CN110695360B - 一种制备功能梯度高温合金涡轮盘的方法 - Google Patents

一种制备功能梯度高温合金涡轮盘的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种制备功能梯度高温合金涡轮盘的方法,包括:步骤1、制作用于装填合金粉末的涡轮盘包套;步骤2、将合金粉末装入包套,随后进行加热、振实和抽真空除气;步骤3、对包套进行封焊,然后将包套置于热等静压机中压制至全致密,得到涡轮盘毛坯;步骤4、对步骤3中压制完成后的涡轮盘毛坯进行机加工,去除双组织分界线以内的包套;步骤5、对经过步骤4机加工后带有包套的涡轮盘毛坯进行固溶处理和时效处理,得到功能梯度涡轮盘。通过设置包套获得功能梯度涡轮盘,成本低廉,操作简单方便。

Description

一种制备功能梯度高温合金涡轮盘的方法
技术领域
本发明属于合金材料加工技术领域,涉及一种制备功能梯度高温合金涡轮盘的方法。
背景技术
涡轮盘是航空发动机热端的关键部件之一,通常在550~850℃工作,随着航空发动机推重比的提高,对合金材料的承温能力和性能稳定性提出了更高的要求。航空发动机用涡轮盘盘心部位工作温度低,但要受到涡轮轴的扭转作用,需要足够的拉伸强度和疲劳抗力;盘缘部位接近高温气体通道,承受的工作温度高,所以需要保证足够的持久和蠕变性能,这就要求涡轮盘件的不同区域具有不同的显微组织,以获得相应的力学性能。
双组织双性能的功能梯度涡轮盘制备主要采用控制晶粒生长的方法,通过设计复杂的绝热装置,控制热处理过程中涡轮盘不同部位的固溶温度,使盘缘获得粗晶粒,轮心获得细晶粒,这些方法见美国专利US4820358,US5312497。俄罗斯通过设计复杂的包套和装粉装置,使盘缘和盘心装入不同粒度和不同牌号的高温合金粉末,获得双组织双性能的功能梯度涡轮盘,见俄罗斯专利RU2455115。这些方法的实施过程复杂,成本高,不利于成批生产。
发明内容
本发明提供一种制备功能梯度高温合金涡轮盘的方法,通过设置包套,对涡轮盘毛坯进行固溶处理,得到具有功能梯度的涡轮盘。
为实现上述目的,本发明所采用的技术方案是,一种制备功能梯度高温合金涡轮盘的方法,具体按照以下步骤实施:
步骤1、制作用于装填合金粉末的涡轮盘包套;
步骤2、将合金粉末装入包套,随后进行加热、振实和抽真空除气;
步骤3、对包套进行封焊,然后将包套置于热等静压机中压制至全致密,得到涡轮盘毛坯;
步骤4、对步骤3中压制完成后的涡轮盘毛坯进行机加工,去除双组织分界线以内的包套;
步骤5、对经过步骤4机加工后带有包套的涡轮盘毛坯进行固溶处理和时效处理,得到功能梯度涡轮盘。
步骤1中包套与涡轮盘形状相似,尺寸按15~20%的比例增大;包套材质为低碳钢或不锈钢,厚度为3~20mm。
步骤2中加热的温度为200~500℃,真空度低于1×10-3Pa以除去粉末间的气体;振实的振动频率为5~20Hz。
步骤3热等静压的温度为1160~1200℃,并在100~200MPa下进行,时间为1~6h。
步骤5中固溶时的温度为1050~1200℃保温1~6h,时效处理时的温度为760~870℃保温5~32h,可以采用分级时效或者一次性时效。
本发明的有益效果是:
1.本发明通过设置包套获得功能梯度涡轮盘,成本低廉,操作简单方便。
2.本发明盘缘的钢制包套在1050~1200℃高温固溶处理时表面形成氧化层,在1000℃以上时,这些氧化物的热导率为5~10W/(m·℃),而合金粉末形成的镍基高温合金基体的热导率大于30W/(m·℃)。所以残留的包套对于镍基高温合金基体具有隔热作用,使固溶后冷却过程中盘缘的冷却速度小于盘心。冷却速度大时利于高温合金中主要强化相γ'相的形核析出,这样使得盘心获得小尺寸γ'相,盘缘获得大尺寸γ'相,得到双组织双性能的具有功能梯度的涡轮盘。
附图说明
图1是本发明涡轮盘固溶后冷却过程示意图;
图2是本发明涡轮盘盘缘的微观组织中的γ'相;
图3是本发明涡轮盘盘心的微观组织中的γ'相。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1,如图1-3所示,一种制备功能梯度高温合金涡轮盘的方法,用于制备尺寸为Φ500mm×70mm的FGH97粉末合金功能梯度涡轮盘,具体按照以下步骤实施:
步骤1、制作用于装填合金粉末的涡轮盘包套;
步骤2、将合金粉末装入包套,随后进行加热、振实和抽真空除气;
步骤3、对包套进行封焊,然后将包套置于热等静压机中压制至全致密,得到涡轮盘毛坯;
