CN116213732A - 双合金整体叶盘的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种双合金整体叶盘的制造方法，利用第一合金和第二合金分别制造整体叶盘的叶片与叶盘，其中第一合金粉末热等静压的温度下限高于第二合金粉末热等静压的温度上限。对第一合金粉末热等静压加工得到叶片坯件，对第二合金粉末温等静压得到叶盘粉体坯件，再将叶盘金属包套与叶片金属包套焊接在一起，使叶盘粉体坯件与叶片坯件相互连接，最后整体以第二合金粉末的工艺温度进行热等静压加工得到整体叶盘毛坯。本发明设备需求简单，生产效率高，所得成品组织结构均匀，整体性能优越。

Description

双合金整体叶盘的制造方法

技术领域

本发明属于航空发动机领域，具体涉及一种双合金整体叶盘的制造方法。

背景技术

航空发动机低压涡轮叶片使用温度一般为700℃-800℃，需要其具备良好的耐腐蚀性、组织稳定性、冲击韧性、断裂韧性，特别是良好的高温持久性能、蠕变性能、机械疲劳和热疲劳性能。而航空发动机叶盘工作温度相对较低，但应力条件复杂，轮毂、幅板等不同位置所受应力、温度、介质作用不同，因此其需要更高的屈服强度、抗拉强度、塑性、耐腐蚀性和低循环疲劳强度。因此，与单一材料制造的整体叶盘相比，叶片、叶盘采用不同材料的双合金叶盘更能发挥不同材料在性能上的优势分别满足不同的服役要求，提高发动机的整体性能表现。而其中，没有榫槽结构的双合金整体叶盘又以其简单轻量可靠的结构和优越的流体性能，成为当前发展的主要趋势。

GH4169、GH4065A等γ’相沉淀强化型镍基合金屈服强度高，抗疲劳、耐腐蚀，制造成本较低，是制造叶盘的常用材料。而TiAl合金作为航空发动机领域的新型材料，强度高、密度低(仅3.9g/cm³-4.2g/cm³)、高温下结构稳定、抗蠕变性能强、耐氧化抗腐蚀、具有良好的阻燃性能，在500℃-900℃的范围内强度性能超过普通钛合金和镍基高温合金，是制造叶片的良好选择。然而，TiAl合金主要由TiAl、Ti3Al、TiAl3等金属间化合物组成，脆性高、加工能力差，因而其多采用激光增材制造工艺和粉末冶金等先进制造工艺进行生产制造，其中，热等静压工艺因为具有成品质量好、能够实现复杂结构的近净成形和制造成本低等优点，成为了TiAl合金叶片制造的理想工艺。

发明人考虑到传统扩散焊工艺和惯性摩擦焊等连接工艺在对异种合金的叶盘和叶片进行焊接过程中存在设备复杂、工艺困难、质量缺陷等制约因素，从材料性能和加工工艺角度综合出发，以镍基合金作为叶盘材料，TiAl合金作为叶片材料，通过热等静压工艺制造双合金整体叶盘是一种合理的选择。

但是，现有技术中，在利用热等静压制造双合金整体叶盘时，需要将不同粉末分别填充入热等静压模具的叶盘和叶片部分，在这一过程中难以避免发生两种粉末的混合，导致叶盘与叶片组织分布不均，不利于充分发挥双合金整体叶盘的性能优势。更重要的是，典型的TiAl合金如TiAl-4522XD本身的熔点较高(超过1400℃)，其热等静压工艺的加热温度超过1240℃，接近甚至超过了部分常用镍合金的熔点温度，叶盘材料与叶片材料熔点温差大，如果直接进行整体叶盘的热等静压容易在叶盘组织中造成镍合金的局部熔化形成枝晶或偏析等对力学性能不利的凝固组织。另一方面，由于合金组织结构的不同，镍基合金与TiAl合金的热处理制度也不相同，这给工艺设计造成了困难。

