一种提高粉末高温合金双辐板涡轮盘扩散连接性能的方法
阅读说明：本技术 一种提高粉末高温合金双辐板涡轮盘扩散连接性能的方法 (Method for improving diffusion bonding performance of powder high-temperature alloy double-spoke plate turbine disc ) 是由 赵伟 徐俊凯 梅寒 马广璐 刘悦 于 2021-11-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种提高粉末高温合金双辐板涡轮盘扩散连接性能的方法,包括如下步骤：单件预制备工艺-清洗-组配-入炉-扩散连接预焊合-真空固溶处理-时效处理-金相剖切检验-车加工去余量-超声波检验；通过研究扩散连接、固溶处理对粉末高温合金扩散连接质量与接头、基体材料的性能影响,匹配调整全流程的热加工工艺路线,优化设计扩散连接预结合工艺曲线,制定焊后调整热处理工艺,实现了粉末高温合金高质量连接,消除接头和基体材料性能损伤,保证了双辐板涡轮盘的最终使用性能。(The invention discloses a method for improving the diffusion bonding performance of a powder superalloy double-spoke plate turbine disc, which comprises the following steps: the method comprises the following steps of single piece pre-preparation process, cleaning, assembly, furnace entering, diffusion connection pre-welding, vacuum solid solution treatment, aging treatment, metallographic section inspection, turning to remove allowance, and ultrasonic inspection; the influence of diffusion bonding and solid solution treatment on the diffusion bonding quality of the powder high-temperature alloy and the performance of the joint and the base material is researched, the hot working process route of the whole flow is matched and adjusted, the diffusion bonding pre-combination process curve is optimally designed, the post-welding adjustment heat treatment process is formulated, the high-quality bonding of the powder high-temperature alloy is realized, the performance damage of the joint and the base material is eliminated, and the final use performance of the double-radial-plate turbine disc is ensured.)
技术领域
本发明涉及航空发动机涡轮盘制造技术领域，特别涉及一种提高粉末高温合金双辐板涡轮盘扩散连接性能的方法。
