CN117415573A - 热等静压扩散连接制备双合金整体叶盘的方法 - Google Patents

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CN117415573A CN202311149254.5A CN202311149254A CN117415573A CN 117415573 A CN117415573 A CN 117415573A CN 202311149254 A CN202311149254 A CN 202311149254A CN 117415573 A CN117415573 A CN 117415573A
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Abstract

本发明属于高温合金连接技术领域，涉及一种热等静压扩散连接制备双合金整体叶盘的方法，包括如下步骤：采用粉末冶金技术制备盘件、采用精密铸造技术制备叶片环，盘件与叶片环中的合金成分不同；通过精密机床分别对盘件和叶片环进行精密加工，并将加工后的盘件与加工后的叶片环进行间隙配合，以形成叶盘组件；于叶盘组件轴向方向的两端面上，通过喷涂装置将钎料涂注于盘件与叶片环相接的位置，并在钎焊炉中进行真空钎焊；将钎焊密封后的叶盘组件进行热等静压扩散连接，以形成双合金整体叶盘。该热等静压扩散连接制备双合金整体叶盘的方法省略盘件和叶片环必须先焊接包套再脱气的繁琐步骤，工艺简单。

Description

热等静压扩散连接制备双合金整体叶盘的方法
技术领域
本发明涉及高温合金连接技术领域，尤其涉及一种热等静压扩散连接制备双合金整体叶盘的方法。
背景技术
双合金整体叶盘是将叶片和涡轮盘通过热等静压(Hot Isostatic Pressing，简称HIP)扩散连接技术连接成一体。这样，能够省去常规连接的榫头和榫槽，使双合金整体叶盘的结构大大简化，有利于减轻发动机结构重量、提高燃油效率和推重比。另外，采用双合金结合的叶盘，能够使轮毂和叶片都获得良好的组织和性能，实现盘件与叶片的灵活选择和最佳性能匹配。
目前，对于双合金整体叶盘的制备普遍采用大过盈配合将整体叶片环和粉末盘进行HIP焊接的方法或采用包套密封、固-固和粉-固热等静压(HIP)扩散焊等方法。
然而，上述的制备方法中仍存在诸多问题，例如：在采用大过盈配合将整体叶片环和粉末盘进行HIP焊接的方法中，技术人员为了实现大过盈配合，往往需要使用特殊的工装或夹具。这样，就会增加技术人员的操作难度，容易导致零件变形损坏。
或者，在采用包套密封、固-固和粉-固热等静压(HIP)扩散焊等方法制备双合金整体叶盘时，技术人员必须先对盘件和叶片环组合焊接包套，再进行脱气，步骤十分繁琐，并且对于一些整体叶盘的薄壁叶片环很难通过焊接包套的方式密封连接。
发明内容
本发明实施例的目的在于，解决现有技术中通过热等静压扩散连接制备双合金整体叶盘的操作步骤繁琐、易损坏产品的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种热等静压扩散连接制备双合金整体叶盘的方法，采用了如下所述的技术方案：
该热等静压扩散连接制备双合金整体叶盘的方法包括以下步骤：
采用粉末冶金技术制备盘件、采用精密铸造技术制备叶片环，所述盘件与所述叶片环中的合金成分不同；
通过精密机床分别对所述盘件和所述叶片环进行精密加工，并将加工后的盘件与加工后的叶片环进行间隙配合，以形成叶盘组件；
于所述叶盘组件轴向方向的两端面上，通过喷涂装置将钎料涂注于所述盘件与所述叶片环相接的位置，并在钎焊炉中进行真空钎焊；
将钎焊密封后的叶盘组件进行热等静压扩散连接，以形成双合金整体叶盘。
进一步地，在一些实施例的优选方案中，所述采用粉末冶金技术制备盘件、采用精密铸造技术制备叶片环的步骤，包括：
利用粉末高温合金或锻造高温合金制成所述盘件；利用锻造高温合金、定向合金或单晶合金制成所述叶片环。
进一步地，在一些实施例的优选方案中，所述通过精密机床对所述盘件进行精密加工的步骤，包括：