发明内容

本发明目的在于提供一种双合金整体叶盘的制造方法，以实现TiAl合金与镍合金双合金整体叶盘的近净成形加工，提高双合金叶盘的生产效率，改善双合金整体叶盘的性能。

根据本发明实施例的一个方面，提供一种双合金整体叶盘的制造方法，所述制造方法提供一种整体叶盘，其叶片与叶盘由不同成分的合金制成，其中，所述方法包括以下步骤：

a)分别提供所述叶盘与叶片的金属包套，在所述叶片金属包套中填充第一合金粉末，在所述叶盘金属包套中填充第二合金粉末；

b)对所述叶片金属包套以低音温度进行热等静压加工，得到叶片坯件；对所述叶盘金属包套以第二温度进行温等静压加工，得到叶盘粉体坯件；

c)根据机构设计，将所述叶片坯件与所述叶盘粉体坯件连接位置处的金属包套切除，并将所述叶片金属包套与所述叶盘金属包套沿切割面焊接在一起成为整体包套，使其中的所述叶片坯件和所述叶盘粉体坯件的所述连接位置相接触；

d)对所述整体包套以第三温度进行热等静压加工，得到整体叶盘毛坯，所述第三温度为所述第二合金粉末实现热等静压的工艺温度。

其中，所述第一温度的下限高于所述第三温度的上限。

通过上述步骤得到的整体叶盘毛坯，叶盘与叶片组织界面清晰，连接牢固，整体性能优越；一套热等静压设备能够同时进行多组加工，生产效率高。

进一步地，所述第一合金粉末为TiAl-4522XD粉末，所述第二合金粉末为GH4169或GH4065A镍合金粉末。其各自的力学性能符合叶片与叶盘的设计需求，能够充分发挥双合金整体叶盘的性能优势。

可选地，所述叶片坯件与所述叶盘粉体坯件的所述连接位置设置预留凸台。预留凸台便于叶片坯件与叶盘粉体坯件的组装。

可选地，所述金属包套为低碳钢包套或不锈钢包套，在所述步骤c)中所述切割方法为线切割，所述焊接方法为氩弧焊或激光焊。

可选地，所述制造方法还包括在所述步骤d)之后进行的去除所述整体包套的步骤e)，所述步骤e)的方法为机械剥离或酸处理。

可选地，所述制造方法还包括在所述步骤d)之后进行的去除所述整体包套的步骤e)，以及所述步骤e)之后对所述整体叶盘毛坯进行热处理的步骤f)，所述步骤f)包括局部热处理，所述局部热处理包括针对叶盘的固溶处理和针对叶片的组织均匀化处理，在对其中一部进行所述局部热处理时对其他部分进行风冷冷却。

优选地，所述制造方法还包括在步骤c)之前对叶片坯件进行组织均匀化处理的步骤b’)。

进一步地，所述制造方法还包括在步骤d)之后取出所述整体包套的步骤e)，以及所述步骤e)后对所述整体叶盘毛坯进行热处理的步骤f)，所述步骤f)包括固溶处理和时效处理。

可选地，所述组织均匀化处理温度为1000℃-1030℃，保温时间为7h-10h，冷却方式为随炉冷却。

可选地，所述制造方法还包括在步骤f)之后对所述整体叶盘毛坯进行的终加工步骤g)，所述步骤g)包括对整体叶盘毛坯进行的探伤和去应力处理。

附图说明

图1为双合金整体叶盘结构示意图；

图2为叶片包套与叶盘包套结构示意图；

图3为整体包套结构示意图。

附图标记的含义：1-叶片；2-叶盘；3-叶片包套；4-叶盘包套；5-第一合金粉末；6-第二合金粉末；7-凸台；8-连接位置。

上述附图的目的在于对本发明作出详细描述，以便本领域技术人员能够理解本发明的技术构思。附图所示为本发明典型实施方式样例，并不构成对实施方式的具体限制。

具体实施方式

下面结合附图对本法明的实施例进行描述。

需要说明的是，除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与本申请的相关技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，而非旨在限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及其同等表述，意图在于覆盖不排他的包含。

本申请实施例的描述中，“第一”“第二”等术语仅用于区别不同对向，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量、特定顺序或主次关系。

