CN115161459A - 防止双合金整体叶盘热处理中开裂的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防止双合金整体叶盘热处理中开裂的方法及装置，防止双合金整体叶盘热处理中开裂的方法，包括：步骤S1：制备双合金整体叶盘毛坯；步骤S2：将双合金整体叶盘毛坯放入热处理夹具内，且热处理夹具与双合金整体叶盘毛坯过盈配合，对双合金整体叶盘毛坯进行阶梯加热，使得双合金整体叶盘毛坯沿着中心到边缘的方向依次受热。避免了出现双合金整体叶盘毛坯不同线膨胀系数的部分同时加热膨胀，导致双合金结合界面出现较大的拉应力而出现裂纹缺陷。同时，热处理夹具与双合金整体叶盘毛坯过盈配合，使得热处理夹具对双合金整体叶盘毛坯的径向约束作用，有利于热处理过程不同种合金的合金元素在界面处的扩散和界面强化。

Description

防止双合金整体叶盘热处理中开裂的方法及装置

技术领域

本发明涉及热加工技术领域，尤其是涉及一种防止双合金整体叶盘热处理中开裂的方法及装置。

背景技术

钛合金整体叶盘采用盘毂和叶身一体化结构设计，省去了传统连接方式采用的榫头、榫槽和锁紧装置，使结构质量减轻、零件数减少，避免了榫头的气流损失，推重比和可靠性明显提高，因此，受到了越来越广泛应用。

由于整体叶盘中的叶片部分工作时要求具有更高的工作温度、良好的高温持久和蠕变以及抗疲劳裂纹扩展性能；而盘毂部分(轮毂)则要求具备较高的拉伸强度和疲劳性能。因此，针对双合金整体压盘中叶片和盘毂不同区域的工作要求特点，采用双性能或双合金结构能够更大程度的满足大温度梯度和应力梯度的工作条件。单一合金双组织产生的双性能必然受到合金自身性能的约束，并不能完全发挥双性能盘的结构设计优势。采用不同材料组合制造双合金整体叶盘，可以更好地实现钛合金整体叶盘性能的最优化设计。

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、热等静压等技术将叶片和盘毂联接在一起。增材制造具备柔性、快速和一体化成型复杂构件等技术优势，采用激光送粉增材制造技术制备异种材料构成的双合金零部件成为了一种新的技术途径，但激光送粉增材制造具有温度梯度大、冷却速度快及多次循环加热等特点，使得成形制件中存在较高的残余应力，特别是双合金整体叶盘采用两种不同的合金牌号，因其各区域热膨胀系数及弹性模量存在差异，在热处理加热过程中不同部位的热胀冷缩差异会在增材制造零件内部的残余应力进一步叠加，对双合金界面处的连接强度造成不良影响，尤其对一些焊接性能较差的Ti-Al系金属间化合物，甚至在加热过程中产生裂纹缺陷而导致构件报废。

发明内容

有鉴于此，本发明的第一个目的是提供一种防止双合金整体叶盘热处理中开裂的方法，能够解决增材制造双合金整体叶盘热处理过程中双合金界面出现裂纹缺陷的问题。

本发明的第二个目的是提供一种防止双合金整体叶盘热处理中开裂的方法。

为了实现上述第一个目的，本发明提供了如下方案：

一种防止双合金整体叶盘热处理中开裂的方法，包括：

步骤S1：制备双合金整体叶盘毛坯；

步骤S2：将所述双合金整体叶盘毛坯放入热处理夹具内，且所述热处理夹具与所述双合金整体叶盘毛坯过盈配合，对所述双合金整体叶盘毛坯进行阶梯加热，使得所述双合金整体叶盘毛坯沿着中心到边缘的方向依次受热。

在一个具体的实施方案中，所述双合金整体叶盘毛坯包括盘毂毛坯及与所述盘毂毛坯连接的叶片，所述盘毂毛坯和所述叶片采用不同合金材料制成；

所述叶片的线膨胀系数小于所述盘毂毛坯的线膨胀系数；

所述热处理夹具的线膨胀系数小于或者等于所述叶片的线膨胀系数。

在另一个具体的实施方案中，所述步骤S2中的阶梯加热具体包括：将所述热处理夹具放入热处理炉进行加热，其中，所述热处理夹具上对应所述盘毂毛坯的心部区域为镂空的结构，且所述热处理夹具沿着所述盘毂毛坯到所述叶片的方向，厚度呈阶梯状递增。