背景技术
涡轮盘是航空发动机的关键件。双辐板涡轮盘是一种由两个近对称半盘焊接而成的、带内部空腔的新型涡轮盘；如图1所示，工作时，涡轮叶片冷却孔收集的冷气，经由盘缘榫槽底部进气孔流向涡轮盘内部空腔，对叶片和盘体内部进行冷却，改变了传统涡轮盘冷气只能从盘面流过的冷却方式，大幅地减少了冷却空气用量，提高了轮盘使用寿命，是国际先进高性能发动机的重点发展方向之一。
国内提出了一种粉末高温合金双辐板涡轮盘设计方案，存在以下难题：
（1）结构设计紧凑，盘缘部分需焊接，而盘心两辐板间距不足10mm，内腔焊后无法加工，扩散连接是实现其内腔无余量成形的唯一方法；
（2）采用了第三代粉末高温合金，该类合金是新一代航空发动机热端部件的首选材料，国内外尚无该类合金扩散连接公开研究资料，基础研究不足；
国外双辐板涡轮盘采用了中间层扩散连接方法，扩散连接接头界面无法消除、组织差异大，接头区域性能差异大，可靠性差、寿命偏短；
专利CN201611139377.0提出了一种双辐板涡轮盘加压扩散连接方法，专利CN202011106872.8提出了一种焊接面镀镍，先预扩散再热等静压的双辐板涡轮盘焊接方法；但以上两项专利均未提供具体工艺。
专利CN202011114296.1提出了一种双辐板涡轮盘加压扩散连接方法，给出了具体工艺参数，可用于双辐板试制。
综合分析国内外专利、文献资料，关于粉末高温合金双辐板涡轮盘扩散连接，存在以下问题：
（1）高温合金扩散连接温度一般为熔点的80%～85%，但由于粉末高温合金元素多达10余种，合金化程度高，晶粒内、晶界均存在γ＇强化相，合金组织高温稳定性极好，即使在该温度区间扩散连接仍无明显组织转变，扩散连接界面残留，影响接头高温疲劳性能；为提高高温疲劳性能，则需提高扩散连接温度或延长连接时间，而以上两种方式均伴随着合金组织长大、γ＇相溶解，从而影响连接接头和基体材料的综合性能；
（2）国内外针对经多次热循环的材料组织性能遗传性研究较少，在高温合金扩散连接时普遍采用固溶处理→高温扩散连接→真空时效处理的热加工工艺安排，未考虑扩散连接热循环具有的热处理工艺特性；在粉末高温合金扩散连接时，相当于进行固溶处理热循环，γ＇相溶解、晶粒长大，损伤合金性能；为减少或避免合金性能损伤，扩散连接保温后需采用更大的冷却速度；而与热处理炉相比，扩散连接设备最大充氩压力仅1.4bar，加热炉内部的复杂机构，不仅吸热、放热量大，冷却气体流动也受到干扰，冷却效率远低于热处理炉；导致过冷度不足，γ＇相析出数量少且尺寸较大，极大的影响了接头和基体材料的综合性能。
综上，现有技术水平无法满足高性能粉末高温合金双辐板涡轮盘研制需求。
发明内容
为解决上述技术问题，提出了一种提高粉末高温合金双辐板涡轮盘扩散连接性能的方法，具体技术方案如下：
一种提高粉末高温合金双辐板涡轮盘扩散连接性能的方法，包括如下步骤：
步骤一：单件预制备工艺
所述待焊件毛坯为锻造态粉末高温合金；采用车加工进行粗加工；采用磨加工进行待焊面和基准面加工，使基准面、待焊面的平面度及其平行度≤0.03mm；采用精密研磨进行待焊面终加工，使待焊面表面粗糙度≤0.4μm，待焊面无烧伤、烧蚀及其他异质；
步骤二：清洗
采用脱脂棉或白棉布进行除油处理，随后将待焊件待焊面向上放入超声波清洗机清洗，清洗溶剂选用去离子水、蒸馏水、水基清洗剂或酒精，清洗后待焊面应无水渍残留；
步骤三：组配
将两个待焊件对正贴合，采用定位销定位，检查两待焊面间的间隙≤0.02mm；
步骤四：入炉
将钛锆钼合金模具放置在扩散连接设备平台上，其上依次放置待焊组件、钛锆钼合金上模具，随后在待焊组件周围布置石墨限位柱，使石墨限位柱低于钛锆钼合金上模具上表面0.08±0.03mm，使设备压板下降至压紧钛锆钼合金上模具；关闭炉门并抽真空至炉内真空压力小于1×10-4mbar及以下；
步骤五：扩散连接预焊合
