本發(fā)明屬于發(fā)動機制造技術領域，具體為一種雙金屬雙性能鈦合金整體葉盤制造方法。
背景技術：
整體葉盤是將風扇、壓氣機或渦輪轉(zhuǎn)子葉片和輪盤[1]做成一體的結構形式，是國內(nèi)外先進航空發(fā)動機的必選結構。目前，整體葉盤普遍采用整體加工或焊接方法制造而成，無需加工榫頭和榫槽。這種整體結構的優(yōu)點是：葉盤的輪緣徑向高度、厚度和葉片原榫頭部位尺寸均可大大減小，減重效果明顯；發(fā)動機轉(zhuǎn)子部件的結構大為簡化；消除了分體結構榫齒根部縫隙中氣體的逸流損失；避免了葉片和輪盤[1]裝配不當造成的微動磨損、裂紋以及鎖片損壞帶來的故障，從而有利于提高發(fā)動機工作效率，可靠性得以進一步提升。
雙金屬雙性能整體葉盤其特征為葉片和輪盤[1]為異種材料，分別滿足不同的服役需求，從而更大程度地發(fā)揮異種材料各自的性能優(yōu)勢，如，葉片所用的合金既能夠在更高的溫度下工作而密度更小，從而進一步減輕整個葉盤的重量。新型高溫鈦合金的應用，能夠在更大的溫度梯度與應力梯度條件下工作，滿足新一代發(fā)動機更高推重比的要求。
目前國內(nèi)外雙金屬雙性能鈦合金整體葉盤制造方法有線性摩擦焊、擴散焊、熱等靜壓擴散焊或送粉式激光增材制造方法。其中，線性摩擦焊工藝對設備的依賴程度很大，焊接的效果、精度很大程度上取決于設備的能力，且焊接工裝復雜，成本高。擴散焊方法面臨加壓困難、接頭一致性控制及無損檢測等技術難題，且整體葉盤結構復雜，需采用特殊的加壓手段，工藝實現(xiàn)起來技術難度大。熱等靜壓擴散焊技術成熟度相對較低，需解決可靠封焊或包套，需采取特殊工藝措施確保熱等靜壓過程的可靠實施。另外，由于擴散焊時結構需整體經(jīng)歷焊接熱循環(huán)過程，還需解決焊接熱循環(huán)與材料的熱處理制度匹配問題，避免熱循環(huán)可能對基體材料造成的不良影響。送粉式激光增材制造方法存在粉末成本高、
粉末冶金質(zhì)量和制造過程氧化等問題使得冶金質(zhì)量及力學性能下降。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明目的是針對現(xiàn)有技術中存在的不足提出一種雙金屬雙性能鈦合金整體葉盤制造方法。本發(fā)明的技術方案是：
首先在輪盤鍛件基礎上采用電子束熔絲沉積增材制造方法制造出不同材料的鈦合金葉片毛坯；然后采用機械加工或電解加工至設計尺寸，最終實現(xiàn)雙金屬雙性能鈦合金整體葉盤的制造，該方法包括以下步驟：
1)將葉片用的
鈦合金棒材經(jīng)鍛軋和拉拔制成絲材，絲材直徑為0.6mm～2.0mm，絲材曲率半徑不小于60倍的絲材直徑，絲材中n、h、o間隙元素的含量o≤0.2％，n≤0.05％，h≤0.01％，絲材成分中的主元素含量在制造雙合金雙性能鈦合金整體葉盤前經(jīng)電子束熔絲沉積增材制造工藝及組織性能試驗驗證并滿足設計要求；
2)按照設計要求的葉片數(shù)量，在輪盤鍛坯上采用機械加工方法在盤緣上加工出凸臺，凸臺與凸臺之間圓弧過渡，凸臺高度為2～4mm，凸臺數(shù)量與葉片數(shù)量一致，且凸臺寬度與擬增材制造葉片毛坯寬度一致；作為沉積增材制造基礎的凸臺上表面為平面；
3)將加工凸臺后的鈦合金輪盤安裝于電子束熔絲增材制造設備的數(shù)控工作臺上；設定電子束熔絲沉積工藝參數(shù)：電子束功率為0.6～6kw，電子束移動速度為2mm/s～20mm/s，送絲角度在40°～70°之間，送絲速度為5mm/s～30mm/s，分層厚度為0.4-2.0mm，真空度小于5×10-2pa。按照葉片三維數(shù)字模型，以凸臺為基礎逐層熔絲堆積成型葉片毛坯。絲材準確送入電子束熔池，絲端中心與熔池中心距離小于0.8mm。對稱制造葉片毛坯，直至全部葉片毛坯制造完成。制造過程中葉片毛坯的生長方向始終保持與重力方向相反。沉積增材制造過程中控制葉片毛坯溫度，保持葉片毛坯邊界不被燒塌；
