技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本
發(fā)明屬于雙合金材料制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種雙合金整體葉片盤及其制備方法。
背景技術(shù)
[0002]
壓氣機(jī)葉片盤是
渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零部件之一。近年來，為了達(dá)到降低發(fā)動(dòng)機(jī)整體重量的目的，提高推重比，大量的整體葉片盤被應(yīng)用到了壓氣機(jī)中，摒棄了原有的
榫槽連接方式，減少了零部件的數(shù)量和重量，使發(fā)動(dòng)機(jī)性能和可靠性大大提高，同時(shí)也使得葉片盤尤其是葉片尖部的
工作溫度不斷提高。美國NASA在民用航空推進(jìn)系統(tǒng)研究計(jì)劃中提出的高速運(yùn)輸機(jī)，其壓氣機(jī)出口溫度甚至超過了700℃。
[0003] 壓氣機(jī)葉片盤輪盤部位由于有冷卻通道，冷卻效果好，工作溫度較低，一般要求輪盤具有高的中低溫塑性、強(qiáng)度和低周疲勞性能。而葉片部位由于冷卻效果較差，承受長時(shí)間的高溫，熱疲勞，需要具有良好的高溫強(qiáng)度、高溫持久和高溫蠕變性能的材料。
[0004]
鈦合金具有
密度低、比強(qiáng)度高、屈強(qiáng)比高、耐蝕性及良好的高溫
力學(xué)性能。目前在整體葉片盤上應(yīng)用較多的TC4和TC11屬于α+β鈦合金，可以通
過熱處理調(diào)控顯微組織，力學(xué)性能變化范圍寬，但是高溫
穩(wěn)定性不足，TC11在500℃下允許的工作時(shí)間僅為500小時(shí)。TA15屬于單相α鈦合金，不僅有良好的室溫高溫力學(xué)性能，而且高溫穩(wěn)定性好，在500℃的情況下可以使用3000小時(shí)，是TC11的6倍。
[0005] 然而目前在壓氣機(jī)上使用的鈦合金高溫極限已經(jīng)到達(dá)
瓶頸幾乎無法再提高，γ-TiAl合金又存在有室溫塑性低、韌性差的缺點(diǎn)，鎳基
高溫合金的密度大、比強(qiáng)度低。這就需要尋找一種比強(qiáng)度高，室溫、高溫性能又好的替代材料。Ti2AlNb基合金在1988年被人們首次發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷了一系列的發(fā)展，目前被稱為第二代O相合金的Ti22Al25Nb、Ti22Al27Nb等Nb含量大于25％的Ti2AlNb基合金具有高的室溫
抗拉強(qiáng)度、高的高溫抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度、較好的室溫
斷裂韌性和抗裂紋擴(kuò)展能力、良好的抗蠕變性、中等抗
氧化性能以及低的
熱膨脹系數(shù)，使用溫度可達(dá)650℃～750℃。Ti2AlNb基合金已成為最有希望的未來航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)材料之一。但是合金中的Nb屬于重金屬元素，價(jià)格偏貴，Ti2AlNb的大量使用，必然提高制造成本。
[0006] 根據(jù)葉片盤各部位不同的服役環(huán)境以及對(duì)力學(xué)性能的要求，考慮到提高壓氣機(jī)性能并降低成本，葉片部位使用高溫性能優(yōu)異的Ti2AlNb基合金，其他部位使用相對(duì)便宜的鈦合金制造雙合金整體葉片盤。為了滿足整體葉片盤工作時(shí)不同部位使用環(huán)境及性能的要求，目前發(fā)展了結(jié)合熱加工
變形及