设定扩散连接压为10MPa～20MPa，以不大于5℃/min的升温速度升温至800±10℃，保温60～120min；随后以不大于5℃/min的升温速度升温至980℃，调整扩散连接压力至1MPa～2MPa，随即以不大于5℃/min的升温速度升温至1030±10℃～1100±10℃，保温120min～240min；随后调整扩散连接压力至不大于0.5MPa，保持真空状态，随炉冷却至80℃以下出炉；
升温过程中使升温速度不大于5℃/min，以确保待焊件内外部温度均匀，减小因温差产生的热应力而导致的待焊件变形；
扩散连接时，必须使两待焊面紧密接触。在扩散连接过程初期，待焊面微观质点接触并在压力作用下产生微观塑性变形，随着微观塑性变形的增大，初期接触质点被压平，可紧密接触的微观质点数量逐渐增多，随着这种微观变形的不断发生，接触面积逐渐扩大，从而形成晶粒间的连接，即扩散焊合；本发明待焊件待焊面采用了研磨加工进行最终处理，与车加工、磨加工相比，表面粗糙度值更低，这也就意味着在扩散连接过程中，两待焊面间可紧密接触的微观质点数量增多，为充分利用扩散连接过程中微观质点接触、微塑性变形对扩散连接界面闭合的促进作用，升温至980℃前需采用更大的扩散连接压力；
锻造态粉末高温合金晶粒细小，在1000℃时就极易产生宏观塑性变形，而为保证待焊组件尺寸精度，本发明采用了石墨柱限位；如果待焊件在正式连接前即已被压缩至与石墨柱等高，则扩散连接压力对连接界面焊合的促进作用将弱化，因此在980℃时将扩散连接压力调整至1MPa～2MPa，以保证正式连接前待焊件始终承受焊接压力作用；
为避免粉末高温合金接头和基体材料性能损伤，扩散连接温度不能高于1130℃；本发明扩散连接温度为1030±10℃～1100±10℃，该温度范围内可实现良好的连接界面微观孔洞闭合，获得较高的焊合率；但由于该温度范围低于合金固溶处理温度，合金未发生晶粒长大或再结晶，扩散连接界面组织无重构，仍存在明显的连接界面或纳米级微观孔洞、接头性能较差；结合后续的真空固溶处理，使组织发生剧烈转变，可实现连接界面组织重构、界面穿晶，从而达到消除连接界面及纳米级微观孔洞的目的，进而提高接头性能。
步骤六：真空固溶处理
以不大于15℃/min的升温速度升温至800℃，保温60min～120min，随后以不大于15℃/min的升温速度升温至1130±10℃～1160±10℃，保温120min～300min；保温结束后，充入4bar～6bar高纯氩，开启风机使焊件快速冷却至400℃以下，随后关闭风机和充氩系统，使焊接件随炉冷却至80℃以下出炉；
在固溶处理过程中，合金中残留PPB、初始γ＇相发生溶解，合金晶粒再结晶；在此过程中，扩散连接界面组织重构，界面中残留的微观孔洞在再结晶作用下不断闭合，最终形成无原始连接界面、微观孔洞的连接接头；采用开启风机充氩快冷，由于真空热处理炉内机构较为简单，焊件冷却速度远大于扩散连接冷却速度，通过较大的过冷度，使合金中析出数量更多、尺寸更小的γ＇相，从而保证了零件综合性能。冷却至400℃以下时，使焊件随炉冷却，以减小焊件热处理变形；
步骤七：时效处理：
采用二级时效真空热处理，热处理制度为815±10℃～845±10℃，保温240min～480min，炉冷至80℃以下出炉；760±10℃，保温480min～960min，炉冷至80℃以下出炉；
通过二级时效处理，进一步促进γ＇相析出、长大，从而提高焊件接头和基体材料的综合性能；
步骤八：金相剖切检验
在余量区取样，进行接头金相检验，未见原始扩散连接界面、微观孔洞缺陷；
步骤九：车加工去余量
车加工盘缘外侧余量，径向去除5mm余量，精车加工左辐板盘基准面，使基准面粗糙度≤1.6μm；
步骤十：超声波检验
采用水浸超声波从左辐板盘基准面进行检测，未发现超标缺陷。
本发明的有益效果：