步骤4、对步骤3中压制完成后的涡轮盘毛坯进行机加工,去除双组织分界线以内的包套,即除去涡轮盘受热较小,强度要求高的内圈外覆的包套;
步骤5、对经过步骤4机加工后带有包套的涡轮盘毛坯进行固溶处理和时效处理,得到功能梯度涡轮盘。
步骤1中的合金粉末采用FGH97,其组分为:0.04%C,0.015%B,0.01%Zr,9%Cr,16%Co,4%Mo,5.5%W,5%Al,1.7%Ti,2.6%Nb,0.2%Hf,其余为Ni。
步骤1中包套与涡轮盘形状相似,尺寸按20%的比例增大;包套材质为45#钢,厚度为20mm。
步骤2中加热的温度为500℃,真空度低于1×10-3Pa,以除去粉末间的气体;振实的振动频率为20Hz。
步骤3热等静压的温度为1200℃,并在200MPa下进行,时间为6h。
步骤5中固溶时的温度为1200℃保温4h,然后采用强制风冷,如图1所示,接着进行时效处理,温度为870℃保温32h。
热处理完成后盘缘的微观组织中的γ'相如图2所示,盘心的微观组织中的γ'相如图3所示。可见,盘缘的γ'相尺寸明显大于盘心的γ'相尺寸,对盘缘和盘心的性能进行检测,结果见表1,可见,盘心强度明显高于盘缘强度,盘心和盘缘持久性能和蠕变性能相当。在强度方面,涡轮盘有明显的功能梯度特征。
表1FGH97高温合金功能梯度涡轮盘力学性能
Figure BDA0002254152390000041
实施例2,用于制备尺寸为Φ600mm×90mm的FGH96粉末合金功能梯度涡轮盘,具体按照以下步骤实施:
步骤1、制作用于装填合金粉末的涡轮盘包套;
步骤2、将合金粉末装入包套,随后进行加热、振实和抽真空除气;
步骤3、对包套进行封焊,然后将包套置于热等静压机中压制至全致密,得到涡轮盘毛坯;
步骤4、对步骤3中压制完成后的涡轮盘毛坯进行机加工,去除双组织分界线以内的包套,即除去涡轮盘受热较小,强度要求高的内圈外覆的包套;
步骤5、对经过步骤4机加工后带有包套的涡轮盘毛坯进行固溶处理和时效处理,得到功能梯度涡轮盘。
步骤1中的合金粉末采用FGH96,其组分为:为0.035%C,0.01%B,0.04%Zr,16%Cr,4%Mo,4%W,13%Co,2.2%Al,3.7%Ti,0.8%Nb,其余为Ni。
步骤1中包套与涡轮盘形状相似,尺寸按15%的比例增大;包套材质为304不锈钢,厚度为3mm。
步骤2中加热的温度为200℃,真空度低于1×10-3Pa,以除去粉末间的气体;振实的振动频率为5Hz。
步骤3热等静压的温度为1160℃,并在100MPa下进行,时间为1h。
步骤5中固溶时的温度为1050℃保温1h,时效处理时的温度为760℃保温5h。
对盘缘和盘心的性能进行检测,结果见表2,可见,盘心强度明显高于盘缘强度,盘心和盘缘蠕变性能相当。在强度方面,涡轮盘有明显的功能梯度特征。
表2 FGH96高温合金功能梯度涡轮盘力学性能
Figure BDA0002254152390000051
实施例3,本例与实施例2的区别仅在于:
步骤1中包套与涡轮盘形状相似,尺寸按18%的比例增大;包套材质为316不锈钢,厚度为15mm。
步骤2中加热的温度为400℃,真空度低于1×10-3Pa,以除去粉末间的气体;振实的振动频率为10Hz。
步骤3热等静压的温度为1180℃,并在120MPa下进行,时间为4h。
步骤5中固溶时的温度为1100℃保温6h,时效处理时的温度为770℃保温10h。

Claims (1)

1.一种制备功能梯度高温合金涡轮盘的方法,其特征在于,具体按照以下步骤实施:
步骤1、制作用于装填合金粉末的涡轮盘包套;
步骤2、将合金粉末装入包套,随后进行加热、振实和抽真空除气;加热的温度为200~500℃,真空度低于1×10-3Pa,以除去粉末间的气体;振实的振动频率为5~20Hz;
步骤3、对包套进行封焊,然后将包套置于热等静压机中压制至全致密,得到涡轮盘毛坯;热等静压的温度为1160~1200℃,并在100~200MPa下进行,时间为1~6h;
步骤4、对步骤3中压制完成后的涡轮盘毛坯进行机加工,去除双组织分界线以内的包套;
步骤5、对经过步骤4机加工后带有包套的涡轮盘毛坯进行固溶处理和时效处理,得到功能梯度涡轮盘;
所述步骤1中包套与涡轮盘形状相似,尺寸按15~20%的比例增大,包套材质为低碳钢或不锈钢,厚度为3~20mm;
所述步骤5中固溶时的温度为1050~1200℃保温1~6h,时效处理时的温度为760~870℃保温5~32h,可以采用分级时效或者一次性时效。
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