CN101598139A

CN101598139A - 一种具有复合性能的钛合金整体叶片盘及其制造方法

Info

Publication number: CN101598139A
Application number: CNA2008101143420A
Authority: CN
Inventors: 张永忠; 石力开; 席明哲; 郭宏; 徐骏; 尹法章; 张习敏
Original assignee: Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Current assignee: Youyan metal composite technology Co.,Ltd.
Priority date: 2008-06-04
Filing date: 2008-06-04
Publication date: 2009-12-09
Anticipated expiration: 2028-06-04
Also published as: CN101598139B

Abstract

一种具有复合性能的钛合金整体叶片盘及其制造方法，该叶片盘的轮毂和轮辐的材料为钛合金；轮缘及叶片材料为钛基复合材料(或者整个轮盘材料为钛合金，叶片为钛基复合材料)；叶片叶尖部位还含有较高含量的Cr、V、Mo元素中的一种或几种，使得叶片叶尖部位具有耐温、耐磨和阻燃性能。采用激光熔化沉积同步输送的钛合金粉术及钛合金粉末与TiC、B₄C、Cr₃C₂中的一种或几种、Cr、V、Mo中的一种或几种颗粒的混合粉末，逐层堆积依次制备出轮毂和轮辐、轮缘及叶片，得到具有复合性能的近终形钛合金整体叶片盘。该叶片盘的轮盘与叶片为一整体，轮盘的轮毂和轮辐具有高的室温塑性、强度和低周疲劳性能，轮缘和叶片具有高的高温断裂韧性和蠕变抗力。

Description

一种具有复合性能的钛合金整体叶片盘及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种具有复合性能的钛合金整体叶片盘及其制造方法，属于金属基复合材料及其制造领域。

背景技术

钛合金具有密度低、比强度高、屈强比高、耐蚀性及良好的高温力学性能，在现代高推比航空发动机中用于制造压气机转子零件(压气机轮盘及叶片)，随着近年来整体叶片盘结构的采用(压气机轮盘与叶片为一整体，取消了原来的榫槽连接结构，使零件数量大大减少，整体重量明显减轻，同时由于整体叶片盘可以消除传统叶片、轮盘结构中气流在榫头与榫槽中逸流所造成的损失，使发动机工作效率增加，推重比得以提高)，航空发动机的性能得到显著提高，压气机的级数逐渐减少，压气机的工作温度不断提高(目前已达到600℃)，同时钛合金整体叶片盘的制造成本非常高(通常由钛合金锻坯通过五轴数控铣或电解加工而成，或者分别加工出盘和叶片，然后通过电子束焊或摩擦焊连接成一体)，因此对钛合金整体叶片盘的各方面性能提出了更高的要求。

钛合金整体叶片盘在使用过程中盘缘和盘芯存在较大的温度梯度和应力梯度，一般要求盘芯具有高的室温塑性、强度和低周疲劳性能，而盘缘要求具有高的高温断裂韧性和蠕变抗力，为解决盘芯与盘缘的性能差异，发展了结合热加工变形及热处理控制获得双性能钛合金压气机盘的工艺(轮缘具有网篮状组织，轮辐、轮毂具有等轴细晶组织，见姚泽坤等人撰写的文章“双性能钛合金压气机盘的成形机理”，发表于“中国有色金属学报”，2000年，第10卷第3期，378-382页)，该工艺在实际生产中控制难度较大，效果不明显，且不能提高钛合金的使用温度。

为满足更高工作温度的要求，美国、英国、俄罗斯、中国等先后研制成功最高使用温度在600℃左右的高温钛合金，如Ti1100、IMI834、BT36、Ti600等。为进一步提高钛合金的使用温度，各国正在加紧研制Ti₃Al、TiAl合金及钛基复合材料(见赵永庆撰写的文章“高温钛合金的研究”，发表于“钛工业进展”，2001年，第1期，33-39页)。钛基复合材料通过在钛合金基体中加入一定量的纤维或颗粒，可以获得更高的比模量、比强度、高温蠕变性能及疲劳和磨损抗力，显著提高结构效率，是未来650℃及更高温度下使用的关键材料。连续纤维增强钛基复合材料主要是以碳化硅纤维作为增强体，虽可以显著提高机械性能，但因连续纤维价格昂贵、制造工艺复杂、材料各向异性等原因，导致其成本很高、技术难度大，限制了其广泛使用。而颗粒增强钛基复合材料具有各向同性、易加工、成本相对降低等特点，正引起了人们的广泛关注。近年来，日本、美国的研究者采用粉末冶金结合原位反应制备出低成本、高性能的颗粒增强钛基复合材料，并在应用上取得重要突破。我国也正在加紧研制650℃下能长期使用的TiC颗粒增强的TP650钛基复合材料。传统方法在制备颗粒增强钛基复合材料时同样存在工艺复杂、增强体颗粒大、分布均匀性差、界面反应、界面结合强度低及零件成形加工困难等缺点，也无法实现具有不同性能材料在同一零件上的集成。