扩散连接是实现双浮板涡轮盘内腔无余量成形的唯一方法，本发明通过研究扩散连接、固溶处理对粉末高温合金扩散连接质量与性能的影响，匹配调整双辐板涡轮盘制造全工艺链热加工工艺路线，优化设计扩散连接预结合工艺曲线，实现粉末高温合金高质量、高性能连接的同时，也消除了扩散连接热循环的不利影响，提高了粉末高温合金双辐板涡轮盘扩散连接性能和零件使用性能，可应用于新一代发动机粉末高温合金双辐板涡轮盘研制。
附图说明
图1 为本发明中涉及的双辐板涡轮盘结构示意图；
图2 为本发明中涉及的双辐板涡轮盘待焊件结构示意图；
图3 为本发明中涉及的双辐板涡轮盘组配入炉示意图；
图4 为图3中A-A剖视图；
图5 为实施例中扩散连接预焊合后的接头显微照片；
图6 为实施例中固溶处理后的扩散连接接头显微照片。
图中：1-盘缘，2-左辐板，3-安装边，4-通气孔，5-右辐板，6-空腔，7-扩散连接面，8-基准面，9-钛锆钼模具，10-设备平台，11-石墨限位柱，12-钛锆钼上模具，13-设备压板。
具体实施方式
如图1-5所示下述对比例和实施例所涉及的双辐板涡轮盘零件典型结构如图1所示，双辐板涡轮盘待焊件示意图如图2所示，待焊件为两个接近对称的带辐板圆盘毛坯件的左辐板2和右辐板5，其中左辐板5带有安装边3；左辐板2和右辐板5对正贴合，盘缘1对齐，采用定位销定位，装配后形成待焊组件，其两者中间设有通气孔4和空腔6；双辐板涡轮盘组配入炉结构如图3。
实施例1
步骤一：单件预制备工艺
所述待焊件毛坯左辐板2和右辐板5为锻造态粉末高温合金，如图2所示；采用车加工进行粗加工；采用磨加工进行待焊面7和基准面8的加工，使基准面8、待焊面7的平面度及其平行度≤0.03mm；采用精密研磨进行待焊面7终加工，使待焊面7表面粗糙度≤0.4μm，待焊面7无烧伤、烧蚀及其他异质；
步骤二：清洗
采用脱脂棉或白棉布进行除油处理，随后将两待焊件的待焊面7向上放入超声波清洗机清洗，清洗溶剂选用去离子水、蒸馏水、水基清洗剂或酒精，清洗后待焊面应无水渍残留；
步骤三：组配
将两个待焊件对正贴合，采用定位销定位，检查两待焊面间的间隙≤0.02mm；
步骤四：入炉
将钛锆钼合金模具9放置在扩散连接设备平台10上，其上依次放置待焊组件、钛锆钼合金上模具12，随后在待焊组件周围布置石墨限位柱11，使石墨限位柱11低于钛锆钼合金上模具12上表面0.08±0.03mm，使设备压板13下降至压紧钛锆钼合金上模具12，见图3；关闭炉门并抽真空至炉内真空压力小于1×10-4mbar及以下；
步骤五：扩散连接预焊合
设定扩散连接压为10MPa，以不大于5℃/min的升温速度升温至800±10℃，保温120min；随后以不大于5℃/min的升温速度升温至980℃，调整扩散连接压力至2MPa，随即以不大于5℃/min的升温速度升温至1035±10℃，保温240min；随后调整扩散连接压力至不大于0.5MPa，保持真空状态，随炉冷却至80℃以下出炉；
步骤六：真空固溶处理
以不大于15℃/min的升温速度升温至800℃，保温90min，随后以不大于15℃/min的升温速度升温至1160±10℃，保温120min；保温结束后，充入6.0bar高纯氩，开启风机使焊件快速冷却至400℃以下；随后关闭风机和充氩系统，使焊件随炉冷却至80℃以下出炉；
步骤七：时效处理
采用二级时效真空热处理，热处理制度为815±10℃，保温480min，炉冷至80℃以下出炉；760±10℃，保温960 min，炉冷至80℃以下出炉；
步骤八：金相剖切检验
在余量区取样，进行接头金相检验，未见原始扩散连接界面、微观孔洞缺陷，如图5所示；
步骤九：车加工去余量
车加工盘缘外侧余量，径向去除5mm余量，精车加工左辐板盘基准面，使基准面粗糙度≤1.6μm；
步骤十：超声波检验
采用水浸超声波从左辐板盘基准面进行检测，未发现超标缺陷。
实施例2
步骤一：单件预制备工艺
所述待焊件毛坯左辐板2和右辐板5为锻造态粉末高温合金，如图2所示；采用车加工进行粗加工；采用磨加工进行待焊面7和基准面8的加工，使基准面8、待焊面7的平面度及其平行度≤0.03mm；采用精密研磨进行待焊面7终加工，使待焊面7表面粗糙度≤0.4μm，待焊面7无烧伤、烧蚀及其他异质；