对所述盘件的顶面通过精密机床的加工，形成有帽檐结构；在所述盘件与所述叶片环间隙配合时，所述帽檐结构卡接于所述叶片环中内径的周侧上。
进一步地，在一些实施例的优选方案中，所述帽檐结构在所述盘件径向方向的长度为1mm～5mm。
进一步地，在一些实施例的优选方案中，所述叶片环内径与所述盘件外径的间隙尺寸小于200μm。
进一步地，在一些实施例的优选方案中，所述叶片环内径与所述盘件外径的间隙尺寸为20μm～100μm。
进一步地，在一些实施例的优选方案中，还包括以下步骤：对热等静压扩散连接的双合金整体叶盘进行热处理。
进一步地，在一些实施例的优选方案中，所述钎焊炉内真空度小于5×10-2Pa。
进一步地，在一些实施例的优选方案中，热等静压温度为1100℃～1200℃，热等静压压力为100～150MPa，保温保压时间为2～4h。
为了解决上述技术问题，本发明实施例还提供一种双合金整体叶盘，采用如下所述的技术方案：所述双合金整体叶盘是基于上述的热等静压扩散连接制备双合金整体叶盘的方法制造而成。
与现有技术相比，本发明实施例提供的热等静压扩散连接制备双合金整体叶盘的方法主要有以下有益效果：
一方面，该热等静压扩散连接制备双合金整体叶盘的方法通过间隙配合的方式，将叶盘与叶片环进行直接配合，减少了特殊的工装、夹具等，降低技术人员的操作难度，避免零件装配时发生变形损坏，操作简单。
另一方面，该热等静压扩散连接制备双合金整体叶盘的方法通过在间隙配合后的盘件与叶片环中上下两个端面进行真空钎焊，能够实现叶盘与叶片环的完全密封，工艺简单；同时，在真空钎焊过程中，能够排除叶盘与叶片环之间的残留气体，省略现有双合金整体叶盘制作过程中盘件和叶片环必须先装入包套再脱气的繁琐步骤，保证了后续热等静压扩散连接的顺利进行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明中的方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。其中：
图1是本发明一个实施例中热等静压扩散连接制备双合金整体叶盘的方法的流程图；
图2是本发明一个实施例中双合金整体叶盘的结构示意图；
图3是本发明一实施例中FGH96-K418B整体叶盘的真空钎焊工艺曲线；
图4是本发明一实施例中FGH96-K418B整体叶盘HIP扩散连接界面显微组织形貌图。
附图中的标号如下：
100、叶盘组件；10、盘件；11、帽檐结构；20、叶片环；30、间隙；40、钎料；50、喷涂装置。
具体实施方式
除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文在说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明，例如，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。
本发明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”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；本发明的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中，当元件被称为“固定于”或“安装于”或“设置于”或“连接于”另一个元件上，它可以是直接或间接位于该另一个元件上。例如，当一个元件被称为“连接于”另一个元件上，它可以是直接或间接连接到该另一个元件上。
此外，在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
本发明实施例提供一种热等静压扩散连接制备双合金整体叶盘的方法，需要说明的是，本发明主题中的“双合金”一词指叶片环20和盘件采用了不同的高温合金材料。
如图1和图2所示，该热等静压扩散连接制备双合金整体叶盘的方法包括以下步骤：
