双金属双性能钛合金整体叶盘制造方法与流程

298 编辑：中冶有色技术网来源：中国航发北京航空材料研究院

2023-09-21 16:05:45

本发明属于发动机制造技术领域，具体为一种双金属双性能钛合金整体叶盘制造方法。

背景技术：

整体叶盘是将风扇、压气机或涡轮转子叶片和轮盘[1]做成一体的结构形式，是国内外先进航空发动机的必选结构。目前，整体叶盘普遍采用整体加工或焊接方法制造而成，无需加工榫头和榫槽。这种整体结构的优点是：叶盘的轮缘径向高度、厚度和叶片原榫头部位尺寸均可大大减小，减重效果明显；发动机转子部件的结构大为简化；消除了分体结构榫齿根部缝隙中气体的逸流损失；避免了叶片和轮盘[1]装配不当造成的微动磨损、裂纹以及锁片损坏带来的故障，从而有利于提高发动机工作效率，可靠性得以进一步提升。

双金属双性能整体叶盘其特征为叶片和轮盘[1]为异种材料，分别满足不同的服役需求，从而更大程度地发挥异种材料各自的性能优势，如，叶片所用的合金既能够在更高的温度下工作而密度更小，从而进一步减轻整个叶盘的重量。新型高温钛合金的应用，能够在更大的温度梯度与应力梯度条件下工作，满足新一代发动机更高推重比的要求。

目前国内外双金属双性能钛合金整体叶盘制造方法有线性摩擦焊、扩散焊、热等静压扩散焊或送粉式激光增材制造方法。其中，线性摩擦焊工艺对设备的依赖程度很大，焊接的效果、精度很大程度上取决于设备的能力，且焊接工装复杂，成本高。扩散焊方法面临加压困难、接头一致性控制及无损检测等技术难题，且整体叶盘结构复杂，需采用特殊的加压手段，工艺实现起来技术难度大。热等静压扩散焊技术成熟度相对较低，需解决可靠封焊或包套，需采取特殊工艺措施确保热等静压过程的可靠实施。另外，由于扩散焊时结构需整体经历焊接热循环过程，还需解决焊接热循环与材料的热处理制度匹配问题，避免热循环可能对基体材料造成的不良影响。送粉式激光增材制造方法存在粉末成本高、粉末冶金质量和制造过程氧化等问题使得冶金质量及力学性能下降。

技术实现要素：

本发明目的是针对现有技术中存在的不足提出一种双金属双性能钛合金整体叶盘制造方法。本发明的技术方案是：

首先在轮盘锻件基础上采用电子束熔丝沉积增材制造方法制造出不同材料的钛合金叶片毛坯；然后采用机械加工或电解加工至设计尺寸，最终实现双金属双性能钛合金整体叶盘的制造，该方法包括以下步骤：

1)将叶片用的钛合金棒材经锻轧和拉拔制成丝材，丝材直径为0.6mm～2.0mm，丝材曲率半径不小于60倍的丝材直径，丝材中n、h、o间隙元素的含量o≤0.2％，n≤0.05％，h≤0.01％，丝材成分中的主元素含量在制造双合金双性能钛合金整体叶盘前经电子束熔丝沉积增材制造工艺及组织性能试验验证并满足设计要求；

2)按照设计要求的叶片数量，在轮盘锻坯上采用机械加工方法在盘缘上加工出凸台，凸台与凸台之间圆弧过渡，凸台高度为2～4mm，凸台数量与叶片数量一致，且凸台宽度与拟增材制造叶片毛坯宽度一致；作为沉积增材制造基础的凸台上表面为平面；

3)将加工凸台后的钛合金轮盘安装于电子束熔丝增材制造设备的数控工作台上；设定电子束熔丝沉积工艺参数：电子束功率为0.6～6kw，电子束移动速度为2mm/s～20mm/s，送丝角度在40°～70°之间，送丝速度为5mm/s～30mm/s，分层厚度为0.4-2.0mm，真空度小于5×10-2pa。按照叶片三维数字模型，以凸台为基础逐层熔丝堆积成型叶片毛坯。丝材准确送入电子束熔池，丝端中心与熔池中心距离小于0.8mm。对称制造叶片毛坯，直至全部叶片毛坯制造完成。制造过程中叶片毛坯的生长方向始终保持与重力方向相反。沉积增材制造过程中控制叶片毛坯温度，保持叶片毛坯边界不被烧塌；

