CN115401198B - 一种钎焊耐磨合金预成型坯的制备方法 - Google Patents

一种钎焊耐磨合金预成型坯的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种钎焊耐磨合金预成型坯的制备方法，包括（1）刚性模设计与制造；（2）刚性模预处理；（3）预混粉；（4）压装预混粉；（5）刚性模装配入炉；（6）真空热压烧结；（7）烧结坯加工；（8）预成型坯使用；本发明利用刚性模真空热压烧结方法，获得无粘接剂残留、耐磨合金与钎料合金混合均匀的预成型坯，以提高钛合金转子叶片阻尼台高频感应钎焊的合格率，降低制造成本。

Description

一种钎焊耐磨合金预成型坯的制备方法
技术领域
本发明涉及钛合金叶片制造技术领域，特别涉及一种钎焊耐磨合金预成型坯的制备方法。
背景技术
钛合金因具有诸多优越性能而在航空零件的制造中得到广泛应用，风扇转子叶片即是典型应用之一。风扇转子叶片是航空发动机的关键件，在工作中承受较高的离心载荷、气动载荷、高温载荷、声学载荷、机械振动载荷等多种载荷条件的综合作用，往往会产生高周疲劳，引发裂纹甚至断裂，严重影响航空发动机的安全性。带阻尼台风扇转子叶片具有高周疲劳可靠性、减振等优点，在中小涵道航空发动机上具有广泛的应用。但钛合金抗磨损性能较差，而阻尼台在使用过程中存在摩擦磨损的碰撞，使得风扇叶盘产生振动，随着阻尼台磨损严重，进一步加剧了风扇叶盘振动，严重影响发动机的寿命及性能。
美国、英国等均开发了钛合金转子叶片阻尼台耐磨等制备专利技术，并实现了工程化应用。最初国内通过技术引进，先后掌握了等离子喷涂、感应钎焊制备工艺，因喷涂工艺存在的致密性差、涂层易剥落、质量不稳定等问题，已被高频感应钎焊耐磨合金所代替。经过多年发展，已实现了高频感应钎焊耐磨合金的材料、钎焊设备及工艺的自主化，并实现大范围工程应用，如图1所示。
国内多个航空发动机钛合金一级风扇转子叶片的阻尼台即采用了高频感应钎焊耐磨合金技术，在应用中存在以下问题：
（1）耐磨合金粉末、钎料合金粉末和粘结剂的预混粉为膏状物，保存时间短、保存环境高要求高，一旦干燥将无法使用；
（2）预混粉以膏状预置在阻尼台上，操作难度高、零件转移过程中易脱落；
（3）一次钎焊合格率低，钎焊后的耐磨合金空隙率高、气孔大、影响耐磨合金层的结构完整性和使用寿命；补焊过程进一步加剧了钛合金叶片基体材料性能损伤，影响叶片使用寿命和可靠性。
高频感应钎焊过程中，预混粉中的粘结剂气化，而国产合金粉末与进口粉末制备方法、形态差异，缺乏气体散逸的有效通道，同时为了减小钛合金叶片基体材料性能损伤，高频感应钎焊过程高温停留短，进一步影响了气体散逸，而对于预混粉而言，粘结剂起到了临时固结、均匀化耐磨合金和钎料合金粉的作用，对耐磨合金的高频感应钎焊来说使不可缺少的。
如何解决上述问题，从而实现高质量、高效率和低成本制造，是钛合金风扇转子叶片阻尼台耐磨合金钎焊的关键问题。
发明内容
为解决上述技术问题，提出了一种钎焊耐磨合金预成型坯的制备方法，具体技术方案如下：
一种钎焊耐磨合金预成型坯的制备方法制备步骤如下：
步骤一：刚性模设计与制造；
凸模和凹模组成刚性模；
步骤二：刚性模预处理；
在刚性模上喷涂一层氧化铝涂层，防止模具与预混合金粉、模具之间粘连；
步骤三：预混粉；
制备耐磨合金粉、钛基钎料合金与粘结剂的预混粉；
步骤四：压装预混粉；
将预混粉放入凹模的成型腔中，并用金属器具使之压实，使预混粉高度与成型腔上边沿齐平；
步骤五：刚性模装配入炉；
将凸模放置在凹模上，调整凸模位置，并目视检查，使凸模与凹模上下面相对平行；随后将刚性模送入真空热成形炉或真空扩散焊炉中，使设备加压平台与凸模接触，设定加压压力为0.1MPa；
步骤六：真空热压烧结；