步骤二：清洗
采用脱脂棉或白棉布进行除油处理，随后将两待焊件的待焊面7向上放入超声波清洗机清洗，清洗溶剂选用去离子水、蒸馏水、水基清洗剂或酒精，清洗后待焊面应无水渍残留；
步骤三：组配
将两个待焊件对正贴合，采用定位销定位，检查两待焊面间的间隙≤0.02mm；
步骤四：入炉
将钛锆钼合金模具9放置在扩散连接设备平台10上，其上依次放置待焊组件、钛锆钼合金上模具12，随后在待焊组件周围布置石墨限位柱11，使石墨限位柱11低于钛锆钼合金上模具12上表面0.08±0.03mm，使设备压板13下降至压紧钛锆钼合金上模具12，见图3；关闭炉门并抽真空至炉内真空压力小于1×10-4mbar及以下；
步骤五：扩散连接预焊合
设定扩散连接压为20MPa，以不大于5℃/min的升温速度升温至800±10℃，保温60min；随后以不大于5℃/min的升温速度升温至980℃，调整扩散连接压力至1MPa，随即以不大于5℃/min的升温速度升温至1100±10℃，保温120min；随后调整扩散连接压力至不大于0.5MPa，保持真空状态，随炉冷却至80℃以下出炉；
步骤六：真空固溶处理
以不大于15℃/min的升温速度升温至800℃，保温120min，随后以不大于15℃/min的升温速度升温至1130±10℃，保温300min；保温结束后，充入4.0bar高纯氩，开启风机使焊件快速冷却至400℃以下；随后关闭风机和充氩系统，使焊件随炉冷却至80℃以下出炉；
步骤七：时效处理
采用二级时效真空热处理热处理制度为815±10℃，保温480min，炉冷至80℃以下出炉；760±10℃，保温480min，炉冷至80℃以下出炉；
步骤八：金相剖切检验
在余量区取样，进行接头金相检验，未见原始扩散连接界面、微观孔洞缺陷；
步骤九：车加工去余量
车加工盘缘外侧余量，径向去除5mm余量，精车加工左辐板盘基准面，使基准面粗糙度≤1.6μm；
步骤十：超声波检验
采用水浸超声波从左辐板盘基准面进行检测，未发现超标缺陷。
实施例3
步骤一：单件预制备工艺
所述待焊件毛坯左辐板2和右辐板5为锻造态粉末高温合金，如图2所示；采用车加工进行粗加工；采用磨加工进行待焊面7和基准面8的加工，使基准面8、待焊面7的平面度及其平行度≤0.03mm；采用精密研磨进行待焊面7终加工，使待焊面7表面粗糙度≤0.4μm，待焊面7无烧伤、烧蚀及其他异质；
步骤二：清洗
采用脱脂棉或白棉布进行除油处理，随后将两待焊件的待焊面7向上放入超声波清洗机清洗，清洗溶剂选用去离子水、蒸馏水、水基清洗剂或酒精，清洗后待焊面应无水渍残留；
步骤三：组配
将两个待焊件对正贴合，采用定位销定位，检查两待焊面间的间隙≤0.02mm；
步骤四：入炉
将钛锆钼合金模具9放置在扩散连接设备平台10上，其上依次放置待焊组件、钛锆钼合金上模具12，随后在待焊组件周围布置石墨限位柱11，使石墨限位柱11低于钛锆钼合金上模具12上表面0.08±0.03mm，使设备压板13下降至压紧钛锆钼合金上模具12，见图3；关闭炉门并抽真空至炉内真空压力小于1×10-4mbar及以下；
步骤五：扩散连接预焊合
设定扩散连接压为15MPa，以不大于5℃/min的升温速度升温至800±10℃，保温90min；随后以不大于5℃/min的升温速度升温至980℃，调整扩散连接压力至1.5Pa，随即以不大于5℃/min的升温速度升温至1065±10℃，保温180min；随后调整扩散连接压力至不大于0.5MPa，保持真空状态，随炉冷却至80℃以下出炉；
步骤六：真空固溶处理
以不大于15℃/min的升温速度升温至800℃，保温120min，随后以不大于15℃/min的升温速度升温至1145±10℃，保温210min；保温结束后，充入5.0bar高纯氩，开启风机使焊件快速冷却至400℃以下；随后关闭风机和充氩系统，使焊件随炉冷却至80℃以下出炉；