在另一个具体的实施方案中，所述步骤S2中将所述双合金整体叶盘毛坯放入热处理夹具内包括：

将所述热处理夹具的下夹具进行预热，预热后放置于支撑座上；

将整所述双合金整体叶盘毛坯放入下夹具的型腔中；

将所述热处理夹具的上夹具与下夹具配合安装后放在压机操作台上；

将所述双合金整体叶盘毛坯压入所述下夹具的型腔内，并将所述上夹具和所述下夹具连接固定。

在另一个具体的实施方案中，所述步骤S1及所述步骤S2之间还包括步骤S3：加工所述双合金整体叶盘毛坯，使得所述双合金整体叶盘毛坯的外圆加工出角度为α的拔模斜度。

在另一个具体的实施方案中，所述α大于或者等于1°，且小于或者等于3°；

所述双合金整体叶盘毛坯与所述热处理下夹具之间的单边过盈量d＝D×(0.05～0.5)％，其中，D为所述双合金整体叶盘毛坯的外圆直径。

在另一个具体的实施方案中，所述步骤S1及所述步骤S3之间还包括步骤S4：对所述双合金整体叶盘毛坯去应力退火热处理。

在另一个具体的实施方案中，所述步骤S2之后还包括步骤S5：将所述双合金整体叶盘毛坯从所述热处理夹具中取出，并加工成成品。

根据本发明的各个实施方案可以根据需要任意组合，这些组合之后所得的实施方案也在本发明范围内，是本发明具体实施方式的一部分。

为了实现上述第二个目的，本发明提供了如下方案：

一种防止双合金整体叶盘热处理中开裂的装置，包括热处理夹具及热处理炉；

所述热处理夹具包括上夹具、下夹具和支撑座，所述下夹具固定在所述支撑座上，且所述下夹具具有用于过盈配合安装双合金整体叶盘毛坯的型腔，所述上夹具与所述下夹具可拆卸连接，以压紧所述双合金整体叶盘毛坯到所述型腔内；

所述热处理夹具沿着所述双合金整体叶盘毛坯的盘毂毛坯到所述双合金整体叶盘毛坯的叶片的方向，厚度呈阶梯状递增；

所述热处理炉用于盛放所述热处理夹具，以加热所述热处理夹具所夹持的所述双合金整体叶盘毛坯。

在一个具体的实施方案中，所述上夹具和所述下夹具对应所述盘毂毛坯的心部区域开设有通孔；

和/或

所述热处理夹具还包括顶出杆，所述顶出杆可滑移安装在所述下夹具上，以将所述下夹具内的所述双合金整体叶盘毛坯顶出；

和/或

所述防止双合金整体叶盘热处理中开裂的装置还包括预热炉，所述预热炉用于对盛放所述双合金整体叶盘毛坯前的所述下夹具进行预热。

本发明提供的防止双合金整体叶盘热处理中开裂的方法，由于对双合金整体叶盘毛坯进行阶梯加热，使得双合金整体叶盘毛坯的中心区域率先受热，然后通过热传导使双合金整体叶盘毛坯中的其它部分逐渐加热，避免了出现双合金整体叶盘毛坯不同线膨胀系数的部分同时加热膨胀，导致双合金结合界面出现较大的拉应力而出现裂纹缺陷。同时，热处理夹具与双合金整体叶盘毛坯过盈配合，使得热处理夹具对双合金整体叶盘毛坯的径向约束作用，有利于热处理过程不同种合金的合金元素在界面处的扩散和界面强化，进一步抑制双合金界面处裂纹缺陷的产生，提高成形件的综合力学性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出新颖性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的双合金整体叶盘毛坯的剖视结构示意图；

图2为本发明提供的加工后的双合金整体叶盘毛坯的剖视结构示意图；

图3为本发明提供的双合金整体叶盘装夹的剖视结构示意图；

图4为本发明提供的热处理夹具的剖视结构示意图。

其中，图1-图4中：

双合金整体叶盘毛坯100、盘毂毛坯101、叶片102、热处理夹具200、上夹具201、下夹具202、顶杆203、支撑座204、通孔205。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图1-图4，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶面”、“底面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的位置或元件必须具有特定方位、以特定的方位构成和操作，因此不能理解为本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明第一方面提供了防止双合金整体叶盘热处理中开裂的方法，以解决增材制造双合金整体叶盘热处理过程中双合金界面出现裂纹缺陷的问题。