S100、采用粉末冶金技术制备盘件10、采用精密铸造技术制备叶片环20，盘件10与叶片环20中的合金成分不同，由此提高双合金整体叶盘的高温强度、耐腐蚀性、力学性能以及热稳定性，从而确保双合金叶盘能够适用于严苛的工作条件(具体为高温和高压的工作环境)。
应当说明的是，由于叶盘中盘件10和叶片环20两者服役环境不同，故两者所需材料的微观组织和性能也存在巨大差异，如盘件10工作温度低但应力大，要求材料具备高的屈服强度和优异的疲劳性能；而叶片环20工作温度高应力小，更侧重于材料的高温蠕变性能。
在本实施例中，盘件10由粉末高温合金或锻造高温合金通过热等静压扩散连接技术制备而成。粉末高温合金是通过将金属粉末进行混合、压制和烧结而成的材料，具有良好的高温强度和耐腐蚀性。锻造高温合金则是通过热锻工艺将金属坯料加工成形的材料，具有优异的力学性能和热稳定性。
另外，叶片环20由锻造高温合金、定向合金或单晶合金铸造而成制成。锻造高温合金在高温环境下具有出色的强度和耐热性能。定向合金是一种特殊的合金，具有优异的高温力学性能和耐腐蚀性能。单晶合金是一种具有单一晶体结构的合金，具有出色的高温力学性能和抗热疲劳性能。
优选的，盘件10由粉末高温合金FGH96制成，叶片环20由铸造高温合金K418B制成。当然，在其他实施例中，盘件10和叶片环20的材质也可以是其他高温合金，例如为FGH95合金、FGH96合金、K418B合金和K465合金等，本发明对此不做限定，本领域技术人员可以根据实际情况选择。
S200、通过精密机床(图为示)分别对盘件10和叶片环20进行精密加工，并将加工后的盘件10与加工后的叶片环20进行间隙30配合，以形成叶盘组件100。
具体来说，技术人员通过精密机床对盘件10的外径尺寸和叶片环20内径的尺寸进行加工，以确保二者的尺寸和形状符合精密间隙30配合的要求。随后，将加工后的盘件10与加工后的叶片环20进行间隙30配合，以形成叶盘组件100。
需要说明的是，叶片环20内径与盘件10外径的间隙30尺寸越小，盘件10和叶片环20结合越紧密，后续热等静压扩散连接效果越好。具体在本实施例中，叶片环20内径与盘件10外径的间隙30尺寸小于200μm。优选的，叶片环20内径与盘件10外径的间隙30尺寸为20μm～100μm。
可以理解地，通过采用小间隙30尺寸，不仅可以确保叶片环20与盘件10之间的紧密配合，减少间隙30对连接的影响，还可以增加连接面积，提高叶片环20与盘件10之间的接触面积，从而增加连接的强度和稳定性。
S300、于叶盘组件100轴向方向的两端面上，通过喷涂装置50将钎料40涂注于盘件10与叶片环20相接的位置，并在钎焊炉(图未示)中进行真空钎焊。
具体来说，如图2和图3所示，技术人员通过喷涂装置50将钎料40涂注于叶盘组件100轴向方向的两个端面中盘件10与叶片环20相接的位置，随后，将带有钎料40的叶盘组件100置于钎焊炉(图未示)中，在真空环境下进行钎焊。
由此，不仅可以实现盘件10与叶片环20的固定连接，同时还可以实现对盘件10与叶片环20之间间隙30的密封，提高后续热等静压扩散连接的扩散效果。
还需要说明的是，采用上述的焊接方法，不仅能够确保钎料40充分熔化并与盘件10和叶片环20形成坚固的连接，还能够在真空钎焊的过程中，排除盘件10与叶片环20之间的残留气体。
在本实施例中，钎焊炉内的真空度小于5×10-2Pa，能够提供良好的钎焊环境，从而提高盘件10与叶片环20的钎焊质量和连接强度。另外，在真空环境下进行钎焊能够避免氧气和其他杂质的存在，减少钎焊接头的氧化和污染。
S400、将钎焊密封后的叶盘组件100进行热等静压，使得叶盘组件100的材料在压力的作用下发生扩散连接，形成双合金整体叶盘。
具体来说，技术人员将钎焊密封后的双合金整体叶盘在1100℃～1200℃条件下进行双合金整体叶盘的固-固热等静压扩散连接，热等静压压力为100MPa～150Mpa，保温保压2h～4h，以实现叶片环20与盘件10的冶金结合，获得双合金整体叶盘。
优选地，本发明其中一个实施例中，双合金整体叶盘具体选择在1160℃条件下进行热等静压扩散连接，热等静压压力为150MPa，保温保压4h。