另外，由于钛合金存在硬度低、耐磨性差、摩擦系数大且不稳定等缺点，同时在设计先进发动机时，为达到最高效率，尽可能减小钛叶片和钛机匣之间的间隙，但过小间隙会使钛摩擦着火的可能性增大，俗称“钛火”，这些也限制了钛合金更广泛的应用。针对钛合金耐磨性差的问题，发展了多种钛合金的表面改性技术，早期的技术主要包括电镀、热扩散、热氧化、PVD、CVD等传统表面技术，近年来，随着新技术的不断出现，微弧氧化、等离子喷涂、超音速喷涂、离子注入、电子束沉积、激光氮化、双层辉光离子渗等现代表面技术，以及结合多种表面技术和膜层结构设计的新技术均应用到钛合金表面改性中，这些技术在改善钛合金的摩擦磨损性能方面取得了显著效果，但是，将这些表面技术在应用到承受冲击振动载荷、热疲劳环境时，普遍存在着或涂覆层薄，或抗冲击性能差，或与基体材料结合弱等缺点。针对钛合金的“钛火”问题，一是发展阻燃钛合金，如美国研制的Ti-V-Cr系AlloyC阻燃钛合金，俄罗斯研制的Ti-Cu-Al系BTT-1、BTT-3合金，Ti-V-Cr系合金具有良好的阻燃性能和力学性能，但由于含大量昂贵的V元素并且可锻性较差而导致成本很高，Ti-Cu-Al系存在综合力学性能较差，工作温度较低的问题，目前的主要发展趋势是研制低成本的Ti-V-Cr系阻燃钛合金(见雷力明等撰写的文章“阻燃钛合金的研究和发展”，发表于“材料导报”，2003年，第17卷第5期，21-23页)；二是发展阻燃合金层，有研究采用双层辉光等离子渗技术，在钛合金表面渗Cr、Cu，形成阻燃合金层，但该技术存在高温处理时间长、渗层薄、影响基体力学性能等问题(见张平则等撰写的文章“Ti-6Al-4V表面双层辉光离子渗Cr研究”，发表于“兵器材料科学与工程”，2005年，第28卷第1期，17-20页)。

钛合金压气机的工作条件恶劣，叶片经常因外物损伤而造成凹坑、掉块、裂纹、折断等，以及叶片叶尖的磨损超差等，影响发动机的性能和使用可靠性，必须及时加以处理解决，而钛合金整体叶片盘的受损叶片很难通过更换叶片来实现，且整体叶盘的材料及制造成本非常昂贵，因此需要考虑受损整体叶片盘的高质量再制造修复问题。

综上所述，为满足未来高性能航空发动机的发展需要，研制具有复合性能的钛合金整体叶片盘十分必要，而已有技术很难实现，即同时实现盘芯具有高的室温塑性、强度和低周疲劳性能，盘缘要求具有高的高温断裂韧性和蠕变抗力，压气机轮盘与叶片为一整体，叶片及叶尖部位具有耐温、耐磨和阻燃性能，以及受损钛合金整体叶片盘的高质量修复。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有复合性能的钛合金整体叶片盘，该叶片盘的轮盘与叶片为一整体，轮盘的轮毂和轮辐具有高的室温塑性、强度和低周疲劳性能，轮缘和叶片具有高的高温断裂韧性和蠕变抗力。

本发明另一个目的是提供一种制备具有复合性能钛合金整体叶片盘的方法。

本发明的再一个目的是提供一种受损钛合金整体叶片盘的修复方法。

本发明的目的是通过以下技术方案达到的：

一种具有复合性能的钛合金整体叶片盘，该叶片盘的轮盘与叶片为一整体，轮盘的轮毂、轮辐、轮缘和叶片由不同材料组成，其中，轮毂和轮辐由钛合金组成，轮缘和叶片均由钛基复合材料组成。

在本发明的具有复合性能的钛合金整体叶片盘中，所述的钛基复合材料含有钛或钛合金基体与原位反应生成的TiC和/或TiB增强相，增强相的体积含量为5-40％。

在本发明的具有复合性能的钛合金整体叶片盘中，所述的叶片的叶尖部位的钛基复合材料中含有Cr、V、Mo中的一种或几种添加元素，其中，所述的添加元素相对于钛基复合材料的重量百分比为20-40％；所述的叶尖部位的长度是叶片长度的1/20到1/10。