熱處理控制獲得雙性能鈦合金壓氣機(jī)盤的工藝，該工藝在實(shí)際生產(chǎn)中控制難度較大，效果不明顯，且不能提高鈦合金的使用溫度。另一種方法就是分別制造出葉片和葉盤部分，然后采用摩擦焊的方式將兩部分
焊接起來，但是葉盤、葉片形狀復(fù)雜，加工成本高，且焊接結(jié)合部位強(qiáng)度低，容易出現(xiàn)
缺陷。
[0007] 因此，發(fā)展由高強(qiáng)度鈦合金輪盤及Ti2AlNb合金葉片組成的雙合金
整體葉盤可滿足高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展需要，并進(jìn)一步提高材料結(jié)構(gòu)效率。
[0008] 綜上所述，為滿足未來高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展需要，研制一種能夠滿足性能要求同時(shí)造價(jià)低廉的雙合金整體葉片盤十分必要。
發(fā)明內(nèi)容
[0009] 針對(duì)
現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明提供了一種雙合金整體葉片盤及其制備方法，輪盤由室溫下具有高強(qiáng)度高塑性的材料制成，而葉片由高溫性能優(yōu)異的材料制成。
[0010] 一種雙合金整體葉片盤的制備方法，采用激光
熔化沉積的方法逐層堆積出整體葉片盤，葉盤和葉片分別為兩種不同牌號(hào)合金。
[0011] 葉盤
輪轂、
輪輻部位使用高強(qiáng)度鈦合金，葉片部位使用高溫性能較好的Ti2AlNb基合金，葉盤輪緣與葉片結(jié)合部位使用鈦合金與Ti2AlNb基合金的混合粉進(jìn)行過渡。
[0012] 所述鈦合金為TA15、TC4或TC11等牌號(hào)的高強(qiáng)度鈦合金。
[0013] 所述Ti2AlNb基合金為Ti22Al25Nb或Ti22Al27Nb等牌號(hào)的高Nb含量Ti2AlNb基合金。
[0014] 一種雙合金整體葉片盤的制備方法，該包括如下步驟：
[0015] (1)采用激光熔化沉積方法，將鈦合金粉末用同軸送粉方式送至熔池，逐層堆積出輪轂、輪輻；
[0016] (2)機(jī)械混粉方法制備鈦合金與Ti2AlNb基合金混合粉；
[0017] (3)使用步驟(2)中制備的混合粉通過激光熔化沉積方法逐層堆積輪緣后M層與葉片前N層，M、N分別為不小于1的整數(shù)，M、N可根據(jù)具體葉盤尺寸及要求確定；
[0018] (4)采用激光熔化沉積方法，通過同軸送粉方式逐層堆積出Ti2AlNb基合金葉片。
[0019] 所述步驟(1)、步驟(3)、步驟(4)中使用粉末為球形粉末，粉末粒度為90～325目。
[0020] 所述步驟(1)、步驟(3)、步驟(4)中使用惰性氣體保護(hù)，氧含量不大于10ppm。
[0021] 本發(fā)明的制備方法中，整體葉片盤的成型過程是通過CAD建立三維數(shù)學(xué)模型，然后轉(zhuǎn)化為數(shù)字
信號(hào)傳輸?shù)饺S數(shù)控運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，通過激光熔化沉積的方法逐層堆積材料制備出進(jìn)行成型的整體葉片盤。
[0022] 本發(fā)明的有益效果為：
[0023] 本發(fā)明方法所制備出的輪盤在常溫下具有較高的強(qiáng)度和塑性，葉片在高溫下具有良好的強(qiáng)度。由于使用激光熔化沉積方法，零件接近最終形態(tài)，加工量小，節(jié)約制造成本和生產(chǎn)周期。
附圖說明
[0024] 圖1為激光熔化沉積雙合金過渡區(qū)的內(nèi)部金相組織圖。
具體實(shí)施方式
[0025] 本發(fā)明提供了一種雙合金整體葉片盤及其制備方法，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0027] 采用激光熔化沉積方法在TA15鈦合金
