一种具有双晶组织的整体叶盘及其制造方法转让专利
申请号 : CN202010095919.9
文献号 : CN111187895B
文献日 : 2021-08-10
发明人 : 刘奋成 , 吕飞阅 , 黄春平 , 刘秀霞
申请人 : 南昌航空大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种具有双晶组织的整体叶盘,所述整体叶盘包括轮盘、凸台和叶片;所述凸台的内侧与轮盘连接,凸台的外侧与叶片连接;
所述轮盘具有等轴晶组织;所述叶片具有柱状晶组织;所述凸台具有由内向外逐渐变大的晶粒组织;
所述轮盘的等轴晶平均晶粒尺寸为10 30μm;所述叶片的柱状晶平均晶粒的宽度为100~
300μm;
~
所述整体叶盘的制造方法,包括以下步骤:(1)制备具有等轴晶组织的轮盘;
(2)在所述轮盘边缘制备粗凸台,然后对粗凸台的表面进行表面加热处理后冷却,粗凸台表面温度较高使得表面晶粒尺寸粗大,而粗凸台内部温度较低,使得内部具有细小的等轴晶组织,由此得到具有由内向外逐渐变大的晶粒组织的凸台;
(3)采用激光立体成形技术结合同轴送粉激光熔覆方法将原料粉末在凸台上逐层堆积,得到叶片,同时形成整体叶盘粗品;
(4)对整体叶盘粗品依次进行整体热处理、冷却和精密整形加工,得到整体叶盘;
所述凸台内部靠近轮盘的一侧为等轴晶组织,所述等轴晶组织的晶粒尺寸为15 25μm,~
所述凸台外部靠近叶片的一侧为粗大的晶粒组织,所述粗大的晶粒组织的晶粒尺寸为100~
200μm。
2.根据权利要求1所述的整体叶盘,其特征在于,所述凸台的高度为3 5mm。
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3.根据权利要求1所述的整体叶盘,其特征在于,所述轮盘、凸台和叶片的材质独立地 为镍基高温合金、钛合金或不锈钢。
4.根据权利要求1所述的整体叶盘,其特征在于,所述具有等轴晶组织的轮盘的制备方 法包括:
将合金铸造后机械加工得到具有等轴晶组织的轮盘;
或者,将合金锻造后机械加工得到具有等轴晶组织的轮盘;
或者,将合金粉末冶金得到具有等轴晶组织的轮盘。
5.根据权利要求1所述的整体叶盘,其特征在于,所述步骤(2)表面加热处理的方式包括电磁高频感应加热、激光表面加热、真空脉冲电子束照射或表面火焰加热;所述冷却的方式包括空冷、水冷或油冷。
6.根据权利要求1所述的整体叶盘,其特征在于,所述步骤(3)激光立体成形技术的激光功率为1000 2000W;激光熔覆采用单向扫描的填充方式,所述单向扫描的扫描速率为5~ ~
10mm/s;所述同轴送粉的送粉量为10 15g/min;搭接率为30 60%,抬升量为0 .25 0 .4mm。
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7.根据权利要求1所述的整体叶盘,其特征在于,所述步骤(4)采用磨粒和微粉进行精密整形加工,所述磨粒的材质为人造金刚石,所述磨粒的规格为180# 240#;所述微粉的材~
质为白刚玉,所述微粉的粒度为W20 W40。
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说明书 :
一种具有双晶组织的整体叶盘及其制造方法
技术领域
背景技术
榫头气流损失,提升了启动效率。与传统结构相比,它具有减重、减级、增效和提高可靠性等
优点。
工,对设备要求高,生产周期长。精密焊接制造的方法其实质还是焊接,将轮盘和叶片单独
制作后依靠电子束焊接、摩擦焊接等方法焊接在一起,实现整体叶盘的制作,但是此方法焊
缝的存在会极大影响整体叶盘的服役质量。整体精密铸造方法虽可以一次成形形状复杂的
结构,但是粗大铸造组织很难保证整体叶盘对轮盘高疲劳性能的要求。
叶片结合处很容易产生疲劳裂纹,整体涡轮叶盘材料失效致使发动机故障。如何提高整体