在本发明的具有复合性能的钛合金整体叶片盘中，所述的轮毂和轮辐是由TC4、TA11、TA15、TC11或TC17牌号的钛合金组成。

在本发明的具有复合性能的钛合金整体叶片盘中，所述的钛基复合材料中的钛合金基体均是由以TC4、TA11、TA15、TC11或TC17牌号的钛合金为基体。

在本发明的具有复合性能的钛合金整体叶片盘中，所述的轮辐与轮缘之间的材料改变为两阶梯式的改变或多阶梯式的改变，多阶梯式的改变是以钛或钛合金为基体中的原位自生TiC和/或TiB颗粒阶梯式增多。

本发明的具有复合性能的钛合金整体叶片盘的另一种方式是，该叶片盘的轮盘与叶片为一整体，轮盘和叶片由不同材料组成，其中，轮盘由钛合金组成，叶片由钛基复合材料组成。

在上述的具有复合性能的钛合金整体叶片盘中，组成轮盘的钛合金为TC4、TA11、TA15、TC11或TC17牌号的钛合金；组成叶片的钛基复合材料是由钛或钛合金基体与原位反应生成的TiC和/或TiB增强相组成，增强相的体积含量为5-40％，其中，钛合金基体均是由以TC4、TA11、TA15、TC11或TC17牌号的钛合金为基体。

本发明的具有复合性能的钛合金整体叶片盘，该叶片盘的轮毂和轮辐的材料为钛合金；轮缘及叶片材料为钛基复合材料(或者整个轮盘材料为钛合金，叶片为钛基复合材料)；叶片叶尖部位还含有较高含量的Cr、V、Mo元素中的一种或几种，使得叶片叶尖部位具有耐温、耐磨和阻燃性能。钛合金与钛基复合材料之间的成分过渡可以是两阶梯式直接过渡，也可以是多阶梯式逐步渐变过渡。

上述钛合金为具有良好综合性能和一定耐温性能的钛合金，如TC4、TA11、TA15、TC11、TC17等牌号的钛合金，钛基复合材料为以上述牌号的钛合金为基体，原位自生TiC和/或TiB等颗粒增强的钛基复合材料，所制备钛基复合材料具有更高的高温断裂韧性和蠕变抗力，叶片叶尖部位含有较高含量的Cr、V、Mo元素中的一种或几种，能提高其阻燃性能。

本发明的具有复合性能的钛合金整体叶片盘，各部位的主体材料均为钛合金，在需要承受更高温度的部位为原位自生颗粒增强钛基复合材料，在需要阻燃性能的部位为含有较高Cr、V、Mo元素中的一种或几种的钛基复合材料，保证了不同部位材料的相容性。

一种制备具有复合性能的钛合金整体叶片盘的方法，该方法包括下述步骤：

(1)、采用激光熔化沉积方法，将钛合金粉末用激光逐层熔化堆积而制备成轮毂和轮辐，或采用现成的钛合金盘状基体作为轮毂和轮辐；

(2)、将钛或钛合金粉末，与Cr₃C₂粉末、TiC粉末和B₄C粉末中的一种或几种预先混合，其中，单独添加TiC粉末的体积含量为混合粉末的5-40％，单独添加Cr₃C₂粉末的体积含量为5.6-47.5％，单独添加B₄C粉末的体积含量为1.8-11.6％；

(3)、采用激光熔化沉积方法，将步骤(2)中得到的预先混合的粉末用激光逐层熔化堆积在步骤(1)中得到的轮辐上制备轮缘和叶片，以制成具有复合性能的钛合金整体叶片盘。

按照上述的制备方法制备复合性能的钛合金整体叶片盘，其中，轮毂和轮辐由钛合金组成，轮缘和叶片均由钛基复合材料组成。如要使得叶片叶尖部位具有耐温、耐磨和阻燃性能，该方法还包括下述步骤：

(2)’、将钛或钛合金粉末，与Cr₃C₂粉末、TiC粉末和B₄C粉末中的一种或几种，及Cr粉末、V粉末和Mo粉末中的一种或几种预先混合；其中，Cr₃C₂粉末、TiC粉末和B₄C粉末中的一种或几种的添加量根据各自的原位反应，使得生成的TiC和/或TiB增强相在钛基复合材料的总体积含量为5-40％；所述的Cr、V、Mo中的一种或几种相对于上述钛基复合材料的重量百分比为20-40％；

