專利名稱：航空發(fā)動機輪盤葉片一體的高溫合金渦輪盤坯料的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種航空發(fā)動機高溫合金渦輪盤坯料的制備方法，特別是涉 及一種采用激光熔覆成型技術制造航空發(fā)動機輪盤葉片一體的高溫合金渦 輪盤坯料的制備方法，屬于制備航空發(fā)動機高溫合金渦輪盤坯料和激光熔覆 成型技術領域，本發(fā)明為生產航空發(fā)動機高溫合金渦輪盤提供了質量優(yōu)異、 性能可靠的輪盤葉片一體的毛坯料，省去了真空冶煉、榫齒加工、葉片安裝 環(huán)節(jié)，適用于航空發(fā)動機零部件的生產制備。
背景技術：
航空發(fā)動機的渦輪盤是航空發(fā)動機的心臟，是在高溫下以每分鐘上萬轉 的速度高速旋轉的精密部件。其上安裝的葉片更是要承受最大離心力等多種 應力的綜合作用，對材料的技術要求非常高，都是用特殊的、高質量的高溫 合金材料制造。根據使用特性要求，渦輪盤中部要求具有高的強度性能指標， 而邊緣部要求在高溫下具有良好的持久強度和疲勞強度指標，而葉片還要有 耐沖刷等性能。
傳統(tǒng)的制造方法是通過真空冶煉和電渣重熔，制備出鋼錠，然后通過自 由鍛造和模鍛的方法，加工成圓餅毛坯，再通過一系列機加方法制成輪盤。 再通過類似的方法加工出葉片，安裝到一起構成渦輪盤。采用這種方法制造 的渦輪盤，輪盤和葉片通常是用同一種(或兩種)材料構成。而我國高溫合
4金材料的冶金質量水平比較低，主要表現在材料的純凈度低，合金波動大， 對原材料和高溫材料雜質以及氣體含量的要求不夠嚴格，影響到合金性能及 穩(wěn)定性。
由于渦輪盤用高溫合金的合金化程度高，高熔點合金元素多，還含有諸 多產生強化相的元素，合金成分復雜，冶煉中對鋼錠的成分、表面及內在質 量的控制難度非常大，極易出現成分偏析。又由于單重較大，還必須整體澆 注，在冷卻過程中，勢必造成高低熔點元素的分布不均，出現心部與邊緣質 量不一，導致錠坯材料心部強度降低或不足，邊緣持久強度和疲勞強度低。 除此而外葉片的加工成材率和材料利用率還特別低，并且安裝的葉片相對不 夠牢固，易產生振動，這些都將直接影響渦輪盤的使用性能。
另外，不論鐵基還是鎳基高溫合金，合金化程度較高，要求熱加工溫度 高，變形溫度范圍窄，變形抗力大，導致鍛造難度較其它鋼種大。如果前道 工序冶煉中再有質量不一、成分分布不均，必將進一步增大鍛造難度，將不 可避免地出現各種鍛造缺陷。同時由于是單一合金成分，無法實現渦輪盤心 部和邊緣對材料性能的特殊要求。
因此，選擇適當的制造方法，消除渦輪盤坯料成分偏析及坯料成材率較
低的現象；實現梯度材料設計，確保加工的渦輪盤各部位對使用性能的要求; 提供輪盤和葉片整體制造所需的坯料，使整體制造的渦輪盤能比分體安裝盤 大幅減少振動、提高旋轉和飛行速度、增加載重量和使用壽命，是當前亟待
激光熔覆成型技術作為一種先進的再制造技術，近年來得到了迅速推廣 和廣泛應用。激光熔覆成型技術利用高能量激光束聚集能量極高的特點，瞬間將在基 材表面預置或與激光同步自動送置的、具有特殊物理、化學或力學性能的合 金粉末完全熔化，同時基材部分熔化，形成一種新的復合型材料，激光束掃 描后快速凝固，獲得與基體冶金結合的致密覆層，以達到恢復幾何尺寸和表 面強化的目的。
激光成型就是激光熔覆的反復堆焊，是在金屬表面獲得與基體牢固冶金 結合的高性能表面覆層的反復堆積的再制造技術。
目前關于利用激光熔覆或激光再制造工藝進行設備零部件修復的專利