叶盘的抗疲劳性能具有重要意义。
发明内容
大的过渡晶体组织,凸台的过渡晶体组织有效解决了轮盘和叶片之间晶体结构不匹配导致
的整体叶盘抗疲劳性差、易失效的问题。
的宽度为100 300µm。
~
的等轴晶组织,由此得到具有由内向外逐渐变大的晶粒组织的凸台;
同轴送粉的送粉量为10 15g/min;搭接率为30 60%,抬升量为0.25 0.4mm。
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金刚石,所述磨粒的规格为180 240 ;所述微粉的材质为白刚玉,所述微粉的粒度为W20
~ ~
W40。
叶片具有柱状晶组织;所述凸台具有由内向外逐渐变大的晶粒组织。本发明提供的整体叶
盘中凸台具有自内向外逐渐变大的晶粒组织,起到轮盘与叶片中细小等轴晶和粗大柱状晶
组织的过渡作用,避免叶片与轮盘晶粒组织的巨大差别导致整体叶盘力学性能的突变,而
且能够有效解决整体叶盘抗疲劳性差、易失效的问题。另外,本发明中轮盘具有细小等轴晶
组织,有利于使整体叶盘具有良好的抗疲劳性能;叶片具有柱状晶的定向凝固组织特征,使
整体叶盘在高温下仍具有良好的蠕变性能。
附图说明
具体实施方式
m;所述叶片的柱状晶平均晶粒的宽度优选为100 300 µm,更优选为150 250 µm。在本发明
~ ~
中,所述凸台具有由内向外逐渐变大的晶粒组织。所述凸台内部(即靠近轮盘的一侧)为等
轴晶组织,所述等轴晶组织的晶粒尺寸优选为15 25 µm,所述凸台外部(即靠近叶片的一
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侧)为粗大的晶粒组织,所述粗大的晶粒组织的晶粒尺寸优选为100 200 µm。
~
轮盘与叶片中细小等轴晶和粗大柱状晶组织的过渡作用,避免叶片与轮盘晶粒组织的巨大
差别导致材料力学性能的突变;叶片为具有定向柱凝固特征的柱状晶组织,具有良好的高
温抗蠕变和尺寸稳定性。本发明通过在轮盘和叶盘之间设置晶粒逐渐变化的凸台,有效提
供了整体叶盘的抗疲劳性能,解决了现有技术中轮盘与叶片结合处容易产生疲劳裂纹的问
题。
细小的等轴晶组织,由此得到具有由内向外逐渐变大的晶粒组织的凸台;
采用烧结的方法制备预成形轮盘,所述烧结处理的温度优选为1100 1200℃,所述烧结处理
~
的保温时间优选为2h;当所述合金粉末为TC4钛合金粉末时,本发明优选采用压制的方法制
备预成形轮盘,所述压制的压力优选为380 420 MPa,更优选为400 MPa;当所述合金粉末优
~
选为316L不锈钢粉末时,本发明优选采用轧制的方法制备带坯(即预成形轮盘),轧制温度
优选为1050 1150℃,更优选为1100℃。
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更优选为1050 1080℃,所述煅烧的时间优选为1h。当所述合金粉末为GH4169合金粉末时,
~
本发明优选在煅烧后进行锻打成形,所述锻打成形优选在锻模中进行,得到具有等轴晶组
织的轮盘,所述锻打成形的温度优选不超过1180℃,更优选为1160 1180℃,所述锻打成形
~
的打击力优选为100000 140000 kN。
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优选为1h;当所述合金粉末优选为316L不锈钢粉末时,所述煅烧的温度优选为1000 1100
~
℃,时间优选为1h。
于提高轮盘的强度、韧性和硬度等性能。
台内部温度较低,使得凸台内部具有细小的等轴晶组织,由此得到具有梯度晶粒尺寸的凸
台。
可。在本发明中,所述粗凸台优选具有圆角,以利于与叶片相连接。在本发明中,所述粗凸台
的高度优选为3 5 mm,所述粗凸台的长度和宽度优选与盘毂同一位置的叶片长度和宽度相
~
同,所述粗凸台上表面优选铣平。