并在所述步骤(3)中，在将步骤(2)中得到的预先混合的粉末用激光逐层熔化堆积制备叶片过程中，在形成叶片长度的19/20到9/10时，再采用激光熔化沉积方法，将步骤(2)’中得到的预先混合的粉末用激光逐层熔化堆积在叶片上，制备出叶尖，以制成具有复合性能的钛合金整体叶片盘。

这样，在所制备复合性能的钛合金整体叶片盘中，轮毂和轮辐由钛合金组成，轮缘和叶片均由钛基复合材料组成，并且，叶片叶尖部位含有较高含量的Cr、V、Mo元素中的一种或几种，能提高其阻燃性能。

在本发明的制备具有复合性能的钛合金整体叶片盘的方法中，所述的步骤(1)、步骤(2)、步骤(2)’中所使用的钛及钛合金粉末均为球形粉末，粉末粒度为50～150μm。

在本发明的制备具有复合性能的钛合金整体叶片盘的方法中，所述的步骤(2)、步骤(2)’中所使用的TiC粉末、B₄C粉末及Cr₃C₂粉末均为多角形颗粒，粒度为38～100μm。

在本发明的制备具有复合性能的钛合金整体叶片盘的方法中，所述的步骤(2)’中所使用的Cr粉末、V粉末和Mo粉末形状均为球形或多角形，粒度为50～100μm。

在本发明的制备具有复合性能的钛合金整体叶片盘的方法中，所述的步骤(1)、步骤(3)中，激光熔化沉积过程是保护气中进行。

在本发明的制备具有复合性能的钛合金整体叶片盘的方法中，采用激光熔化沉积同步输送的钛合金粉末及钛合金粉末与TiC、B₄C、Cr₃C₂中的一种或几种、Cr、V、Mo中的一种或几种颗粒的混合粉末，逐层堆积依次制备出轮毂和轮辐、轮缘及叶片，或者在已加工好的钛合金叶片盘的轮毂和轮辐上依次制备出钛基复合材料轮缘、叶片，或者在已加工好的叶片盘的轮毂和轮辐及轮缘上直接制备钛基复合材料叶片，得到具有复合性能的近终形钛合金整体叶片盘。该钛合金整体叶片盘不同部位的材料组成由激光熔化沉积时所输送的粉末组成来控制。

本发明制备的钛基复合材料轮缘及叶片是通过激光熔池中Ti与B₄C、Cr₃C₂等在高温下发生反应，在钛合金基体中形成原位自生的TiC或TiB等颗粒增强相而得到，所得到的原位自生增强体颗粒具有生成颗粒尺寸细小、热力学稳定、界面无污染、与基体结合强度高等特点。

在本发明的制备具有复合性能的钛合金整体叶片盘的方法中，整体叶片盘的成形过程是通过激光熔化沉积方法逐层堆积材料来实现，整体叶片盘的形状由零件CAD模型经数据处理后生成的激光熔化沉积运动轨迹控制，最终得到近终形、留有一定加工余量的具有复合性能的钛合金整体叶片盘。

本发明的一种受损钛合金整体叶片盘的修复方法，首先根据钛合金整体叶片盘的受损情况，对受损部位及附近区域进行清理，然后比照原始零件的尺寸图建立需要修复区域的CAD模型，再通过激光熔化沉积相应的材料实现对受损整体叶片盘的修复，所沉积的材料与零件为完全冶金结合，修复区材料的性能与零件主体相当。

在本发明中，为防止激光沉积成形时材料的氧化，激光沉积成形需在保护气氛箱中进行。

本发明的有益效果：

本发明针对上述钛合金整体叶片盘制造及使用中存在的问题，提出采用高功率激光熔化同步输送的钛合金粉末及钛合金粉末与TiC、B₄C、Cr₃C₂中的一种或几种、Cr、V、Mo中的一种或几种颗粒的混合粉末，逐层堆积依次制备出轮毂和轮辐、轮缘及叶片，所制备整体叶片盘的形状由零件CAD模型经数据处理后生成的激光熔化沉积运动轨迹控制，最终得到近终形、留有一定加工余量的具有复合性能的钛合金整体叶片盘，或者在钛合金整体叶片盘的受损部位激光熔化堆积钛合金粉末及钛合金粉末与TiC、B₄C、Cr₃C₂中的一种或几种、Cr、V、Mo中的一种或几种颗粒的混合粉末，实现高质量修复。