抽真空至设备内压力低于2×10-2Pa，以5℃/min -15℃/min的升温速率升温到500℃-600℃，保温2h-4h后，将加压压力调至2 MPa -5 MPa，继续以5℃/min -15℃/min的升温速率升温到780℃-830℃，保温保压2h-4h后，卸载加压压力，保持真空冷却到80℃以下出炉；
500℃-600℃保温2h-4h，一方面使刚性模和预混粉温度均匀，另一方面使预混粉中的粘结剂气化，并在充足的时间内通过凹模上的通气孔散逸；由于气化的粘结剂需要借助预混粉粉末通道散逸，该过程较为漫长，如果此时提高设备加压压力，将使预混粉初步固结，导致粉末通道收缩变小甚至消失，使得气化的粘结剂无法散逸，形成内部空洞，影响后续高频感应钎焊效果；
采用的钛基钎料合金粉熔点约为800℃-900℃，因此真空热压烧结的温度不宜过高，以免钛基钎料合金粉发生熔化或产生元素损失，因此本发明的技术方案将烧结温度设定为780℃-830℃，通过与保压压力、保温时间的综合匹配，既确保了钛基钎料合金粉的原始性能，又可以起到足够的热压烧结效果。
步骤七：烧结坯加工；
采用磨加工对烧结坯形状进行修整，以去除烧结坯局部凸起、凹陷或者边角多肉，以获得表面平整、形状规则的预成型坯；
步骤八：预成型坯使用；
将预成型坯和待钎焊钛合金转子叶片放入高频感应钎焊设备中，将预成型坯放置在待钎焊阻尼台上，进行高频感应钎焊。
所述的一种钎焊耐磨合金预成型坯的制备方法，其优选方案为步骤一中，所述凸模上布置有多个凸台，且两对角设有通孔；
所述凹模上布置有多个形状与凸台一致的成型腔，且各成型腔之间设有通气道；
所述凹模的两对角设有圆柱定位销，凸模的通孔与凹模的圆柱定位销配合；
所述凸模四周下侧边缘设有止动块，其止动块端面与凹模上端平面接触，凸模的凸台压入凹模的成型腔内，其压入量不大于5mm。
所述的一种钎焊耐磨合金预成型坯的制备方法，其优选方案为所述刚性模的材质采用耐高温合金。
所述的一种钎焊耐磨合金预成型坯的制备方法，其优选方案为冷态下闭合后凸台与成型腔周边间隙为1.0mm-1.5mm。
所述的一种钎焊耐磨合金预成型坯的制备方法，其优选方案为所述凹模的圆柱定位销与凸模的通孔冷态间隙为0.3mm，以确定凸模和凹模的相对位置。
本发明的有益效果：
（1）本技术方案以真空热压烧结为主导工艺，形成了钎焊硬质耐磨合金预成型坯制备工艺，可以批量制备预成型坯，摆脱了原有预混方式的保存、使用功能限制；
（2）利用真空热压烧结处理预混合金粉末，预混过程中采用过的粘结剂先行气化挥发，获得的预成型坯无粘结剂残留，保证了高频感应钎焊焊接质量，从而提高产品合格率，降低制造成本；
（3）基于钎焊硬质耐磨合金预成型坯的特点，进一步拓展了耐磨合金预制粉的使用场景，更利于实现钛合金转子叶片阻尼台自动化钎焊，从而具有提高生产效率和质量稳定性的应用潜力。
附图说明
图1为带钎焊耐磨合金阻尼台的风扇转子叶片示意图；
图2为凸模结构示意图；
图3为凹模结构示意图；
图4为刚性模冷态装配示意图；
图5为预成型坯与阻尼台的风扇转子叶片焊接示意图;
图6为图5的A向示意图。
图中：1-阻尼台，3-凸模，4-凹模，5-凸台，6-成型腔，7-通气道，8-圆柱定位销，9-通孔，10-止动块，11-压入量，12-预成型坯，13-钛合金转子叶片。
具体实施方式
以下结合附图1-6和实施例对本发明作进一步详述。
实施例1
一种钎焊耐磨合金预成型坯的制备方法制备步骤如下：
步骤一：刚性模设计与制造；
所述刚性模包括凸模3和凹模4；
所述凸模3上布置有多个凸台5，且两对角设有通孔9；
所述凹模4上布置有多个形状与凸台5一致的成型腔6，且各成型腔6之间设有通气道7；
所述凹模4的两对角设有圆柱定位销8，凸模3的通孔9与凹模4的圆柱定位销8配合；
所述凸模3四周下侧边缘设有止动块10，其止动块10端面与凹模4上端平面接触，凸模3的凸台5压入凹模4的成型腔6内，其压入量11不大于5mm；
步骤二：刚性模预处理；
在刚性模上喷涂一层氧化铝涂层，防止模具与预混合金粉、模具之间粘连；
步骤三：预混粉；