步骤七：时效处理
采用二级时效真空热处理热处理制度为815±10℃，保温480min，炉冷至80℃以下出炉；760±10℃，保温960min，炉冷至80℃以下出炉；
步骤八：金相剖切检验
在余量区取样，进行接头金相检验，未见原始扩散连接界面、微观孔洞缺陷；
步骤九：车加工去余量
车加工盘缘外侧余量，径向去除5mm余量，精车加工左辐板盘基准面，使基准面粗糙度≤1.6μm；
步骤十：超声波检验
采用水浸超声波从左辐板盘基准面进行检测，未发现超标缺陷。
现有技术-对比例1
步骤一：单件预制备工艺
所述待焊件毛坯为固溶态粉末高温合金；采用车、磨合精密研磨加工进行加工，两待焊件的待焊面及其对应基准面平面度≤0.03mm，任意基准面、待焊面间的平行度≤0.03mm，待焊面表面粗糙度≤0.4μm；
步骤二：清洗
采用脱脂棉或白棉布进行除油处理，随后将两待焊件的待焊面向上放入超声波清洗机清洗，清洗溶剂选用去离子水、蒸馏水、水基清洗剂或酒精，清洗后待焊面应无水渍残留；
步骤三：组配
将两个待焊件对正贴合，采用定位销定位，检查两待焊面间的间隙≤0.02mm；
步骤四：入炉
将钛锆钼合金模具放置在扩散连接设备平台上，其上依次放置待焊组件、钛锆钼合金上模具，随后在待焊组件周围布置石墨限位柱，使石墨限位柱低于钛锆钼合金上模具上表面0.08±0.03mm，使设备压板下降至压紧钛锆钼合金上模具；关闭炉门并抽真空至炉内真空压力小于1×10-4mbar及以下；
步骤五：预连接
抽真空至炉内真空压力小于1×10-4mbar，设定焊接压力2.0MPa，以不大于120℃/h的升温速率升温至800±10℃，保温90min；随后以不大于120℃/h的升温速率升温至1050±10℃，调整焊接压力至7.0MPa，保温150min；
步骤六：正式连接
调整焊接压力至2.0MPa，继续以不大于120℃/h的升温速率升温至1160±10℃后，调整焊接压力至5.0MPa，保温130min；保温结束后，调整焊接压力至2.0MPa，充入2.0 bar高纯氩，启动风机快速冷却到50℃以下出炉；
步骤七：时效处理
采用二级时效真空热处理，热处理制度为815±10℃，保温480min，空冷至80℃以下出炉；760±10℃，保温960min，空冷至80℃以下出炉；
步骤八：金相剖切检验
在余量区取样，进行接头金相检验，未见原始扩散连接界面、微观孔洞缺陷；
步骤九：车加工去余量
车加工盘缘外侧余量，径向去除5mm余量，精车加工左辐板盘基准面，使基准面粗糙度≤1.6μm；
步骤十：超声波检验
采用水浸超声波从左辐板盘基准面进行检测，未发现超标缺陷。
对实施例1～3和对比例1中步骤八中的余量区接头和随炉基体品进行700℃高温拉伸、700℃低周疲劳测试，计算平均值并与材料标准值进行对比，测试结果如下：
示例
接头700℃拉伸强度/材料标准值 %
接头700℃低周疲劳寿命/材料标准值 %
基体材料700℃拉伸强度/材料标准值 %
基体材料700℃低周疲劳寿命/材料标准值 %
实施例1
105.8%
112.4%
107.6%
115.4%
实施例2
120.7%
103.7%
122.5%
112.8%
实施例3
113.7%
106.5%
114.8%
110.4%
对比例1
92.4%
94.1%
94.7%
95.3%
可以看出，本发明的实施例中所得到的扩散连接接头和基体材料的700℃高温拉伸、700℃低周疲劳测试数据均超过了材料标准值，高于对比例1中得到的扩散连接接头和基体材料测试结果，表明本发明提出的扩散连接预焊合、焊后真空固溶处理、真空时效处理实施方法，避免了传统热工艺路线中扩散连接高温、长时热循环对材料的性能损伤，实现了双辐板涡轮盘功能和性能协同制造。
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