本申请实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，技术术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中介媒介简介相连。对本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

发动机涡轮叶片与叶盘的设计制造是发动机领域的核心技术课题之一。以GH4196、GH4065A为代表的γ’相沉淀强化型镍基高温合金以其练好的高温性能、组织稳定性、低周循环疲劳强度以及良好的可加工性，成为叶盘制造的常用材料。而TiAl合金则以其优异的高温力学性能、抗蠕变性、抗腐蚀氧化性和阻燃性能，成为叶片制造的良好选择。利用这两类材料制造的双合金整体叶盘能够发挥两类材料性能的优势。

发明人认识到，传统的连接工艺如扩散焊工艺或惯性摩擦焊工艺收到设备、成本和工艺限制，难以实现这两种材料的有效连接，不能充分发挥双合金整体叶盘性能上的优势。通常，具有近净成形特点的热等静压工艺能够较好地满足制造双合金整体叶盘的需求，但一方面在热等静压的粉末填充阶段，构成叶片与叶盘的金属粉末难以维持稳定边界，容易发生混粉，会对成品的组织均匀性和整体力学性能造成不利影响；另一方面，TiAl合金的熔点较高，其热等静压的工艺温度接近甚至超过了多种常见镍基合金的熔点，在对双合金整体叶盘进行热等静压加工过程中，镍合金的叶盘区域有可能发生熔化，形成枝晶或偏析等对成品性能不利的凝固组织。

为了解决异种材料制造双合金整体叶盘的工艺难题，实现TiAl合金和镍合金双合金整体叶盘的近净成形加工，提高双合金整体叶盘的生产效率，改善双合金整体叶盘的性能，发明人提出了一种双合金整体叶盘的制造方法，通过分别制造叶片坯件和叶盘粉体坯件，再进行组合和整体热等静压的方式，来实现双合金整体叶盘的制造。

根据本发明的一个实施例，提供一种双合金整体叶盘的制造方法，所制造的整体叶盘结构如图1所示，包括叶盘2和30枚环绕叶盘2等距分布的叶片1。其中，叶盘的制造材料为GH4169，叶片的制造材料为TiAl-4522XD。其制造步骤如下：

a)结合图2，分别设计并制造叶片包套3和叶盘包套4，包套由不锈钢制成。在30枚叶片包套3中填充第一合金粉末5，具体在本实施例中第一合金粉末5为TiAl-4522XD；在叶盘包套中填充第二合金粉末6，具体在本实施例中第二合金粉末6为GH4169。在以震动填充的方式完成所有金属粉末的填充后，对各金属包套进行抽真空和焊接封闭。

b)对所有叶片金属包套3以第一温度1260℃-1270℃和100MPa-110MPa的压力进行1h-1.5h的热等静压处理，得到叶片坯件。考虑到GH4169在1260℃以上将有熔化的风险，这一温度已经超过了对GH4169进行热等静压加工的温度上限。对叶盘金属包套4以300℃-400℃的第二温度和50MPa-90MPa的压力进行1h的温等静压处理，得到叶盘粉体坯件，此时GH4169粉末被压成块体，能够维持其几何结构的稳定，但粉末间的原始界面仍然保留。

c)根据结构设计，将叶片坯件与叶盘粉体坯件连接位置的金属包套切除。作为优选方案，叶片坯件与叶盘粉体坯件的连接位置预留有凸台7用于连接。将每个叶片包套3与叶盘包套4对应凸台位置的包套利用线切割切除后，沿切割面通过氩弧焊焊接在一起得到整体包套。结合图3，在整体包套内，叶片坯件与叶盘粉体坯件在连接位置8相互接触在一起。

d)对整体包套以1030℃-1040℃的第三温度和100MPa-110MPa的压力进行1h-1.5h的热等静压处理。在这个过程中，构成叶盘粉体坯件的GH4169粉末在温度与压力的作用下打破原有的粉末颗粒界面融合在一起，并与每个叶片坯件连接成为整体，得到整体叶盘毛坯。