防止双合金整体叶盘热处理中开裂的方法包括：

步骤S1：制备双合金整体叶盘毛坯100。

具体地，先采用等温锻造工艺制备出盘毂毛坯101，盘毂毛坯101采用第一种合金材料，然后，以盘毂毛坯101为基体打印出第二种合金材料的叶片102部分，制备出双合金整体叶盘毛坯100，如图1所示。

步骤S2：将双合金整体叶盘毛坯100放入热处理夹具200内，且热处理夹具200与双合金整体叶盘毛坯100过盈配合，对双合金整体叶盘毛坯100进行阶梯加热，使得所述双合金整体叶盘毛坯100沿着中心到边缘的方向依次受热。

具体地，双合金整体叶盘毛坯100与热处理下夹具202之间的单边过盈量d＝D×(0.05～0.5)％，其中，D为双合金整体叶盘毛坯100的外圆直径。

由于对双合金整体叶盘毛坯100进行阶梯加热，使得双合金整体叶盘毛坯100中的线膨胀系数较小的部位率先受热，然后通过热传导使双合金整体叶盘毛坯100中的其它部分逐渐加热，避免了出现双合金整体叶盘毛坯100不同线膨胀系数的部分同时加热膨胀，导致双合金结合界面出现较大的拉应力而出现裂纹缺陷。同时，热处理夹具200与双合金整体叶盘毛坯100过盈配合，使得热处理夹具200对双合金整体叶盘毛坯100的径向约束作用，有利于热处理过程不同种合金的合金元素在界面处的扩散和界面强化，进一步抑制双合金界面处裂纹缺陷的产生，提高成形件的综合力学性能。

在一些实施例中，双合金整体叶盘毛坯100包括盘毂毛坯101及叶片102，具体地，叶片102与盘毂毛坯101连接，盘毂毛坯101和叶片102分别采用不同合金材料制成。具体地，两种合金材料的线膨胀系数相差1％～60％。

叶片102的线膨胀系数小于盘毂毛坯101的线膨胀系数，热处理夹具200的线膨胀系数小于或者等于叶片102的线膨胀系数，以保证加热过程中对双合金整体叶盘毛坯100施加径向约束作用，有利于双合金界面高温加热过程中的合金元素扩散和强化。

以盘毂毛坯101采用Ti60钛合金，叶片102为Ti₂AlNb为例，对应地，热处理夹具200中的下夹具202和上夹具201均采用叶片102和盘毂毛坯101中线膨胀系数更小的Ti₂AlNb

需要说明的是，上述公开的双合金整体叶盘毛坯100的制备方式仅是本发明的一个具体实施方式，在实际应用中，也可以采用其它方法制备出双合金整体叶盘毛坯100。

在一些实施例中，步骤S2中的阶梯加热具体包括：将热处理夹具200放入热处理炉进行加热，其中，热处理夹具200上对应盘毂毛坯101的心部区域为镂空的结构，且热处理夹具200沿着盘毂毛坯101到叶片102的方向，厚度呈阶梯状递增。

具体地，采用阶梯加热升温，每个阶梯台阶温度相差100℃～300℃，升温速率为1℃/min～5℃/min，保温结束后随炉冷却，冷却速率大于等于5℃/h且小于50℃/h，待随炉冷却至200℃以下时出炉空冷。

如图3所示，热处理夹具200中的上夹具201和下夹具202采用阶梯且心部中空的结构，其中，靠近叶身部分夹具厚度H2是靠近盘毂毛坯101的夹具厚度H1的3～6倍；在同样的加热气氛条件下，采用这种结构迫使盘毂毛坯101的心部区域率先加热膨胀，然后通过热传导使叶片102部分逐渐加热，避免出现盘毂毛坯101的加热膨胀滞后于叶片102，导致叶片102和盘毂毛坯101双合金结合界面出现较大的拉应力而出现裂纹缺陷。

在一些实施例中，本发明公开了步骤S2中将双合金整体叶盘毛坯100放入热处理夹具200内包括：将热处理夹具200的下夹具202进行预热，预热后放置于支撑座204上；将整双合金整体叶盘毛坯100放入下夹具202的型腔中；将热处理夹具200的上夹具201与下夹具202配合安装后放在压机操作台上；将双合金整体叶盘毛坯100压入下夹具202的型腔内，并将上夹具201和下夹具202连接固定。