4)葉片毛坯增材制造完成后，將雙金屬鈦合金整體葉盤置于熱處理爐中去應力退火處理或時效處理或固溶+時效處理或熱等靜壓處理；
5)經(jīng)無損檢測合格后采用五軸數(shù)控機床或其它加工方法加工出雙金屬雙性能鈦合金整體葉盤。
該整體葉盤的輪盤為鍛造工藝制造，輪盤所用
鈦合金材料牌號為tc4、tc11、tc17、tc25或ti60合金中的一種。
該整體葉盤的葉片所用鈦合金材料牌號為tc11、tc17、tc25、ti60或ti2alnb合金中的一種。
葉片所用材料的工作溫度高于輪盤所用材料的工作溫度，其輪盤與葉片材料的搭配可以是：tc4+tc11、tc4+tc17、tc17+ti60或ti60+ti2alnb。
所述熔絲沉積時，保持送絲方向、電子束移動方向和沉積生長方向在一個幾何平面內(nèi)。
所述熔絲沉積時，絲材準確送至熔池中，絲材中心與熔池中心偏差波動范圍為0～0.5mm。
本發(fā)明提出的雙金屬雙性能鈦合金整體葉盤制造方法具有以下優(yōu)點：(1)真空環(huán)境冶金質(zhì)量好力學性能優(yōu)，電子束熔絲沉積過程中真空室內(nèi)真空度在10-2pa以下，與材料真空熔煉真空度處于相同水平，所用的絲材雜質(zhì)元素控制難度低，且電子束熔絲沉積過程中能對材料再次精煉，進一步降低雜質(zhì)含量，使得電子束熔絲沉積成型的鈦合金冶金質(zhì)量優(yōu)，力學性能與鍛件相當；(2)效率高，電子束熔絲沉積效率高，可以達到數(shù)kg/h，遠高于激光增材制造方法；(3)制造成本低，絲材成本在500-1000元/kg之間，而相對應的金屬粉末成本在2000元/kg以上。
附圖說明
圖1輪盤模鍛件
圖2電子束熔絲增材制造出葉片毛坯
圖3為經(jīng)熱處理及機械加工后的雙金屬雙性能鈦合金整體葉盤
標號說明：1-輪盤；2-凸臺；3-葉片毛坯；4-葉片
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本發(fā)明技術方案作進一步詳述：
該方法步驟如下：
1)將葉片用的鈦合金棒材經(jīng)鍛軋和拉拔制成絲材，絲材直徑為0.6mm～2.0mm，絲材曲率半徑不小于60倍的絲材直徑，絲材表面無油污等雜質(zhì)，絲材中n、h、o間隙元素的含量o≤0.2％，n≤0.05％，h≤0.01％，絲材成分中的主元素含量在制造雙合金雙性能鈦合金整體葉盤前經(jīng)電子束熔絲沉積增材制造工藝及組織性能試驗驗證并滿足設計要求；
2)按照設計要求的葉片數(shù)量，在輪盤[1]鍛坯上采用機械加工方法在盤緣上加工出凸臺2，凸臺2與凸臺2之間圓弧過渡，凸臺2高度為2～4mm，凸臺2數(shù)量與葉片數(shù)量一致，且凸臺2寬度與擬增材制造葉片毛坯3寬度一致。作為沉積增材制造基礎的凸臺2上表面為平面；
3)將加工凸臺2后的鈦合金輪盤1安裝于電子束熔絲增材制造設備的數(shù)控工作臺上；設定電子束熔絲沉積工藝參數(shù)：電子束功率為0.6～6kw，電子束移動速度為2mm/s～20mm/s，送絲角度在40°～70°之間，送絲速度為5mm/s～30mm/s，分層厚度為0.4-2.0mm，真空度小于5×10-2pa。按照葉片三維數(shù)字模型，以凸臺2為基礎逐層熔絲堆積成型葉片毛坯3。保證絲材準確送入電子束熔池，絲端中心與熔池中心距離小于0.8mm。每個葉片毛坯3沉積增材制造前先采用電子束掃描預熱凸臺2上表面。對稱制造葉片毛坯3，直至全部葉片毛坯3制造完成。制造過程中葉片毛坯3的生長方向始終保持與重力方向相反。沉積增材制造過程中控制葉片毛坯3溫度，保持葉片毛坯3邊界不被燒塌；
4)葉片毛坯3增材制造完成后，將雙金屬鈦合金整體葉盤置于熱處理爐中去應力退火處理或時效處理或固溶+時效處理或熱等靜壓處理；
5)經(jīng)無損檢測合格后采用五軸數(shù)控機床或其它加工方法加工出雙金屬雙性能整體葉盤。
實施例1