基板上逐層沉積制備出TC11鈦合金和Ti2AlNb基合金(Ti22Al27Nb)的雙合金材料
[0028] 準(zhǔn)備一
塊200mm長、100mm寬、10mm厚的TA15鈦合金板，表面經(jīng)
砂紙打磨后用酒精擦拭干凈。稱取等
質(zhì)量的TC11和Ti22Al27Nb粉，在混料機(jī)中進(jìn)行機(jī)械混合，制備過渡區(qū)所用混合粉，然后將TC11鈦合金粉、Ti22Al27Nb粉、所制備混合粉分別進(jìn)行120℃下保溫2h的
真空干燥處理。將TA15鈦合金板固定在激光熔化沉積系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)
工作臺(tái)上，調(diào)整好
激光熔覆工作頭
位置，將TC11鈦合金粉、Ti22Al27Nb粉、所制備混合粉分別裝入送粉器的料筒內(nèi)，利用激光熔化同步輸送的TC11鈦合金粉末，在TA15鈦合金基板上逐層沉積制備出薄壁試樣，然后使用等質(zhì)量的TC11和Ti22Al27Nb混合粉，在已經(jīng)制備好的TC11薄壁試樣上沉積出過渡層，最后在薄壁試樣上沉積Ti22Al27Nb合金，制備TC11-Ti22Al27Nb雙合金薄壁試樣。通過
機(jī)械加工得到TC11-Ti22Al27Nb雙合金的拉伸試樣，并分別進(jìn)行室溫、750℃高溫靜載拉伸試驗(yàn)，比較激光熔化沉積方法制備的試樣與其他成形工藝的拉伸性能。沉積工藝為激光功率1.6kW，掃描速度4.0mm/s，光班直徑3.0mm，送粉速率5.0g/min，粉末粒度為45μm～160μm，氧含量不大于3ppm，過渡區(qū)域使用混合粉為等質(zhì)量的TC11和Ti22Al27Nb。室溫拉伸斷裂在Ti2AlNb基合金一側(cè)，750℃高溫下斷裂在TC11合金一側(cè)，說明界面具有良好的結(jié)合強(qiáng)度。
[0029] 實(shí)施例2
[0030] 采用激光熔化沉積方法在TA15鈦合金基板上逐層沉積制備出TA15鈦合金和Ti2AlNb基合金(Ti22Al25Nb)的雙合金材料。
[0031] 準(zhǔn)備一塊200mm長、100mm寬、10mm厚的TA15鈦合金板，表面經(jīng)砂紙打磨后用酒精擦拭干凈。稱取等質(zhì)量的TA15和Ti22Al25Nb粉，在混料機(jī)中進(jìn)行機(jī)械混合，制備過渡區(qū)所用混合粉，然后將TA15鈦合金粉、Ti22Al25Nb粉、所制備混合粉分別進(jìn)行120℃下保溫2h的真空干燥處理。將TA15鈦合金板固定在激光熔化沉積系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)上，調(diào)整好激光熔覆工作頭位置，將TA15鈦合金粉、Ti22Al25Nb粉、所制備混合粉分別裝入送粉器的料筒內(nèi)，利用激光熔化同步輸送的TA15鈦合金粉末，在TA15鈦合金基板上逐層沉積制備出薄壁試樣，然后使用等質(zhì)量的TA15和Ti22Al25Nb混合粉，在已經(jīng)制備好的TA15薄壁試樣上沉積出過渡層，最后在薄壁試樣上沉積Ti22Al25Nb合金，制備TA15-Ti22Al25Nb雙合金薄壁式樣。通過機(jī)械加工得到
載荷區(qū)分別為TA15、Ti2AlNb以及TA15-Ti2AlNb雙合金的拉伸試樣，并分別進(jìn)行室溫、750℃高溫靜載拉伸試驗(yàn)，比較激光熔化沉積方法制備的試樣與其他成形工藝的拉伸性能。沉積工藝為激光功率為1.6kW，掃描速度為4.0mm/s，光班直徑為3.0mm，送粉速率為5.0g/min，粉末粒度為45μm～160μm，氧含量不大于3ppm，過渡區(qū)使用混合粉為等質(zhì)量的TA15和Ti22Al25Nb。
[0032] 表1?不同工藝制造的合金性能對(duì)比數(shù)據(jù)表
[0033]