具体地，热处理前，先将下夹具202采用电阻加热炉进行预热，预热温度为400℃～1000℃，本实施例中，以预热温度为600℃为例。

将双合金整体叶盘毛坯100压入下夹具202的型腔内将双合金整体叶盘毛坯100压入下夹具202的型腔内具体为利用液压机将双合金整体叶盘毛坯100压入下夹具202的型腔至与型腔的下表面接触，最后，通过螺栓将上夹具201和下夹具202连接固定。

在一些实施例中，步骤S1及步骤S2之间还包括步骤S3：加工双合金整体叶盘毛坯100，使得双合金整体叶盘毛坯100的外圆加工出角度为α的拔模斜度。

可以理解地，拔模斜度是指双合金整体叶盘毛坯100的外圆外壁与双合金整体叶盘毛坯100的轴向所成角度。如图2所示，沿着双合金整体叶盘毛坯100的顶端到底端的方向，双合金整体叶盘毛坯100的外圆外壁向靠近双合金整体叶盘毛坯100的外圆外壁的轴心的方向倾斜。

本发明通过在双合金整体叶盘毛坯100的外圆设置出拔模斜度，便于双合金整体叶盘毛坯100的出模。

进一步地，本发明公开了α大于或者等于1°，且小于或者等于3°，需要说明的是，在实际应用中，也可以设置该角度范围值之外的值。

本实施例中，以α为1.5°为例。

在一些实施例中，步骤S1及步骤S3之间还包括步骤S4：对双合金整体叶盘毛坯100去应力退火热处理。

本发明通过在热处理双合金整体叶盘毛坯100前，对双合金整体叶盘毛坯100进行去应力退火处理，避免了双合金整体叶盘毛坯100后续加工过程中由于应力集中导致的强度减小等问题。

进一步地，本发明公开了双合金整体叶盘去应力退火热处理温度为500℃～700℃。

本实施例以对双合金整体叶盘进行650℃加热并保温3h去应力退火热处理为例。

在一些实施例中，步骤S2之后还包括步骤S5：将双合金整体叶盘毛坯100从热处理夹具200中取出，并加工成成品。

具体地，热处理完成后将上夹具201和下夹具202分开，通过顶出杆203将双合金整体叶盘毛坯100从下夹具202的型腔中顶出，并按图纸要求加工成所需零件。

本发明第二方面提供了一种防止双合金整体叶盘热处理中开裂的装置，其中，防止双合金整体叶盘热处理中开裂的装置包括热处理夹具200及热处理炉。

如图4所示，热处理夹具200包括上夹具201、下夹具202和支撑座204，下夹具202固定在支撑座204上，为了方便下夹具202的拆装，本发明公开了下夹具202与支撑座204通过螺钉等紧固件可拆卸连接。

下夹具202具有用于过盈配合安装双合金整体叶盘毛坯100的型腔，上夹具201与下夹具202可拆卸连接，以压紧双合金整体叶盘毛坯100到型腔内。

具体地，上夹具201和下夹具202通过螺钉可拆卸连接。

热处理夹具200沿着双合金整体叶盘毛坯100的盘毂毛坯101到双合金整体叶盘毛坯100的叶片102的方向，厚度呈阶梯状递增。

热处理炉用于盛放热处理夹具200，以加热热处理夹具200所夹持的双合金整体叶盘毛坯100。

进一步地，本发明公开了上夹具201和下夹具202对应盘毂毛坯101的心部区域开设有通孔205，使得盘毂毛坯101的心部区域能够率先被加热。

热处理夹具200还包括顶出杆203，顶出杆203可滑移安装在下夹具202上，以将下夹具202内的双合金整体叶盘毛坯100顶出，具体地，顶出杆203可滑移安装在下夹具202上开设的通孔205内。

为了减少人力，可以将顶出杆203的顶端与驱动件的驱动端连接，驱动件的固定端固定在支撑座204上，由驱动件驱动顶出杆203升降，例如，驱动件为气缸、液压缸或者电动推杆等。

进一步地，本发明公开了防止双合金整体叶盘热处理中开裂的装置还包括预热炉，预热炉用于对盛放双合金整体叶盘毛坯100前的下夹具202进行预热。

需要说明的是，本文中表示方位的词，例如，上下等均是以散热结构100使用时的方向进行的设定，仅为了描述的方便，不具有其它特定含义。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种防止双合金整体叶盘热处理中开裂的方法，其特征在于，包括：