表面加热处理的方式包括电磁高频感应加热、激光表面加热、真空脉冲电子束照射或表面
火焰加热;所述电磁高频感应加热的频率优选为600 kHz 1.1 MHz,更优选为700 kHz 1.0
~ ~
MHz,所述电磁高频感应加热的时间优选为5 10 min,更优选为6 9 min;所述激光表面加热
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的激光功率优选为500 1000W,光斑枝晶优选为3 10 mm,电子束扫描波形优选为直线往复
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扫描,扫描速率优选为5 20mm/s;所述真空脉冲电子束照射的电子束加快电压优选为15‑
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30kV,靶极距离优选为200 350 mm,脉冲时间优选为10 50μm;所述表面火焰加热优选在氧
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气和液化石油气的混合气体中进行,所述氧气和液化石油气的体积流量比优选为3.5:1,优
选采用中性焰内焰加热。本发明通过表面加热处理,使粗凸台表面的温度从室温升高至
1020 1250℃,粗凸台表面温度较高使得其表面晶粒尺寸粗大,而粗凸台内部温度较低,晶
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粒还没长大,使得其内部具有细小的等轴晶组织,由此得到具有梯度晶粒尺寸,即由内部细
小等轴晶组织逐渐过渡生长为表面粗大等轴晶组织的凸台。
~ ~
处理,以除去原料粉末的水分,所述烘干的温度优选为100 120℃,更优选为110℃,时间优
~
选为3 5h,更优选为4 h。
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1000W、1500W或2000W;激光熔覆优选为单向扫描的填充方式,所述单向扫描的扫描速率优
选为5 10mm/s,更优选为5mm/s、8mm/s或10mm/s;所述同轴送粉的送粉量优选为10 15g/
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min,更优选为10g/min、11g/min、12g/min、13g/min、14g/min或15g/min;搭接率优选为30%
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60%,更优选为50%;抬升量优选为0.25 0.4mm,更优选为0.25mm、0.3mm或0.4mm。
~
件控制在上述范围内,更快更高效的制备得到具有定向生长均匀柱状晶组织的叶片。
轴送粉激光熔覆的方法将原料粉末按照一定的填充路径在凸台上逐点填满给定的二维形
状,重复这一过程,逐层堆积形成三维成形叶片。
员熟知的方式即可。
学性能。本领域技术人员根据熟知的不同合金热处理温度和热处理时间进行热处理即可。
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磨粒的规格优选为180 240 ;所述微粉的材质优选为白刚玉,所述微粉的粒度优选为W20
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W40。本发明通过精密整形处理,以得到高加工精度和低表面粗糙度值的整体叶盘。
轮盘能获得均匀的等轴晶组织,等轴晶组织的平均粒径尺寸为20 μm。
当,凸台上表面铣平。
大形成粗大的等轴晶组织。此实验中设备电源供电频率为1MHz,对试样加热10min,凸台表
面从室温加热至1050℃,得到的凸台具有由内向外逐渐变大的晶粒组织,其中凸台内部最