和報道很多，例如，公開號為CN101176950的中國發(fā)明專利申請給出的《基 于激光熔覆成型技術的新型梯度功能材料精沖模具制造方法》、公開號 為CN1483856的中國發(fā)明專利申請給出的《自保護超細活性硬質合金激光 熔覆生產技術》和公開號為CN1883852的中國發(fā)明專利申請給出的《一種 鎳基合金粉末激光熔覆燒結成型方法》，但是現有的利用激光熔覆或激光再 制造工藝進行設備零部件修復的工藝均是在中小零部件上的應用，通過配制 適當的熔覆材料，克服了激光熔層存在的裂紋、氣孔和微觀結構不均勻性(分 層)的問題，取得一定的技術效果，而真正在航空發(fā)動機的核心關鍵部件， 尤其是在像渦輪盤這種關鍵零部件的大型坯料上，能否采用常規(guī)的激光熔覆 成型工藝進行無裂紋和氣孔缺陷、具有梯度功能且輪盤和葉片為一體的渦輪 盤坯料制造，經本申請人檢索査證國內尚無先例，國外也沒有見到相關報 道。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于解決現有技術存在的上述問題，通過反復研究改進，給出了一種新的航空發(fā)動機輪盤葉片一體的高溫合金渦輪盤坯料的制備方 法，該制備方法對現有的激光熔覆成型工藝進行了改進，除采用熔覆性能穩(wěn)
定的大功率(5000W以上)C(V激光器外，還結合選用梯度功能合金粉末材料， 進行輪盤葉片一體的高溫合金渦輪盤坯料制造，減少了葉片安裝程序，解決 了傳統(tǒng)生產方法中容易出現的諸多弊端，可以徹底消除冶煉造成的成分偏析 的影響，組織致密均勻，坯料成材率大幅提高，對比粉末盤可以大幅降低生 產成本。由于輪盤和葉片整體制造的渦輪盤比分體安裝盤將減重大約3 5 %，這將大幅減少振動，提高旋轉和飛行速度，增加載重量和使用壽命。 本發(fā)明給出的技術方案是這種航空發(fā)動機輪盤葉片一體的高溫合金渦
輪盤坯料的制備方法，包括有以下步驟
1. 用熔覆性能穩(wěn)定的大功率(5000W以上)C02激光器，在設計的高溫合 金芯棒基礎上，預置同成分且適宜熔覆的高溫合金粉末A，熔覆堆焊成型到 所需要的心部毛坯尺寸，再在坯料邊緣預置高溫合金粉末B，繼續(xù)熔覆堆焊 成型直到輪盤葉片一體的渦輪盤所需的毛坯尺寸，其中心部毛坯具有高溫下 的高強度、坯料邊緣部除具有高持久強度和疲勞強度外，還具有耐沖刷易加 工特性，以滿足葉片機加和使用的性能。
預置的渦輪盤坯料心部的高溫合金粉末A，是在設計的高溫合金成分基 礎上，再適當添加降低熔點、提高浸潤性、增加韌性相、降低開裂敏感性、 改善熔覆性能的合金元素，保證大面積多層熔覆無質量缺陷。而邊緣部的高 溫合金粉末B，還要再適當添加增強耐磨性和便于機加的合金元素。
2. 所述在坯料心部(底層)預置的高溫合金粉末A的組分中除高溫合金 芯棒的組分外再添加以下合金元素中的至少三種元素Ni、 B、 Si、 103和Hf;在坯料邊緣(中上層)預置的高溫合金粉末B的組分中除高溫合金芯棒
的組分外再添加以下合金元素中的至少兩種元素FeTi、 FeSi、 103和1 。
3. 所述在坯料心部(底層)預置的高溫合金粉末A的組分中除高溫合 金芯棒的組分外再添加的合金元素比例為
Ni 0. 5 2. 0% ， B 0. 5 2. 0% ， Si 0. 5 2. 0% ， Y203 0. 01 0. 05% ， Hf 0. 01 0. 05% 。
所述在坯料邊緣(中上層)預置的高溫合金粉末B的組分中除高溫合金 芯棒的組分外再添加的合金元素比例為
FeTi 0. 2 2. 0 %， FeSi 0. 2 2. 0 %， Y203 0. 01 0. 05 %, Hf 0.01 0. 05 %。