示例性的，技术人员先将将钎焊密封后的双合金整体叶盘置于热等静压设备(图未示)中，然后加热到1160℃的温度。在达到目标温度后，通入氩气使压力达到150MPa，上述压力将通过高压气体等静压的方式施加到叶盘上。
在施加压力后，保持温度和压力不变，并保持4小时的保温保压时间，保温保压时间结束后，将双合金整体叶盘从热等静压设备中取出，从而获得双合金整体叶盘。
当然，在其他实施例中，也可以选择其它温度、压力以及时间，本发明对此不做限定，本领域技术人员可以根据实际情况选择。
本发明中采用热等静压扩散连接制备双合金整体叶盘的过程具体如下：
技术人员先采用粉末冶金技术制备盘件10和精密铸造技术制备叶片环20，然后通过精密机床对盘件10和叶片环20进行精密加工，并将加工后的盘件10与加工后的叶片环20进行间隙30配合，以形成叶盘组件100。
随后，技术人员在叶盘组件100轴向方向的两端面上，使用喷涂装置50将钎料40涂覆在盘件10和叶片环20相接的位置，并在钎焊炉中进行真空钎焊。再然后，将经过钎焊密封的叶盘组件100进行热等静压处理，以形成由粉末高温合金FGH96和铸造高温合金K418B两种不同合金组成的整体叶盘。
如图4所示，上述热等静压形成的双合金整体叶盘中FGH96盘件10与K418B叶片环20实现良好的冶金结合，无显微孔洞等缺陷。另外，从K418B叶片环20到FGH96盘件10一侧，晶粒尺寸减小，γ′相尺寸变小，γ′颗粒从方形到球形转变。
显然，与现有技术中双合金整体叶盘的制作方法相比：一方面，该热等静压扩散连接制备双合金整体叶盘的方法采用间隙30配合的方式，将叶盘与叶片环20进行直接配合，减少了特殊的工装、夹具等，降低技术人员的操作难度，同时能够避免零件装配时的变形损坏，操作简单。
另一方面，该热等静压扩散连接制备双合金整体叶盘的方法通过在间隙30配合后的盘件10与叶片环20中上下两个端面进行真空钎焊，能够实现叶盘与叶片环20的完全密封，工艺简单；同时，在真空钎焊过程中，能够排除叶盘与叶片环20之间的残留气体，省略了现有双合金整体叶盘制作过程中盘件10和叶片环20必须先装入包套再脱气的繁琐步骤，保证了后续热等静压扩散连接的顺利进行。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合附图1至图4，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
进一步地，作为本发明一些实施例中的一种具体实施方式，如图2所示，通过精密机床对盘件10进行精密加工的步骤，包括：
盘件10的顶面通过精密机床的加工，形成有帽檐结构11，帽檐结构11通常是在盘件10顶部的边缘处形成一个突起，类似于帽子的檐部。其中，在盘件10与叶片环20间隙配合时，帽檐结构11卡接于叶片环20中内径的周侧上。
这样，一方面能够通过帽檐结构11的卡接，使得盘件10与叶片环20之间的连接更加牢固。另一方面通过帽檐结构11的设置，能够将叶盘组件100中涂注钎料40的位置相对远离于盘件10与叶片环20之间的间隙30，从而防止钎焊时钎料40渗入至盘件10与叶片环20之间的间隙30中，影响后续叶盘组件100热等静压的效果，降低双合金整体叶盘的性能。
在本实施例中，帽檐结构11在盘件10径向方向的长度为1mm～5mm。优选地，帽檐结构11在盘件10径向方向的长度为3mm。由此，能够避免帽檐结构11的长度过小，导致钎料40流入至盘件10与叶片环20的间隙30中，影响后续热等静压的效果，或者，帽檐结构11的长度过大，增加盘件10的重量和制造成本。
进一步地，作为本发明提供的热等静压扩散连接制备双合金整体叶盘的方法的一种具体实施方式，如图1所示，还包括以下步骤：
S500、对热等静压扩散连接的双合金整体叶盘进行热处理，以实现对双合金整体叶盘的组织调控和力学性能优化。
具体来说，技术人员将双合金整体叶盘进行固溶、时效处理。通常，固溶温度应根据双合金中固溶温度较低的材料进行选择，以避免因加热温度过高导致材料性能大幅降低。
在本实施例中，采用的热处理制度是根据FGH96进行确定的，包括1150℃/2h的固溶和760℃/16h的时效处理，冷却方式为空冷。
