步骤A.采用经过固溶时效热处理后的GH4169为第一合金零件，以及经过固溶时效热处理后GH4169D为第二合金零件；
步骤B.将第一合金零件、第二合金零件进行电子束焊接，得到初步焊接组件；
步骤C.将所述步骤B得到的所述初步焊接组件进行热处理，所述热处理的工艺参数为加热至720℃～740℃，保温2.5h～5h，之后冷却至635℃～660℃，保温2h～4h，得到中间焊接组件；
步骤D.将所述中间焊接组件进行空冷或者气氛冷却至室温。
上述步骤A中对GH4169、GH4169D的固溶时效热处理参数，可以参考现有技术中的较佳的参数，GH4169固溶时效热处理参数为：固溶：950℃～965℃，保温1h～2.5h；时效：加热到695℃～725℃，保温6h～9h，以一定速率冷却至605℃～630℃，保温6h～9h；GH4169D的固溶时效热处理参数为：固溶：945～965℃，保温0.5～2h；时效：770℃-800℃，保温6h～9h，之后以一定速率冷至680℃～710℃，保温6h～9h，但不以此为限。可以理解到，固溶时效热处理的过程，可以是与电子束焊接的后续步骤由同一实施主体实施，也可以是不同的实施主体实施，例如由上游厂商提供已经过固溶时效热处理的GH4169、GH4169D至焊接加工的实施主体进行电子束焊接，也可以是焊接加工的实施主体对GH4169、GH4169D进行焊接前的固溶时效热处理、焊接以及焊接后的热处理等步骤。
在一些实施例中，步骤A还可以包括对经过固溶时效热处理的第一合金零件、第二合金零件的待焊表面进行清理处理，去除表面的氧化膜、污垢、油脂、灰尘，清理方法可选用化学清洗、抛光等方法，直至待焊表面呈现金属光泽，以进一步提高焊接质量。
对三级盘鼓组件的焊接中，先将其中的相邻两级焊接得到第一焊接组件，再将所述第一焊接组件与剩余的一级焊接，得到所述初步焊接组件。具体过程可以是将其中的相邻待焊的两级固定，保证其在焊接过程中不发生移动并保证焊接过程中焊接面对中后进行焊接，得到第一焊接组件；之后将第一焊接组件固定，放置剩余的一级进行焊接，得到初步焊接组件。在进行完步骤D后，可以对中间焊接组件进行检测以及外部的进一步加工。
采用以上介绍的实施例的有益效果包括，可以达到良好的拉伸性能，具体拉伸性能的数据如表1所示的，GH4169D+GH4169D与GH4169+GH4169D焊接接头的室温抗拉强度和高温抗拉强度分别达到GH4169D母材的99％、97％以上，满足焊接接头室温拉伸和高温拉伸强度达到母材90％的验收要求，尤其是焊接接头的高温拉伸性能非常突出，相比之下，前述现有技术中，王亚军公开的GH4169/GH907的电子束焊接方法，其拉伸性能如其表5所示的，不同热处理参数得到的最好的异种材料焊接接头高温抗拉强度仅为母材79％。
如图2至图5，以及图6至图9所示的，不管是GH4169+GH4169D的焊接接头还是GH4169D+GH4169D焊接接头，在起弧、收弧、搭接、正常能量区(中段)的组织良好，未发现超标缺陷(每张图的左侧为焊缝及热影响区，右侧为基体晶粒度)。
表1.焊接接头的拉伸性能
并且，发明人进一步发现，焊接接头的蠕变性能也十分优秀。如表2所示。在试验时间相同的情况下，接头的塑性伸长率小于母材，在达到相同的塑性伸长率时，接头的试验时间超过母材，可见接头的蠕变性能优于母材，满足接头蠕变性能达到母材的验收要求。在材料拉伸强度与蠕变强度互为矛盾的普遍规律下，采用以上热处理参数获得了良好拉伸强度的同时也实现蠕变强度的综合指标要求，其有益效果尤为显著。
表2.焊接接头的蠕变性能
承上所述的，采用以上实施例介绍的方案，使得GH4169+GH4169D焊接接头的拉伸性能以及蠕变性能均达到要求。其原理可能在于，以上介绍的热处理参数，同时满足了保持GH4169的拉伸性能，也使得焊接接头的GH4169D的残余应力得到充分释放。
综上，采用上述实施例提供的电子束焊接方法、焊接式转子以及燃气涡轮发动机的有益效果在于，通过工艺参数为加热至720℃～740℃，保温2.5h～5h，之后冷却至635℃～660℃，保温2h～4h的时效处理参数，得到力学性能优良的包括GH4169与GH4169D的组合焊接式转子，使得该焊接式转子可以满足应用于燃气涡轮发动机的要求，实现燃气涡轮发动机的减重增效。
本发明虽然以上述实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种焊接式转子的电子束焊接方法，其特征在于，所述焊接式转子的材料组合包括GH4169以及GH4169D，所述焊接方法包括：
步骤A.采用经过固溶时效热处理后的GH4169为第一合金零件，以及经过固溶时效热处理后GH4169D为第二合金零件；
步骤B.将第一合金零件、第二合金零件进行电子束焊接，得到初步焊接组件；
步骤C.将所述步骤B得到的所述初步焊接组件进行热处理，所述热处理的工艺参数为加热至720℃~740℃，保温2.5 h ~5h，之后冷却至635℃~660℃，保温2h~4h，得到中间焊接组件；
步骤D.将所述中间焊接组件进行空冷或者气氛冷却至室温；
其中，所述第一合金零件的固溶时效热处理参数为：固溶：950℃~965℃，保温1h~2.5h；时效：加热到695℃~725℃，保温6h~9h，之后冷却至605℃~630℃，保温6h~9h；
所述第二合金零件的固溶时效热处理参数为：固溶：945~965℃，保温0.5~2h；时效：770℃-800℃，保温6h~9h，之后冷却至680℃~710℃，保温6h~9h。
2.如权利要求1所述的电子束焊接方法，其特征在于，所述步骤A还包括：对所述第一合金零件、所述第二合金零件的待焊表面进行清理处理，直至所述待焊表面呈现金属光泽。
3.如权利要求1所述的电子束焊接方法，其特征在于，所述焊接式转子为三级盘鼓组件，从前级到后级分别为第一级、第二级以及第三级，对应的材料分别为GH4169、GH4169D、GH4169D，或者是分别为GH4169、GH4169D、GH4169。
4.如权利要求3所述的电子束焊接方法，其特征在于，在所述步骤B中，先将所述三级盘鼓组件其中的相邻两级焊接得到第一焊接组件，再将所述第一焊接组件与剩余的一级焊接，得到所述初步焊接组件。
5.一种焊接式转子，其特征在于，其通过如权利要求1-4任意一项所述的电子束焊接方法焊接得到。
6.如权利要求5所述的焊接式转子，其特征在于，所述焊接式转子为燃气涡轮发动机的高压压气机盘鼓组件。
7.一种燃气涡轮发动机，包括转子，其特征在于，所述转子包括如权利要求5或6所述的焊接式转子。
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