4. 在熔覆操作中采用5000 10000W橫流連續(xù)C02激光器，其熔覆工藝參 數是功率4800 8000 W，焦距300 400 mm，光斑尺寸1.5X10 mm, 掃描速度240 400 mm/min，置粉厚度0.5 1.0 ran。熔覆過程中對熔池 采用惰性氣體保護。
與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果是
1. 為航空發(fā)動機輪盤葉片一體的高溫合金渦輪盤坯料的生產提供全新 的制備方法，采用這種方法制造的坯料解決了傳統(tǒng)生產方法中的成分偏析、 成本高、投料比大等諸多弊端。
2. 在航空發(fā)動機輪盤葉片一體的高溫合金渦輪盤坯料的生產中，可以實 現梯度材料設計和實施，合金組織致密均勻，確保加工的渦輪盤各部位對使 用性能的要求。
3. 使用這種新的制造方法，可以實現提供對輪盤和葉片整體制造所需的坯料，減少了葉片安裝程序。整體制造的渦輪盤將大幅減少振動，提高旋轉 速度，增加載重量和使用壽命，提高航空發(fā)動機的推重比。
具體實施方式
實施例1:
用熔覆性能穩(wěn)定的10000 W大功率C02激光器，在設計的GH4169高溫合 金芯棒基礎上激光熔覆堆焊與GH4169成分類似、又添加了幾種增加高溫強 度合金元素的高溫合金粉末A，再添加的合金元素的組分為(質量百分數): SiO. 15% 、 Nil.2%、 Y203 0.02%、 Hf 0.01%，熔覆堆焊成型到所需要的渦輪 盤心部毛坯尺寸；再在坯料邊緣熔覆堆焊與GH738成分類似、又添加了幾種 增加高溫持久強度、疲勞強度以及易于機加工的合金元素的高溫合金粉末B， 再添加的合金元素的組分為(質量百分數)FeTil.0%, FeSi0.8%， Y203 0. 02%,繼續(xù)熔覆堆焊成型構成渦輪盤外圓部坯料。經切片探傷檢驗無缺陷， 作為輪盤葉片一體的渦輪盤坯料送轉精密鍛造。
其熔覆工藝參數是功率8000 W，焦距300 360 mm，光斑尺寸 1.5X10 mm,掃描速度320 400 mm/min，置粉厚度0. 5 1.0mm。熔覆 過程中對熔池采用惰性氣體保護。
實施例2:
用熔覆性能穩(wěn)定的5000W大功率C02激光器，在設計的GH4033高溫合金 芯棒基礎上激光熔覆堆焊與GH4033成分類似、又添加了幾種增加高溫強度 合金元素的高溫合金粉末A，再添加的合金元素組分為(質量百分數) B0.005%、 Si0.2%、 Y203 0. 02%、 Hf 0. 01%,熔覆堆焊成型到所需要的渦輪盤 心部毛坯尺寸；再在坯料邊緣熔覆堆焊與GH738成分類似、又添加了幾種增加高溫持久強度、疲勞強度以及易于機加工的合金元素的高溫合金粉末B, 再添加的合金元素的組分為(質量百分數)FeTil.0%, FeSi0.8%， Y203 0.02 %，繼續(xù)熔覆堆焊成型構成渦輪盤外圓部坯料。經切片探傷檢驗無缺 陷，作為渦輪盤坯料送轉精密鍛造。
其熔覆工藝參數是功率4800 W，焦距320 380 mm,光斑尺寸 1.5X10 mm,掃描速度240 360咖/min，置粉厚度0. 5 1. 0 mm。熔覆 過程中對熔池采用惰性氣體保護。
實施例3:
