阅读说明：本技术 一种制备功能梯度高温合金涡轮盘的方法 (Method for preparing functionally gradient high-temperature alloy turbine disc ) 是由 瞿宗宏 罗成 郑作赟 兰剑 赖运金 王庆相 梁书锦 张平祥 于 2019-10-30 设计创作，主要内容包括：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。(The invention discloses a method for preparing a functionally gradient superalloy turbine disk, which comprises the following steps: step 1, manufacturing a turbine disc sheath for filling alloy powder; step 2, filling the alloy powder into a sheath, and then heating, tapping, vacuumizing and degassing; step 3, sealing and welding the sheath, and then placing the sheath in a hot isostatic pressing machine to be pressed to be fully compact to obtain a turbine disc blank; step 4, machining the turbine disc blank pressed in the step 3, and removing a sheath within a double-structure boundary; and 5, carrying out solid solution treatment and aging treatment on the turbine disc blank with the sheath machined in the step 4 to obtain the functionally graded turbine disc. The functional gradient turbine disc is obtained by arranging the sheath, so that the cost is low, and the operation is simple and convenient.)

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

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

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。