4)叶片毛坯增材制造完成后，将双金属钛合金整体叶盘置于热处理炉中去应力退火处理或时效处理或固溶+时效处理或热等静压处理；

5)经无损检测合格后采用五轴数控机床或其它加工方法加工出双金属双性能钛合金整体叶盘。

该整体叶盘的轮盘为锻造工艺制造，轮盘所用钛合金材料牌号为tc4、tc11、tc17、tc25或ti60合金中的一种。

该整体叶盘的叶片所用钛合金材料牌号为tc11、tc17、tc25、ti60或ti2alnb合金中的一种。

叶片所用材料的工作温度高于轮盘所用材料的工作温度，其轮盘与叶片材料的搭配可以是：tc4+tc11、tc4+tc17、tc17+ti60或ti60+ti2alnb。

所述熔丝沉积时，保持送丝方向、电子束移动方向和沉积生长方向在一个几何平面内。

所述熔丝沉积时，丝材准确送至熔池中，丝材中心与熔池中心偏差波动范围为0～0.5mm。

本发明提出的双金属双性能钛合金整体叶盘制造方法具有以下优点：(1)真空环境冶金质量好力学性能优，电子束熔丝沉积过程中真空室内真空度在10-2pa以下，与材料真空熔炼真空度处于相同水平，所用的丝材杂质元素控制难度低，且电子束熔丝沉积过程中能对材料再次精炼，进一步降低杂质含量，使得电子束熔丝沉积成型的钛合金冶金质量优，力学性能与锻件相当；(2)效率高，电子束熔丝沉积效率高，可以达到数kg/h，远高于激光增材制造方法；(3)制造成本低，丝材成本在500-1000元/kg之间，而相对应的金属粉末成本在2000元/kg以上。

附图说明

图1轮盘模锻件

图2电子束熔丝增材制造出叶片毛坯

图3为经热处理及机械加工后的双金属双性能钛合金整体叶盘

标号说明：1-轮盘；2-凸台；3-叶片毛坯；4-叶片

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步详述：

该方法步骤如下：

1)将叶片用的钛合金棒材经锻轧和拉拔制成丝材，丝材直径为0.6mm～2.0mm，丝材曲率半径不小于60倍的丝材直径，丝材表面无油污等杂质，丝材中n、h、o间隙元素的含量o≤0.2％，n≤0.05％，h≤0.01％，丝材成分中的主元素含量在制造双合金双性能钛合金整体叶盘前经电子束熔丝沉积增材制造工艺及组织性能试验验证并满足设计要求；

2)按照设计要求的叶片数量，在轮盘[1]锻坯上采用机械加工方法在盘缘上加工出凸台2，凸台2与凸台2之间圆弧过渡，凸台2高度为2～4mm，凸台2数量与叶片数量一致，且凸台2宽度与拟增材制造叶片毛坯3宽度一致。作为沉积增材制造基础的凸台2上表面为平面；

3)将加工凸台2后的钛合金轮盘1安装于电子束熔丝增材制造设备的数控工作台上；设定电子束熔丝沉积工艺参数：电子束功率为0.6～6kw，电子束移动速度为2mm/s～20mm/s，送丝角度在40°～70°之间，送丝速度为5mm/s～30mm/s，分层厚度为0.4-2.0mm，真空度小于5×10-2pa。按照叶片三维数字模型，以凸台2为基础逐层熔丝堆积成型叶片毛坯3。保证丝材准确送入电子束熔池，丝端中心与熔池中心距离小于0.8mm。每个叶片毛坯3沉积增材制造前先采用电子束扫描预热凸台2上表面。对称制造叶片毛坯3，直至全部叶片毛坯3制造完成。制造过程中叶片毛坯3的生长方向始终保持与重力方向相反。沉积增材制造过程中控制叶片毛坯3温度，保持叶片毛坯3边界不被烧塌；