圖3所示為一種雙金屬雙性能鈦合金整體葉盤，該鈦合金整體葉盤由輪盤1和葉片組成，輪盤1材料為ti60鈦合金，葉片材料為ti2alnb合金。葉片共60個，均勻分布在輪盤1邊緣。輪盤1采用等溫鍛造方法制備，尺寸為
采用電子束熔絲沉積增材方法制造ti2alnb葉片，葉片高度為60mm，其步驟為：
1)通過熱軋及拉拔工藝制造直徑1.6mm的ti2alnb合金絲材，絲材中n、h、o間隙元素的含量o≤0.2％，n≤0.05％，h≤0.01％；
2)鍛造ti60鈦合金輪盤1毛坯，并采用ti60材料標準熱處理工藝固溶及雙重退火處理。采用數(shù)控加工方法，在鍛造ti60鈦合金輪盤1邊緣加工出圖1所示凸臺2，為電子束熔絲沉積增材制造葉片毛坯3提供基面。凸臺2寬度10mm，長度50mm，凸臺2高度3mm，避免電子束熔絲沉積增材制造葉片毛坯[3]時，由于應力的作用導致臨近葉片毛坯3變形；
3)將加工凸臺2后的鈦合金輪盤1安裝于電子束熔絲增材制造設備的數(shù)控工作臺上；待真空室內(nèi)真空度達到5×10-2pa以下時，設定電子束熔絲沉積工藝參數(shù)：電子束加速電壓60kv，束流35ma，電子束移動速度10mm/s，掃描幅值4mm，送絲角度50°，送絲速度20mm/s，分層厚度1.6mm；按照葉片三維數(shù)字模型，以凸臺2為基礎逐層熔絲堆積成型葉片毛坯3。其中，絲材送進方向與電子束移動方向在一條直線上，絲材與熔池中心距離小于0.5mm。沉積增材制造葉片毛坯3時，葉片毛坯3生長方向始終與重力方向相反。帶一個葉片毛坯3制造完成后，輪盤1旋轉(zhuǎn)180°對稱制造另一葉片毛坯3；
4)葉片毛坯3增材制造完成后將該雙金屬鈦合金整體葉盤置于真空熱處理爐中750℃保溫4h，充氬冷卻；
5)對葉片毛坯[3]粗加工后采用x射線及熒光檢驗方法檢驗內(nèi)部及表面缺陷，經(jīng)無損檢測合格后采用五軸數(shù)控機床加工出雙金屬雙性能整體葉盤設計尺寸。加工完成后，葉片截面積疊軸的位置度公差為0.12-0.3mm，葉片的扭曲公差為±5′～±15′；葉尖跳動公差為0.3mm；流道的面輪廓度公差為0.2～0.3mm；軸向、徑向基準面的垂直度公差為0.02mm；經(jīng)手工拋光及振動光飾處理后葉片表面粗糙度≤0.4μm；然后采用激光沖擊工藝強化處理葉片表面。最終完成雙金屬雙性能整體葉盤的制造。
技術特征：
技術總結
本發(fā)明屬于發(fā)動機制造技術領域，具體為一種雙金屬雙性能鈦合金整體葉盤制造方法。所述整體葉盤的輪盤[1]和葉片部分采用不同材料制造。所述的制造方法包括以下幾個步驟：首先在輪盤鍛件基礎上采用電子束熔絲沉積增材制造方法制造出不同材料的鈦合金葉片毛坯；然后采用機械加工或電解加工至葉片設計尺寸，最終實現(xiàn)雙金屬雙性能鈦合金整體葉盤的制造。本發(fā)明具有制造成本低、周期短、冶金質(zhì)量高的特點。葉片和輪盤[1]采用不同的材料制造可以充分發(fā)揮各自力學性能優(yōu)勢，滿足整體葉盤對輪盤[1]高強度、高應變疲勞性能的要求和葉片對高應力疲勞和持久性能的要求，從而實現(xiàn)整體葉盤在更高溫度條件下服役或代替高溫合金整體葉盤實現(xiàn)減重的目的。
技術研發(fā)人員：張國棟;熊華平;袁鴻;余槐;王金雪;程耀永;張學軍
受保護的技術使用者：中國航發(fā)北京航空材料研究院
技術研發(fā)日：2017.06.27
技術公布日：2017.09.08
聲明：
“雙金屬雙性能鈦合金整體葉盤制造方法與流程” 該技術專利(論文)所有權利歸屬于技術(論文)所有人。僅供學習研究，如用于商業(yè)用途，請聯(lián)系該技術所有人。
我是此專利(論文)的發(fā)明人(作者)
293
編輯：中冶有色技術網(wǎng)
來源：中國航發(fā)北京航空材料研究院
分享 0
舉報 0
收藏 0
反對 0
點贊 0
中冶有色技術平臺
2024年11月01日 ~ 03日 