e)利用机床通过物理剥离的方法去除整体叶盘毛坯外的整体包套。

f)对整体叶盘毛坯进行热处理，包括局部热处理，具体分为针对叶盘部分的局部固溶处理和局部时效处理，以及针对叶片部分的局部组织均匀化处理。首先对TiAl-4522XD构成的叶片区域进行均匀化处理，以1020℃的温度保温8h-9h，在此过程中对叶盘进行风冷冷却，这一过程使以γ相和α2相为主体的TiAl-4522XD晶粒结构更加均匀，改善整体的力学性能。接下来对叶盘区域进行固溶处理，以960℃-970℃的温度保温1.5h，在此过程中对叶片进行风冷冷却，这一过程使镍合金组织中金属间化合物充分溶解形成固溶体组织。最后，对整体叶盘毛坯进行720℃温度下8h的保温和620℃温度下8h的保温，完成时效处理，使镍基合金中的γ’相重新析出，通过沉淀强化增强叶盘盘体的整体强度。

g)对整体叶盘毛坯进行终加工，首先进行水浸探伤检查内部质量，随后进行表面修饰加工去除设计余量，并进行去应力退火，得到成品TiAl-4522XD和GH4169的双合金整体叶盘。

得到的成品双合金整体叶盘界面组织均匀性好，整体强度高，对其进行拉伸测试，叶片达到TiAl-4522XD铸件强度，叶盘达到GH4169锻件强度，连接界面拉伸性能达到TiAl-4522XD基材铸件强度水平。

根据本发明的另一实施例，提供一种双合金整体叶盘的制造方法，所制造的整体叶盘包括叶盘2和33枚围绕叶盘2等距分布的叶片1。其中，叶盘的制造材料为GH4065A，叶片的制造材料为TiAl-4522XD。其制造步骤如下。

a)结合图2，分别设计并制造叶片包套3和叶盘包套4，包套由低碳钢制成。在33枚叶片包套3中填充第一合金粉末5，具体在本实施例中第一合金粉末5为TiAl-4522XD；在叶盘包套中填充第二合金粉末6，具体在本实施例中第二合金粉末6为GH4065A。在以震动填充的方式完成所有金属粉末的填充后，对各金属包套进行焊接封闭。

b)对所有叶片包套3以1270℃-1280℃的第一温度和105MPa-115MPa的压力进行1h-1.5h的热等静压处理，得到叶片坯件。对叶盘包套4以450℃-700℃的第二温度和20MPa-50MPa的压力进行0.5h的温等静压处理，得到叶盘粉体坯件，此时GH4065A粉末被压成块体，通过粉末间挤压产生的机械变形维持块体的形状，但粉末间的原始界面仍然保留。

b’)对叶片包套3以1010℃进行9h-10h的均匀化处理并随炉冷却，以获得γ相和α2相结构更为均匀的TiAl-4522XD叶片坯件组织，提高其力学性能。

c)根据结构设计，将叶片坯件与叶盘粉体坯件连接位置的金属包套切除。作为优选方案，叶片坯件与叶盘粉体坯件的连接位置预留有凸台7用于连接。将每个叶片包套3与叶盘包套4对应凸台位置的包套利用线切割切除后，沿切割面通过激光焊焊接在一起得到整体包套。结合图3，在整体包套内，叶片坯件与叶盘粉体坯件在连接位置8连接在一起。

d)对整体包套以1140℃-1150℃的第三温度和110MPa-120MPa的压力进行1h-1.5h的热等静压处理。在这个过程中，构成叶盘粉体坯件的GH4065A粉末在温度与压力的作用下打破原有的粉末颗粒界面融合在一起，并与每个叶片坯件连接成为整体，得到整体叶盘毛坯。