4)叶片毛坯3增材制造完成后，将双金属钛合金整体叶盘置于热处理炉中去应力退火处理或时效处理或固溶+时效处理或热等静压处理；

5)经无损检测合格后采用五轴数控机床或其它加工方法加工出双金属双性能整体叶盘。

实施例1

图3所示为一种双金属双性能钛合金整体叶盘，该钛合金整体叶盘由轮盘1和叶片组成，轮盘1材料为ti60钛合金，叶片材料为ti2alnb合金。叶片共60个，均匀分布在轮盘1边缘。轮盘1采用等温锻造方法制备，尺寸为

采用电子束熔丝沉积增材方法制造ti2alnb叶片，叶片高度为60mm，其步骤为：

1)通过热轧及拉拔工艺制造直径1.6mm的ti2alnb合金丝材，丝材中n、h、o间隙元素的含量o≤0.2％，n≤0.05％，h≤0.01％；

2)锻造ti60钛合金轮盘1毛坯，并采用ti60材料标准热处理工艺固溶及双重退火处理。采用数控加工方法，在锻造ti60钛合金轮盘1边缘加工出图1所示凸台2，为电子束熔丝沉积增材制造叶片毛坯3提供基面。凸台2宽度10mm，长度50mm，凸台2高度3mm，避免电子束熔丝沉积增材制造叶片毛坯[3]时，由于应力的作用导致临近叶片毛坯3变形；

3)将加工凸台2后的钛合金轮盘1安装于电子束熔丝增材制造设备的数控工作台上；待真空室内真空度达到5×10-2pa以下时，设定电子束熔丝沉积工艺参数：电子束加速电压60kv，束流35ma，电子束移动速度10mm/s，扫描幅值4mm，送丝角度50°，送丝速度20mm/s，分层厚度1.6mm；按照叶片三维数字模型，以凸台2为基础逐层熔丝堆积成型叶片毛坯3。其中，丝材送进方向与电子束移动方向在一条直线上，丝材与熔池中心距离小于0.5mm。沉积增材制造叶片毛坯3时，叶片毛坯3生长方向始终与重力方向相反。带一个叶片毛坯3制造完成后，轮盘1旋转180°对称制造另一叶片毛坯3；

4)叶片毛坯3增材制造完成后将该双金属钛合金整体叶盘置于真空热处理炉中750℃保温4h，充氩冷却；

5)对叶片毛坯[3]粗加工后采用x射线及荧光检验方法检验内部及表面缺陷，经无损检测合格后采用五轴数控机床加工出双金属双性能整体叶盘设计尺寸。加工完成后，叶片截面积叠轴的位置度公差为0.12-0.3mm，叶片的扭曲公差为±5′～±15′；叶尖跳动公差为0.3mm；流道的面轮廓度公差为0.2～0.3mm；轴向、径向基准面的垂直度公差为0.02mm；经手工抛光及振动光饰处理后叶片表面粗糙度≤0.4μm；然后采用激光冲击工艺强化处理叶片表面。最终完成双金属双性能整体叶盘的制造。

技术特征：

技术总结

本发明属于发动机制造技术领域，具体为一种双金属双性能钛合金整体叶盘制造方法。所述整体叶盘的轮盘[1]和叶片部分采用不同材料制造。所述的制造方法包括以下几个步骤：首先在轮盘锻件基础上采用电子束熔丝沉积增材制造方法制造出不同材料的钛合金叶片毛坯；然后采用机械加工或电解加工至叶片设计尺寸，最终实现双金属双性能钛合金整体叶盘的制造。本发明具有制造成本低、周期短、冶金质量高的特点。叶片和轮盘[1]采用不同的材料制造可以充分发挥各自力学性能优势，满足整体叶盘对轮盘[1]高强度、高应变疲劳性能的要求和叶片对高应力疲劳和持久性能的要求，从而实现整体叶盘在更高温度条件下服役或代替高温合金整体叶盘实现减重的目的。

技术研发人员：张国栋;熊华平;袁鸿;余槐;王金雪;程耀永;张学军

受保护的技术使用者：中国航发北京航空材料研究院

技术研发日：2017.06.27

技术公布日：2017.09.08

声明：

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