本发明利用激光逐层熔化堆积材料直接制备出具有复合性能的近终形钛合金整体叶片盘，无需传统加工方法的多步热加工过程，显著减少加工量，提高材料的利用率和结构效率；本发明通过激光熔化沉积制备的钛合金盘芯具有与传统加工方法相当的综合力学性能，所制备的钛合金整体叶片盘的轮盘的轮毂和轮辐具有高的室温塑性、强度和低周疲劳性能；所制备的原位自生颗粒增强的钛基复合材料轮缘及叶片具有更高的高温性能和使用温度，具有高的高温断裂韧性和蠕变抗力；叶片叶尖具有耐磨、耐温及阻燃性能。

下面通过附图和实施例对本发明进行详细说明。应该理解的是，所述的实施例仅仅涉及本发明的优选实施方案，在不脱离本发明的精神和范围情况下，各种成分及含量的变化和改进都是可能的。

附图说明

图1为本发明实施例1在TC4钛合金基板上激光熔化沉积TC4钛合金粉末的组织。

图2为本发明实施例2在TA15钛合金基板上激光熔化沉积TA15钛合金粉末的组织。

图3为本发明实施例3在TC4钛合金基板上激光熔化沉积TC4+Cr₃C₂获得原位TiC增强钛基复合材料的组织及XRD分析结果。

图4为本发明实施例4在TC4钛合金基板上激光熔化沉积Ti+B₄C制备原位TiC、TiB增强钛基复合材料的组织及界面结合情况。

图5为本发明实施例5在TA15钛合金基板上激光熔化沉积TA15+TiC制备原位TiC增强钛基复合材料的组织。

图6为本发明实施例6在TC4钛合金基板上激光熔化沉积Ti→Ti+40％TiC梯度复合材料的形貌及不同部位的组织。

图7为本发明实施例7在TC4钛合金基板上激光熔化沉积Ti-60wt％Cr材料的组织及XRD分析结果。

图8为本发明实施例8在TC4钛合金基板上激光熔化沉积(Ti-20wt.％Cr)-20wt.％Cr₃C₂复合材料的组织。

图9为本发明的复合性能的钛合金整体叶片盘的示意图。

具体实施方式

一种具有复合性能的钛合金整体叶片盘如图9所示，该钛合金整体叶片盘的轮盘与叶片为一整体，轮盘是由轮毂1、轮辐2和轮缘3组成，在轮缘3上直立若干个均匀分布的叶片4，叶片4的顶部为叶片的叶尖部位5。其中，轮毂1和轮辐2由钛合金组成，轮缘3和叶片4均由钛基复合材料组成，并且叶尖部位5的钛基复合材料中含有Cr、V、Mo中的一种或几种添加元素。

在下述实施例中，激光熔化沉积过程均是在保护气中进行，保护气氛为高纯氩气(纯度大于99.995％)。

实施例1：采用激光熔化沉积方法在TC4钛合金基板上激光熔化沉积制备TC4钛合金材料。

利用激光熔化同步输送的TC4钛合金粉末，在TC4钛合金基板上逐层沉积制备出薄壁样品，通过机械加工得到拉伸试样，进行室温静载拉伸试验，测试结果如表一所示，表一中同时给出了其他成形工艺的拉伸力学性能，可见，激光沉积成形的TC4钛合金力学性能与锻造退火态相当。激光熔化沉积所用激光功率2.0kW，扫描速度5.0mm/s，光班直径3.0mm，送粉速率4.5g/min，粉末粒度为50～150μm。图1为激光熔化沉积TC4钛合金的内部组织照片。

表一激光沉积成形TC4钛合金的拉伸力学性能与其他工艺拉伸力学性能比较

采用实施例1的激光熔化沉积方法，可以将TC4钛合金粉末用激光逐层熔化堆积而制备成叶片盘的轮毂和轮辐。

实施例2：采用激光熔化沉积方法在TA15钛合金基板上激光熔化沉积制备TA15钛合金材料

利用激光熔化同步输送的TA15钛合金粉末，在TA15钛合金基板上逐层沉积制备出薄壁样品，通过机械加工得到拉伸试样，进行室温静载拉伸试验，测试结果如表二所示，表二中同时给出了其他成形工艺的拉伸力学性能，可见，激光沉积成形的TA15钛合金力学性能与锻造退火态相当。激光熔化沉积所用激光功率2.5kW，扫描速度5.0mm/s，光班直径3.0mm，送粉速率5.0g/min，粉末粒度为50～105μm。图2为激光熔化沉积TA15钛合金的内部组织照片。