e)利用酸处理方法去除整体叶盘毛坯外的整体包套。

f)对整体叶盘毛坯进行热处理。首先对叶盘区域进行固溶处理，以1050℃-1060℃的温度对叶盘毛坯整体保温1.5h空冷或随炉冷却，这一过程使镍合金组织中金属间化合物充分溶解形成固溶体组织，而叶片组织由两相金属间化合物组成不发生固溶反应。随后，对整体叶盘毛坯进行765℃-775℃温度下10h的保温和620℃温度下8h的保温并空冷，完成时效处理，使镍基合金中的γ’相重新析出，通过沉淀强化增强叶盘盘体的整体强度，叶片组织由两相金属间化合物组成，不发生沉淀强化过程。

g)对整体叶盘毛坯进行终加工，首先进行水浸探伤检查内部质量，随后进行表面修饰加工去除设计余量，并进行振动去应力处理，得到成品TiAl-4522XD和GH4065A的双合金整体叶盘。

得到的成品双合金整体叶盘界面组织均匀性好，整体强度高，对其进行拉伸测试，叶片达到TiAl-4522XD铸件强度，叶盘达到GH4065A锻件强度，连接界面拉伸性能达到TiAl-4522XD基材铸件强度水平。

上述实施例的目的在于对本发明的技术方案进行更加清楚的描述，使得本领域技术人员能够理解本发明的技术构思，并不构成对本发明实施方式的具体限制。在本发明的权利要求范围内，任何对本发明所涉及零件结构或方法步骤的等效替换，尤其是在不形成冲突的情况下对不同实施例实施方式进行组合，均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种双合金整体叶盘的制造方法，提供一种整体叶盘，所述整体叶盘的叶片与叶盘由不同成分的合金制成，其特征在于，所述制造方法包括以下步骤：

a)分别提供所述叶盘与叶片的金属包套，在所述叶片金属包套中填充第一合金粉末，在所述叶盘金属包套中填充第二合金粉末；

b)对所述叶片金属包套以第一温度进行热等静压加工，得到叶片坯件，对所述叶盘金属包套以第二温度进行温等静压加工，得到叶盘粉体坯件；

c)根据整体叶盘结构设计，将所述叶片坯件与所述叶盘粉体坯件连接位置处的金属包套切除，并将所述叶片金属包套与所述叶盘金属包套沿切割面焊接在一起成为整体包套，使其中的所述叶片坯件和所述叶盘粉体坯件的所述连接位置接触；

d)对所述整体包套以第三温度进行热等静压加工，得到整体叶盘毛坯，所述第三温度为所述第二合金粉末实现热等静压的工艺温度；

其中，所述第一温度的下限高于所述第三温度的上限。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述第一合金粉末为TiAl-4522XD粉末，所述第二合金粉末为GH4169或GH4065A镍合金粉末。

3.根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，所述叶片坯件与所述叶盘粉体坯件的所述连接位置预留凸台。

4.根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，所述金属包套为低碳钢包套或不锈钢包套，在所述步骤c)中所采用的切割方法为线切割，所采用的焊接方法为氩弧焊或激光焊。

5.根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，还包括在所述步骤d)之后进行的去除所述整体包套的步骤e)，所述步骤e)的方法为机械剥离或酸处理。

6.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，还包括在所述步骤d)之后进行的去除所述整体包套后的步骤e)，以及所述步骤e)后对所述整体叶盘毛坯进行热处理的步骤f)，所述步骤f)包括局部热处理，所述局部热处理包括针对叶盘的固溶处理和针对叶片的组织均匀化处理，在对其中一部进行所述局部热处理时对其他部分进行风冷冷却。

7.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，还包括在步骤c)之前对叶片坯件进行的组织均匀化处理的步骤b’)。

8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，还包括在步骤d)之后去除所述整体包套的步骤e)，以及所述步骤e)后对所述整体叶盘毛坯进行热处理的步骤f)，所述步骤f)包括固溶处理和时效处理。

9.根据权利要求6或7或8所述的制造方法，其特征在于，所述温等静压处理温度为300℃-700℃，压力为20MPa-90MPa，保温时间为0.5h-1h。

10.根据权利要求6或7或8所述的制造方法，其特征在于，还包在步骤f)后对所述整体叶盘毛坯进行终加工步骤g)，所述步骤g)包括对整体叶盘毛坯进行的探伤和去应力处理。

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