小的晶粒尺寸为20μm,凸台外部最大的晶粒尺寸为100μm。
层,即将零件的三维形状信息转换成一系列二位轮廓信息,随后在数控系统的控制下,用同
步送分激光熔覆的方法将GH4169镍基高温合金粉末按照一定的填充路径在凸台上逐点填
满给定的二维形状,重复这一过程,逐层堆积形成三维实体叶片。激光立体成形所用的材料
为等离子旋转电极法制备的GH4169合金粉末,合金粉末粒度为100目,合金粉末的尺寸大约
150μm,其化学成分为(质量分数,%):Ni,51.75;Cr,19.68;Nb,4.91;Mo,3.18;Ti,0.97;Al,
0.63;Si,0.23;Mn,0.11;C,0.034;S,0.001;P,0.004;Fe余量。增材前对合金粉末进行真空
烘干除湿处理,烘干温度为120℃,烘干时间为5h,随后在真空环境中炉冷至室温。激光立体
成形的工艺参数为激光功率1000W,扫描速率10mm/s,送粉量13g/min,搭接率50%,抬升量
0.3mm,得到的叶片具有柱状晶组织,柱状晶的平均晶粒宽度为200μm。
散、再结晶、熔焊、化合、溶解等一系列的物理化学过程,最终得到具有等轴晶组织的轮盘,
等轴晶组织的平均晶粒尺寸为25μm。
凸台上表面铣平;
生的热效应对金属材料表面进行加热,凸台表面从室温加热至1100℃,保持20分钟。之后用
石棉包裹使其缓慢冷却,得到的凸台具有由内向外逐渐变大的晶粒组织,其中凸台内部最
小的晶粒尺寸为25μm,凸台外部最大的晶粒尺寸为120μm。
的三维形状信息转换成一系列二位轮廓信息,随后在数控系统的控制下,用同步送分激光
熔覆的方法将TC4合金粉末按照一定的填充路径在凸台上逐点填满给定的二维形状,重复
这一过程,逐层堆积形成三维实体叶片。激光立体成形所用的材料为旋转电极真空感应熔
炼气雾化法制备的TC4合金粉末,合金粉末的尺寸大约80μm,其化学成分为(质量分数,%):
Al,5.5;V,3.5;Mn,0.11;C,0.1;O,0.2;N,0.005;H,0.014;Fe,0.3;Ti,余量。增材前对合金
粉末进行真空烘干除湿处理,烘干温度为100℃,烘干时间为4h,随后在真空环境中炉冷至
室温。激光立体成形的工艺参数为激光功率2000W,扫描速率10mm/s,送粉量10g/min,搭接
率50%,抬升量0.25mm。
为15μm。
凸台上表面铣平;
光束辐照凸台表面时,辐照点被迅速加热,凸台表面从室温加热至1150℃,保持15分钟。之
后用石棉包裹使其缓慢冷却,得到的凸台具有由内向外逐渐变大的晶粒组织,其中凸台内
部最小的晶粒尺寸为15μm,凸台外部最大的晶粒尺寸为100μm。
件的三维形状信息转换成一系列二位轮廓信息,随后在数控系统的控制下,用同步送分激
光熔覆的方法将DZ125合金粉末按照一定的填充路径在凸台上逐点填满给定的二维形状,
重复这一过程,逐层堆积形成三维实体叶片。激光立体成形所用的材料为旋转电极法制备
的DZ125合金粉末,合金粉末的尺寸大约130μm,其化学成分为(质量分数,%):Ni,1.0;Cr,
8.9;Co,10.0;W,7.5;Mo,1.6;Al,5.3;Ti,0.8;Ta,3.8;Hf,1.5;C,0.09;B,0.015。增材前对
合金粉末进行真空烘干除湿处理,烘干温度为120℃,烘干时间为4h,随后在真空环境中炉
冷至室温。激光立体成形的工艺参数为激光功率1500W,扫描速率5mm/s,送粉量12g/min,搭
接率50%,抬升量0.4mm。
叶片之间的位置关系,凸台位于轮盘的边缘,与叶片连接。
体叶片中轮盘具有细小等轴晶组织,凸台具有由内向外逐渐变大的等轴晶组织,叶片具有
粗大的柱状晶组织。
所示,由图3可以清楚地看出,轮盘具有细小等轴晶,凸台由内向外(自下而上)具有逐渐变
大的等轴晶,叶片具有粗大的柱状晶。
同,在此不再赘述。
视为本发明的保护范围。