表二激光沉积成形TA15钛合金的拉伸力学性能与其他工艺拉伸力学性能比较

采用实施例2的激光熔化沉积方法，可以将TA15钛合金粉末用激光逐层熔化堆积而制备成叶片盘的轮毂和轮辐。

实施例3：采用激光熔化沉积方法在TC4钛合金基板上激光熔化沉积TC4+Cr₃C₂获得原位TiC增强钛基复合材料。

将90wt％的TC4粉末和10wt％的Cr₃C₂粉末预先混合；通过激光熔化沉积方法将预先混合的TC4+10wt％Cr₃C₂粉末用激光逐层熔化堆积在TC4钛合金基板表面制备出原位TiC增强的钛基复合材料，反应过程为2Ti+Cr₃C₂＝3Cr+2TiC，所用激光功率3.0kW，光斑直径3.0mm，扫描速度4.0-6.0mm/s，送粉速率4.2g/min，TC4钛合金的粉末粒度为50～105μm，Cr₃C₂的粉末粒度为45～75μm。所制备钛基复合材料的硬度为HRC 47-49。激光熔化沉积TC4+10wt％Cr₃C₂得到原位TiC增强钛基复合材料的组织分析结果见图3a及XRD分析结果见图3b。

在实施例3中，90wt％的TC4粉末和10wt％的Cr₃C₂粉末混合，得到的原位TiC增强相的体积含量是6.1％。

采用实施例3的激光熔化沉积方法，可以将TC4+10wt％Cr₃C₂的混合的粉末用激光逐层熔化堆积在材料为TC4钛合金的轮辐上制备轮缘和叶片。

实施例4：采用激光熔化沉积方法在TC4钛合金基板上激光熔化沉积Ti+B₄C制备原位TiC、TiB增强钛基复合材料。

将95vol％的Ti粉末和5vol％的B₄C粉末预先混合；通过激光熔化沉积方法将预先混合的Ti+5vol％B₄C粉末用激光逐层熔化堆积在TC4钛合金基板表面制备出原位TiC、TiB增强的钛基复合材料，反应过程为5Ti+B₄C＝TiC+4TiB、3Ti+B₄C＝TiC+2TiB₂、Ti+TiB₂＝2TiB。所用激光功率2.5kW，光斑直径3.0mm，扫描速度4.0mm/s，送粉速率4.7g/min，Ti粉的粉末粒度为75～150μm，B₄C的粉末粒度为38～75μm。所制备钛基复合材料的硬度为HRC46。图4为激光熔化沉积Ti+5vol％B₄C得到原位TiC、TiB增强钛基复合材料的组织(图4a)及界面结合情况(图4b)。

在实施例4中，95vol％的Ti粉末和5vol％的B₄C粉末混合，得到的原位TiC、TiB增强相的体积含量是14.6％。

采用实施例4的激光熔化沉积方法，可以将Ti+5vol％B₄C的混合的粉末用激光逐层熔化堆积在材料为TC4钛合金的轮辐上制备轮缘和叶片。

实施例5：采用激光熔化沉积方法在TA15钛合金基板上激光熔化沉积TA15+TiC制备TiC增强钛基复合材料。

将80vol％的TA15粉末和20vol％的TiC粉末预先混合；通过激光熔化沉积方法将预先混合的TA15+20vol％TiC粉末用激光逐层熔化堆积在TA15钛合金基板表面制备出原位TiC增强的钛基复合材料，沉积时外加的TiC发生溶解，在冷却过程中重新析出细小的TiC颗粒及断续枝晶。所用激光功率3.0kW，光斑直径3.0mm，扫描速度3.0-7.0mm/s，送粉速率4.5g/min，TA15钛合金的粉末粒度为75～150μm，TiC颗粒的粒度为45～75μm。所制备钛基复合材料的硬度为HRC 47-49。激光熔化沉积TA15+20vol％TiC的组织见图5。