制备耐磨合金粉、钛基钎料合金与粘结剂的预混粉；
步骤四：压装预混粉；
将预混粉放入凹模4的成型腔6中，并用金属器具使之压实，使预混粉高度与成型腔上边沿齐平；
步骤五：刚性模装配入炉；
将凸模3放置在凹模4上，调整凸模3位置，并目视检查，使凸模3与凹模4上下面相对平行；随后将刚性模送入真空热成形炉或真空扩散焊炉中，使设备加压平台与凸模3接触，设定加压压力为0.1MPa；
步骤六：真空热压烧结；
抽真空至设备内压力低于2×10-2Pa，以5℃/min的升温速率升温到600℃，保温2h后，将加压压力调至2MPa，继续以5℃/min的升温速率升温到830℃，保温保压2h后，卸载加压压力，保持真空冷却到80℃以下出炉；
步骤七：烧结坯加工；
采用磨加工对烧结坯形状进行修整，以去除烧结坯局部凸起、凹陷或者边角多肉，以获得表面平整、形状规则的预成型坯12；
步骤八：预成型坯使用；
将预成型坯12和待钎焊钛合金转子叶片13放入高频感应钎焊设备中，将预成型坯12放置在待钎焊阻尼台1上，进行高频感应钎焊。
所述刚性模的材质采用耐高温合金。
冷态下闭合后凸台5与成型腔6周边间隙为1.0mm-1.5mm。
所述凹模4的圆柱定位销8与凸模3的通孔9冷态间隙为0.3mm，一确定凸模3和凹模4的相对位置。
实施例2
一种钎焊耐磨合金预成型坯的制备方法制备步骤如下：
步骤一：刚性模设计与制造，与实施例1相同；
步骤二：刚性模预处理；
在刚性模上喷涂一层氧化铝涂层，防止模具与预混合金粉、模具之间粘连；
步骤三：预混粉；
制备耐磨合金粉、钛基钎料合金与粘结剂的预混粉；
步骤四：压装预混粉；
将预混粉放入凹模4的成型腔6中，并用金属器具使之压实，使预混粉高度与成型腔6上边沿齐平；
步骤五：刚性模装配入炉；
将凸模3放置在凹模4上，调整凸模3位置，并目视检查，使凸模3与凹模4上下面相对平行；随后将刚性模送入真空热成形炉或真空扩散焊炉中，使设备加压平台与凸模3接触，设定加压压力为0.1MPa；
步骤六：真空热压烧结；
抽真空至设备内压力低于2×10-2Pa，以15℃/min的升温速率升温到500℃，保温4h后，将加压压力调至5 MPa，继续以15℃/min的升温速率升温到780℃，保温保压4h后，卸载加压压力，保持真空冷却到80℃以下出炉；
步骤七：烧结坯加工；
采用磨加工对烧结坯形状进行修整，以去除烧结坯局部凸起、凹陷或者边角多肉，以获得表面平整、形状规则的预成型坯；
步骤八：预成型坯使用；
将预成型坯12和待钎焊钛合金转子叶片13放入高频感应钎焊设备中，将预成型坯放置在待钎焊阻尼台1上，进行高频感应钎焊。
实施例3
一种钎焊耐磨合金预成型坯的制备方法制备步骤如下：
步骤一：刚性模设计与制造，与实施例1相同；
步骤二：刚性模预处理；
在刚性模上喷涂一层氧化铝涂层，防止模具与预混合金粉、模具之间粘连；
步骤三：预混粉；
制备耐磨合金粉、钛基钎料合金与粘结剂的预混粉；
步骤四：压装预混粉；
将预混粉放入凹模4的成型腔6中，并用金属器具使之压实，使预混粉高度与成型腔6上边沿齐平；
步骤五：刚性模装配入炉；
将凸模3放置在凹模4上，调整凸模3位置，并目视检查，使凸模3与凹模4上下面相对平行；随后将刚性模送入真空热成形炉或真空扩散焊炉中，使设备加压平台与凸模3接触，设定加压压力为0.1MPa；
步骤六：真空热压烧结；
抽真空至设备内压力低于2×10-2Pa，以10℃/min的升温速率升温到500℃，保温3h后，将加压压力调至3.5 MPa，继续以10℃/min的升温速率升温到830℃，保温保压2.5h后，卸载加压压力，保持真空冷却到80℃以下出炉；
步骤七：烧结坯加工；
采用磨加工对烧结坯形状进行修整，以去除烧结坯局部凸起、凹陷或者边角多肉，以获得表面平整、形状规则的预成型坯；
步骤八：预成型坯使用；
将预成型坯12和待钎焊钛合金转子叶片13放入高频感应钎焊设备中，将预成型坯放置在待钎焊阻尼台1上，进行高频感应钎焊。