步骤S1：制备双合金整体叶盘毛坯；

步骤S2：将所述双合金整体叶盘毛坯放入热处理夹具内，且所述热处理夹具与所述双合金整体叶盘毛坯过盈配合，对所述双合金整体叶盘毛坯进行阶梯加热，使得所述双合金整体叶盘毛坯沿着中心到边缘的方向依次受热。

2.根据权利要求1所述的防止双合金整体叶盘热处理中开裂的方法，其特征在于，所述双合金整体叶盘毛坯包括盘毂毛坯及与所述盘毂毛坯连接的叶片，所述盘毂毛坯和所述叶片采用不同合金材料制成；

所述叶片的线膨胀系数小于所述盘毂毛坯的线膨胀系数；

所述热处理夹具的线膨胀系数小于或者等于所述叶片的线膨胀系数。

3.根据权利要求2所述的防止双合金整体叶盘热处理中开裂的方法，其特征在于，所述步骤S2中的阶梯加热具体包括：将所述热处理夹具放入热处理炉进行加热，其中，所述热处理夹具上对应所述盘毂毛坯的心部区域为镂空的结构，且所述热处理夹具沿着所述盘毂毛坯到所述叶片的方向，厚度呈阶梯状递增。

4.根据权利要求1所述的防止双合金整体叶盘热处理中开裂的方法，其特征在于，所述步骤S2中将所述双合金整体叶盘毛坯放入热处理夹具内包括：

将所述热处理夹具的下夹具进行预热，预热后放置于支撑座上；

将整所述双合金整体叶盘毛坯放入下夹具的型腔中；

将所述热处理夹具的上夹具与下夹具配合安装后放在压机操作台上；

将所述双合金整体叶盘毛坯压入所述下夹具的型腔内，并将所述上夹具和所述下夹具连接固定。

5.根据权利要求4所述的防止双合金整体叶盘热处理中开裂的方法，其特征在于，所述步骤S1及所述步骤S2之间还包括步骤S3：加工所述双合金整体叶盘毛坯，使得所述双合金整体叶盘毛坯的外圆加工出角度为α的拔模斜度。

6.根据权利要求5所述的防止双合金整体叶盘热处理中开裂的方法，其特征在于，所述α大于或者等于1°，且小于或者等于3°；

所述双合金整体叶盘毛坯与所述热处理下夹具之间的单边过盈量d＝D×(0.05～0.5)％，其中，D为所述双合金整体叶盘毛坯的外圆直径。

7.根据权利要求5所述的防止双合金整体叶盘热处理中开裂的方法，其特征在于，所述步骤S1及所述步骤S3之间还包括步骤S4：对所述双合金整体叶盘毛坯去应力退火热处理。

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的防止双合金整体叶盘热处理中开裂的方法，其特征在于，所述步骤S2之后还包括步骤S5：将所述双合金整体叶盘毛坯从所述热处理夹具中取出，并加工成成品。

9.一种防止双合金整体叶盘热处理中开裂的装置，其特征在于，包括热处理夹具及热处理炉；

所述热处理夹具包括上夹具、下夹具和支撑座，所述下夹具固定在所述支撑座上，且所述下夹具具有过盈配合安装双合金整体叶盘毛坯的型腔，所述上夹具与所述下夹具可拆卸连接，以压紧所述双合金整体叶盘毛坯到所述型腔内；

所述热处理夹具沿着所述双合金整体叶盘毛坯的盘毂毛坯到所述双合金整体叶盘毛坯的叶片的方向，厚度呈阶梯状递增；

所述热处理炉用于盛放所述热处理夹具，以加热所述热处理夹具所夹持的所述双合金整体叶盘毛坯。

10.根据权利要求9所述的防止双合金整体叶盘热处理中开裂的装置，其特征在于，所述上夹具和所述下夹具对应所述盘毂毛坯的心部区域开设有通孔；

和/或

所述热处理夹具还包括顶出杆，所述顶出杆可滑移安装在所述下夹具上，以将所述下夹具内的所述双合金整体叶盘毛坯顶出；

和/或

所述防止双合金整体叶盘热处理中开裂的装置还包括预热炉，所述预热炉用于对盛放所述双合金整体叶盘毛坯前的所述下夹具进行预热。

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