用熔覆性能穩(wěn)定的5000W大功率C02激光器，在設計的GH4698高溫合金 芯棒基礎上激光熔覆堆焊與GH4698成分類似、又添加了幾種增加高溫強度 合金元素的高溫合金粉末A，再添加的合金元素的組分為(質量百分數) SiO.2% 、 Nil. 6%、 Y203 0.01%、 Hf 0.01%，熔覆堆悍成型到所需要的渦輪盤 心部毛坯尺寸；再在坯料邊緣熔覆堆焊與GH738成分類似、又添加了幾種增 加高溫持久強度、疲勞強度以及易于機加工的合金元素的高溫合金粉末B， 再添加的合金元素的組分為(質量百分數)FeTil.0%， FeSiO.8%, Y203 0.02 %，繼續(xù)熔覆堆焊成型構成渦輪盤外圓部坯料。經切片探傷檢驗無缺 陷，作為渦輪盤坯料送轉精密鍛造。
其熔覆工藝參數是功率4800 W，焦距320 380 mm,光斑尺寸 1.5X10 mm,掃描速度240 360 mm/min，置粉厚度0.5 1.0inm。烙覆 過程中對熔池采用惰性氣體保護。
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權利要求
1. 一種航空發(fā)動機輪盤葉片一體的高溫合金渦輪盤坯料的制備方法，其特征在于包括有以下步驟(1)用熔覆性能穩(wěn)定的大功率(5000W以上)CO2激光器，在設計的高溫合金芯棒基礎上，預置同成分且適宜熔覆的高溫合金粉末A，熔覆堆焊成型到所需要的心部毛坯尺寸，再在坯料邊緣預置高溫合金粉末B，繼續(xù)熔覆堆焊成型直到輪盤葉片一體的渦輪盤所需的毛坯尺寸，其中心部毛坯具有高溫下的高強度、坯料邊緣部除具有高持久強度和疲勞強度外，還具有耐沖刷易加工特性，以滿足葉片機加和使用的性能；(2)所述在坯料心部(底層)預置的高溫合金粉末A的組分中除高溫合金芯棒的組分外再添加以下合金元素中的至少三種元素Ni、B、Si、Y2O3和Hf；在坯料邊緣(中上層)預置的高溫合金粉末B的組分中除高溫合金芯棒的組分外再添加以下合金元素中的至少兩種元素FeTi、FeSi、Y2O3和Hf；(3)所述在坯料心部(底層)預置的高溫合金粉末A的組分中除高溫合金芯棒的組分外再添加的合金元素比例為Ni0. 5～2.0％，B0.5～2.0％，Si0.5～2.0％，Y2O30.01～0.05％，Hf0.01～0.05％。所述在坯料邊緣(中上層)預置的高溫合金粉末B的組分中除高溫合金芯棒的組分外再添加的合金元素比例為FeTi0. 2～2.0％，FeSi0.2～2.0％，Y2O30.01～0.05％，Hf0. 01～0.05％；(4)在熔覆操作中采用5000～10000W橫流連續(xù)CO2激光器，其熔覆工藝參數是功率4800～8000W，焦距300～400mm，光斑尺寸1.5×10mm，掃描速度240～400mm/min，置粉厚度0.5～1.0mm。熔覆過程中對熔池采用惰性氣體保護。
全文摘要
一種航空發(fā)動機輪盤葉片一體的高溫合金渦輪盤坯料的制備方法，包括用熔覆性能穩(wěn)定的大功率CO₂激光器，在高溫合金芯棒基礎上，預置同成分且適宜熔覆的高溫合金粉末A，熔覆堆焊成型到所需要的心部毛坯尺寸，再在坯料邊緣預置高溫合金粉末B，繼續(xù)熔覆堆焊成型直到輪盤葉片一體的渦輪盤所需的毛坯尺寸；所述高溫合金粉末A的組分中除高溫合金芯棒的組分外再添加以下至少三種元素Ni、B、Si、Y₂O₃和Hf；高溫合金粉末B的組分中除高溫合金芯棒的組分外再添加以下至少兩種元素FeTi、FeSi、Y₂O₃和Hf。本發(fā)明對現有的激光熔覆成型工藝進行改進，使之適用于航空發(fā)動機輪盤葉片一體的高溫合金渦輪盤大型坯料的制備。
文檔編號B23K26/00GK101480756SQ200910010309
公開日2009年7月15日 申請日期2009年2月6日 優(yōu)先權日2009年2月6日
發(fā)明者江 陳, 陳常義 申請人:沈陽大陸激光技術有限公司