实施例4
一种钎焊耐磨合金预成型坯的制备方法制备步骤如下：
步骤一：刚性模设计与制造，与实施例1相同；
步骤二：刚性模预处理；
在刚性模上喷涂一层氧化铝涂层，防止模具与预混合金粉、模具之间粘连；
步骤三：预混粉；
制备耐磨合金粉、钛基钎料合金与粘结剂的预混粉；
步骤四：压装预混粉；
将预混粉放入凹模4的成型腔6中，并用金属器具使之压实，使预混粉高度与成型腔6上边沿齐平；
步骤五：刚性模装配入炉；
将凸模3放置在凹模4上，调整凸模3位置，并目视检查，使凸模3与凹模4上下面相对平行；随后将刚性模送入真空热成形炉或真空扩散焊炉中，使设备加压平台与凸模3接触，设定加压压力为0.1MPa；
步骤六：真空热压烧结；
抽真空至设备内压力低于2×10-2Pa，以10℃/min的升温速率升温到600℃，保温3h后，将加压压力调至5 MPa，继续以10℃/min的升温速率升温到780℃，保温保压3h后，卸载加压压力，保持真空冷却到80℃以下出炉；
步骤七：烧结坯加工；
采用磨加工对烧结坯形状进行修整，以去除烧结坯局部凸起、凹陷或者边角多肉，以获得表面平整、形状规则的预成型坯；
步骤八：预成型坯使用；
将预成型坯12和待钎焊钛合金转子叶片13放入高频感应钎焊设备中，将预成型坯放置在待钎焊阻尼台1上，进行高频感应钎焊。

Claims (5)

1.一种钎焊耐磨合金预成型坯的制备方法，其特征在于：制备步骤如下：
步骤一：刚性模设计与制造；
凸模和凹模组成刚性模；
步骤二：刚性模预处理；
在刚性模上喷涂一层氧化铝涂层，防止模具与预混合金粉、模具之间粘连；
步骤三：预混粉；
制备耐磨合金粉、钛基钎料合金与粘结剂的预混粉；
步骤四：压装预混粉；
将预混粉放入凹模的成型腔中，并用金属器具使之压实，使预混粉高度与成型腔上边沿齐平；
步骤五：刚性模装配入炉；
将凸模放置在凹模上，调整凸模位置，并目视检查，使凸模与凹模上下面相对平行；随后将刚性模送入真空热成形炉或真空扩散焊炉中，使设备加压平台与凸模接触，设定加压压力为0.1MPa；
步骤六：真空热压烧结；
抽真空至设备内压力低于2×10-2Pa，以5℃/min -15℃/min的升温速率升温到500℃-600℃，保温2h-4h后，将加压压力调至2 MPa -5 MPa，继续以5℃/min -15℃/min的升温速率升温到780℃-830℃，保温保压2h-4h后，卸载加压压力，保持真空冷却到80℃以下出炉；
步骤七：烧结坯加工；
采用磨加工对烧结坯形状进行修整，以去除烧结坯局部凸起、凹陷或者边角多肉，以获得表面平整、形状规则的预成型坯；
步骤八：预成型坯使用；
将预成型坯和待钎焊钛合金转子叶片放入高频感应钎焊设备中，将预成型坯放置在待钎焊阻尼台上，进行高频感应钎焊。
2.根据权利要求1所述的一种钎焊耐磨合金预成型坯的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述凸模上布置有多个凸台，且两对角设有通孔；
所述凹模上布置有多个形状与凸台一致的成型腔，且各成型腔之间设有通气道；
所述凹模的两对角设有圆柱定位销，凸模的通孔与凹模的圆柱定位销配合；
所述凸模四周下侧边缘设有止动块，其止动块端面与凹模上端平面接触，凸模的凸台压入凹模的成型腔内，其压入量不大于5mm。
3.根据权利要求1所述的一种钎焊耐磨合金预成型坯的制备方法，其特征在于：所述刚性模的材质采用耐高温合金。
4.根据权利要求2所述的一种钎焊耐磨合金预成型坯的制备方法，其特征在于，冷态下闭合后凸台与成型腔周边间隙为1.0mm-1.5mm。
5.根据权利要求2所述的一种钎焊耐磨合金预成型坯的制备方法，其特征在于：所述凹模的圆柱定位销与凸模的通孔冷态间隙为0.3mm，以确定凸模和凹模的相对位置。
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