在实施例5中，80vol％的TA15粉末和20vol％的TiC粉末混合，得到的TiC增强相的体积含量是20％。

采用实施例5的激光熔化沉积方法，可以将TA15+20vol％TiC的混合的粉末用激光逐层熔化堆积在材料为TA15钛合金的轮辐上制备轮缘和叶片。

实施例6：采用激光熔化沉积方法在TC₄钛合金基板上激光熔化沉积Ti→Ti+40vol％TiC梯度复合材料。

将95vol、90vol％、85vol％、80vol％、75vol％、70vol％、65vol％、60vol％的Ti粉末分别和5vol、10vol％、15vol％、20vol％、25vol％、30vol％、35vol％、40vol％的TiC粉末预先混合，得到八种混合粉末：Ti-5vol％TiC、Ti-10vol％TiC、Ti-15vol％TiC、Ti-20vol％TiC、Ti-25vol％TiC、Ti-30vol％TiC、Ti-35vol％TiC、Ti-40vol％TiC。利用激光熔化沉积同步输送的Ti及TiC粉末，在TC4钛合金基板上逐层熔化堆积制备出Ti到Ti-40vol％TiC的梯度复合材料薄壁。从开始到20层只输送纯钛粉，随后每4层增加5vol％TiC，直至Ti-40vol％TiC，在改变成份时保持总的送粉速率在3.1-3.2g/min，共沉积52层，所制备的薄壁高21mm。所用激光功率1.6-1.8kW，光斑直径3.0mm，扫描速度3.0-4.0mm/s，Ti的粉末粒度为75～150μm，TiC颗粒的粒度为45～100μm。图6为激光熔化沉积Ti→Ti+40％TiC梯度复合材料的宏观形貌及不同部位的组织，其中，图6中a为Ti，b为Ti+5％TiC，c为Ti+10％TiC，d为Ti+20％TiC，e为Ti+30％TiC，f为Ti+40％TiC，其他比例的照片未给出。由于所采用的TiC颗粒较粗、激光功率较低，所制备的梯度复合材料中存在较多的未完全溶解的TiC颗粒。

在实施例6中，95vol、90vol％、85vol％、80vol％、75vol％、70vol％、65vol％、60vol％的Ti粉末分别和5vol、10vol％、15vol％、20vol％、25vol％、30vol％、35vol％、40vol％的TiC粉末混合，得到的增强相的体积含量各是5vol、10vol％、15vol％、20vol％、25vol％、30vol％、35vol％、40vol％。

采用实施例6的激光熔化沉积方法，可以将Ti-5vol％TiC、Ti-10vol％TiC、Ti-15vol％TiC、Ti-20vol％TiC、Ti-25vol％TiC、Ti-30vol％TiC、Ti-35vol％TiC、Ti-40vol％TiC的混合的粉末用激光逐层熔化堆积(每4层增加5vol％TiC)，在材料为TC4钛合金的轮辐上制备轮缘和叶片，得到的轮缘和叶片的材料为TiC颗粒按梯度增加的复合材料。

实施例7：采用激光熔化沉积方法在TC4钛合金基板上激光熔化沉积Ti-60wt％Cr材料。

将40wt％的Ti粉末和60wt％的Cr粉末预先混合；通过激光熔化沉积将预先混合的Ti-60wt％Cr粉末用激光逐层熔化堆积在TC4钛合金基板上逐层熔化堆积制备出Ti-60wt％Cr材料。沉积时Ti与Cr同时熔化，在凝固过程中形成大量的TiCr₂相及少量的Ti、Cr固溶体，所用激光功率1.2kW，光斑直径1.6mm，扫描速度3.0mm/s，送粉速率3.1g/min，Ti的粉末粒度为100～125μm，Cr粉的粒度为50～75μm。图7为激光熔化沉积Ti-60wt％Cr材料的组织(图7a)及XRD分析结果(图7b)。

采用实施例7的激光熔化沉积方法，可以将Ti-60wt％Cr的混合粉末用激光逐层熔化堆积制备叶尖部位，提高钛合金的阻燃性能。

实施例8：采用激光熔化沉积方法在TC4钛合金基板上激光熔化沉积(Ti-20wt.％Cr)-20wt.％Cr₃C₂复合材料。

利用激光熔池中Ti与Cr₃C₂原位反应生成弥散分布的TiC颗粒，同时加入Cr粉提高沉积材料的Cr含量，其中，Cr粉末和Ti粉末分别为20wt.％、80wt.％；Cr₃C₂粉末相对于Cr粉末和Ti粉末总重量的20wt.％。通过激光熔化沉积预先混合的(Ti-20wt.％Cr)-20wt.％Cr₃C₂粉末在TC4钛合金表面制备出钛基复合材料。沉积所用激光功率1.2kW，光斑直径1.6mm，扫描速度2.5mm/s，送粉速率3.3g/min，Ti的粉末粒度为100～125μm，Cr粉及Cr₃C₂粉的粒度为45～75μm。图8为激光熔覆沉积预先混合(Ti-20wt.％Cr)-20wt.％Cr₃C₂的组织，图中标记A处的平均成份为Ti91.8Cr8.2(at.％)，说明树枝状组织为TiC，标记B处的平均成份为Ti25.1Cr74.9(at.％)，其成份与TiCr₂十分相近。可以看出在沉积时所加的Cr₃C₂全部发生分解，与钛基体反应原位生成了树枝状TiC，沉积得到的钛基复合材料主要由TiC和成份与TiCr₂相近的相组成，其硬度达HV_0.5795。

在实施例8中，Cr粉末和Ti粉末分别为20wt.％、80wt.％，同时加入Cr₃C₂粉末相对于Cr粉末和Ti粉末总重量的20wt.％混合，得到的TiC增强相的体积含量是14.7％。