如表1、表2和表3，经过热处理后的FGH96-K418B整体叶盘的力学性能与同类产品力学性能相比，室温抗拉强度比精铸K418B合金热处理态高118MPa。另外，室温、760℃抗拉强度分别比FGH91-K418B整体合金叶盘高242MPa、59MPa，伸长率接近，断裂均发生在K418B一侧。
表1-FGH91-K418B双合金整体叶盘模拟件拉伸性能
表2-K418B精铸件(1180℃/2h/AC+930℃/16h/AC)
温度/℃ 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 伸长率/％
25 840 940 9.0
表3-FGH96-K418B双合金整体叶盘模拟件拉伸性能
温度/℃ 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 伸长率/％
25 / 1058 6.0
760 / 920 6.0
需要说明的是，通过热处理可以调整双合金整体叶盘的组织结构和性能，以满足特定的应用要求。具体的热处理参数和工艺将根据材料的类型、厚度和所需的性能进行选择，本发明对此不做限定，本领域技术人员可以根据实际情况选择。
基于上述的热等静压扩散连接制备双合金整体叶盘的方法，本发明实施例还提供一种双合金整体叶盘，其中，该双合金整体叶盘是基于上述的热等静压扩散连接制备双合金整体叶盘的方法制造而成。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种热等静压扩散连接制备双合金整体叶盘的方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用粉末冶金技术制备盘件、采用精密铸造技术制备叶片环，所述盘件与所述叶片环中的合金成分不同；
通过精密机床分别对所述盘件和所述叶片环进行精密加工，并将加工后的盘件与加工后的叶片环进行间隙配合，以形成叶盘组件；
于所述叶盘组件轴向方向的两端面上，通过喷涂装置将钎料涂注于所述盘件与所述叶片环相接的位置，并在钎焊炉中进行真空钎焊；
将钎焊密封后的叶盘组件进行热等静压扩散连接，以形成双合金整体叶盘。
2.根据权利要求1所述的热等静压扩散连接制备双合金整体叶盘的方法，其特征在于，所述采用粉末冶金技术制备盘件、采用精密铸造技术制备叶片环的步骤，包括：
利用粉末高温合金或锻造高温合金制成所述盘件；利用锻造高温合金、定向合金或单晶合金制成所述叶片环。
3.根据权利要求2所述的热等静压扩散连接制备双合金整体叶盘的方法，其特征在于，所述通过精密机床对所述盘件进行精密加工的步骤，包括：
对所述盘件的顶面通过精密机床的加工，形成有帽檐结构；在所述盘件与所述叶片环间隙配合时，所述帽檐结构卡接于所述叶片环中内径的周侧上。
4.根据权利要求3所述的热等静压扩散连接制备双合金整体叶盘的方法，其特征在于，所述帽檐结构在所述盘件径向方向的长度为1mm～5mm。
5.根据权利要求4所述的热等静压扩散连接制备双合金整体叶盘的方法，其特征在于，所述叶片环内径与所述盘件外径的间隙尺寸小于200μm。
6.根据权利要求5所述的热等静压扩散连接制备双合金整体叶盘的方法，其特征在于，所述叶片环内径与所述盘件外径的间隙尺寸为20μm～100μm。
7.根据权利要求1至6任一项所述的热等静压扩散连接制备双合金整体叶盘的方法，其特征在于，还包括以下步骤：对热等静压扩散连接的双合金整体叶盘进行热处理。
8.根据权利要求1所述的热等静压扩散连接制备双合金整体叶盘的方法，其特征在于，所述钎焊炉内真空度小于5×10-2Pa。
9.根据权利要求1所述的热等静压扩散连接制备双合金整体叶盘的方法，其特征在于，热等静压温度为1100℃～1200℃，热等静压压力为100～150MPa，保温保压时间为2～4h。
10.一种双合金整体叶盘，其特征在于，基于权利要求1至9任一项所述的热等静压扩散连接制备双合金整体叶盘的方法制造而成。
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