采用实施例8的激光熔化沉积方法，可以通过激光熔化沉积预先混合的(Ti-20wt.％Cr)-20wt.％Cr₃C₂在TC4钛合金表面制备出钛基复合材料作为叶片的叶尖部位。

Claims

1.一种具有复合性能的钛合金整体叶片盘，其特征在于：该叶片盘的轮盘与叶片为一整体，轮盘的轮毂、轮辐、轮缘和叶片由不同材料组成，其中，轮毂和轮辐由钛合金组成，轮缘和叶片均由钛基复合材料组成。

2.根据权利要求1所述的具有复合性能的钛合金整体叶片盘，其特征在于：所述的钛基复合材料含有钛或钛合金基体与原位反应生成的TiC和/或TiB增强相，增强相的体积含量为5-40％。

3.根据权利要求2所述的具有复合性能的钛合金整体叶片盘，其特征在于：所述的叶片的叶尖部位的钛基复合材料中含有Cr、V、Mo中的一种或几种添加元素，其中，所述的添加元素相对于钛基复合材料的重量百分比为20-40％；所述的叶尖部位的长度是叶片长度的1/20到1/10。

4.根据权利要求1-3中的任意一项所述的具有复合性能的钛合金整体叶片盘，其特征在于：所述的轮毂和轮辐是由TC4、TA11、TA15、TC11或TC17牌号的钛合金组成。

5.根据权利要求4所述的具有复合性能的钛合金整体叶片盘，其特征在于：所述的钛基复合材料中的钛合金基体均是由以TC4、TA11、TA15、TC11或TC17牌号的钛合金为基体。

6.根据权利要求2所述的具有复合性能的钛合金整体叶片盘，其特征在于：所述的轮辐与轮缘之间的材料改变为两阶梯式的改变或多阶梯式的改变，多阶梯式的改变是以钛或钛合金为基体中的原位自生TiC和/或TiB颗粒阶梯式增多。

7.一种具有复合性能的钛合金整体叶片盘，其特征在于：该叶片盘的轮盘与叶片为一整体，轮盘和叶片由不同材料组成，其中，轮盘由钛合金组成，叶片由钛基复合材料组成。

8.根据权利要求7所述的具有复合性能的钛合金整体叶片盘，其特征在于：组成轮盘的钛合金为TC4、TA11、TA15、TC11或TC17牌号的钛合金；组成叶片的钛基复合材料是由钛或钛合金基体与原位反应生成的TiC和/或TiB增强相组成，增强相的体积含量为5-40％，其中，钛合金基体均是由以TC4、TA11、TA15、TC11或TC17牌号的钛合金为基体。

9.一种制备具有复合性能的钛合金整体叶片盘的方法，其特征在于：该方法包括下述步骤：

10.根据权利要求9所述的制备具有复合性能的钛合金整体叶片盘的方法，其特征在于：该方法还包括下述步骤：

11.根据权利要求10所述的制备具有复合性能的钛合金整体叶片盘的方法，其特征在于：所述的步骤(1)、步骤(2)、步骤(2)’中所使用的钛及钛合金粉末均为球形粉末，粉末粒度为50～150μm。

12.根据权利要求10所述的制备具有复合性能的钛合金整体叶片盘的方法，其特征在于：所述的步骤(2)、步骤(2)’中所使用的TiC粉末、B₄C粉末及Cr₃C₂粉末均为多角形颗粒，粒度为38～100μm。

13.根据权利要求10所述的制备具有复合性能的钛合金整体叶片盘的方法，其特征在于：所述的步骤(2)’中所使用的Cr粉末、V粉末和Mo粉末形状均为球形或多角形，粒度为50～100μm。

14.根据权利要求10所述的制备具有复合性能的钛合金整体叶片盘的方法，其特征在于：所述的步骤(1)、步骤(3)中，激光熔化沉积过程是保护气中进行。

15.一种受损具有复合性能的钛合金整体叶片盘的修复方法，其特征在于：受损的钛合金整体叶片盘的轮盘与叶片为一整体，该轮盘的轮毂、轮辐、轮缘和叶片由不同材料组成，其中，轮毂和轮辐由钛合金组成，轮缘和叶片均由钛基复合材料组成；在修复过程中，首先根据钛合金整体叶片盘的受损情况，对受损部位及附近区域进行清理，然后比照原始钛合金整体叶片盘的尺寸图建立需要修复区域的CAD模型，再通过激光熔化沉积相应的材料实现对受损整体叶片盘的修复，所沉积的材料与受损的钛合金整体叶片盘为完全冶金结合。