一种整体叶盘的制造方法与流程

本申请涉及焊接技术领域，具体涉及一种整体叶盘的制造方法。

背景技术：

整体叶盘不仅能够有效减少构件重量及零件数量，从而大大简化发动机结构，而且由于避免了传统的榫头/榫槽连接结构所带来的漏气损失、提高了发动机气动效率，因此得以越来越广泛地应用于航空发动机的转子构件上。早期的整体叶盘的制造工艺为整体锻件+数控铣，但该方法存在整体大规格锻件成形及组织性能控制困难、难以实现整体叶盘不同部位对不同组织性能的要求、机械加工周期长、材料利用率低、毛坯成本较高等缺点，再加上损伤后修复困难，一度制约了其扩大应用。通过发展线性摩擦焊、电子束焊等整体叶盘的制造和损伤修复技术，有效解决了上述缺点。线性摩擦焊目前已成为欧美航空技术发达国家整体叶盘制造的主流技术，其制造原理见图1(图中p为顶锻力，以下同)。

采用线性摩擦焊、电子束焊技术制造整体叶盘存在叶片焊接定位精度和叶型加工控制精度要求高、焊接变形控制难、焊后热处理实施难、设备昂贵等缺点，而且焊接时受夹具可达性的制约，其在大规格且叶片数量较少的整体叶盘的制造上才更能体现其优点。除上述缺点外，电子束焊还因属于高能束熔焊，焊缝的组织性能与基体相比存在一定差距，影响构件的使用寿命和可靠性。

线性摩擦焊、电子束焊制造整体叶盘还涉及一个关键结构、强度要素—焊缝位置的选取。为了使焊缝位置避开叶身上的最危险截面即一阶弯曲应力区(靠近叶根)，盘缘需要预留较高的叶根(见图2)，导致叶片往往存在两种不同的组织，而不同组织之间的界面往往成为整体叶盘叶片部位强度的薄弱区域，增大构件的可靠性风险。

技术实现要素：

本发明提供一种整体叶盘的制造方法，解决目前整体叶盘制造方法存在的大规格整体叶盘锻件冶金质量控制难、焊后热处理实施难、焊接定位和叶片加工定位精度要求高、加工效率低等问题。

本申请提供基于惯性摩擦焊技术的一种整体叶盘的制造方法，所述方法包括：

根据轮盘和叶片的锻件图，完成轮盘锻件和叶片锻件的制坯，所述轮盘锻件为圆柱体结构，叶片锻件为中空的圆环体结构，所述轮盘锻件的外径与叶片锻件的内径名义尺寸一致，见图5；

分别对叶片锻件和轮盘锻件进行高温热处理；

根据坡口角α、焊接收缩量和焊合面的配合尺寸，对叶片锻件和轮盘锻件进行焊合面加工，所述坡口角α为锻件焊合面与锻件端面夹角的余角，见图6；

根据预设飞轮转动惯量j、转速n和顶锻力p，将所述轮盘部位在旋转的同时穿过叶片锻件的内部，两者的焊合面相互摩擦产生热接触并处于热塑性状态，随后施加顶锻力使轮盘锻件和叶片锻件焊为一体，形成整体叶盘毛坯；

对所述整体叶盘焊接毛坯进行最终热处理；

对所述整体叶盘焊接毛坯进行精加工成形。

优选的，所述分别对叶片锻件和轮盘锻件进行高温热处理，具体包括:

分别对叶片锻件和轮盘锻件进行固溶处理或淬火处理。

优选的，所述坡口角α的范围为0°～30°。

优选的，飞轮转动惯量j≥11000kg·m²、转速n≥1000r/min、顶锻力p≥250mpa。

优选的，在分别对叶片锻件和轮盘锻件进行高温热处理之后，方法还包括：

对叶片锻件和轮盘锻件的粗加工。

优选的，对所述整体叶盘毛坯进行最终热处理，具体包括：

根据所述整体叶盘毛坯材料的不同，对所述整体叶盘毛坯进行时效、回火和退火处理。

优选的，根据预设飞轮转动惯量j、转速n和顶锻力p，将所述轮盘部位在旋转的同时穿过叶片锻件的内部，具体包括：

采用惯性摩擦焊设备，根据预设飞轮转动惯量j、转速n和顶锻力p，将所述轮盘部位在旋转的同时穿过叶片锻件的内部，两者的焊合面相互摩擦产生热接触并处于热塑性状态，随后施加顶锻力使轮盘锻件和叶片锻件焊为一体，形成整体叶盘毛坯

优选的，方法还包括：

对所述整体叶盘毛坯进行无损检测。

本发明的有益效果：

a)相对于整体锻件加工的成形工艺，本发明降低了锻件冶金质量均匀性和稳定性的控制难度，提高了材料利用率并降低了锻件的成本；

b)相对于线性摩擦焊制造整体叶盘的成形工艺，本发明由于是有余量的坯料焊接，可有效解决热处理变形控制和工序匹配问题；

c)相比于线性摩擦焊制造整体叶盘的成形工艺，焊缝位置的选择更加灵活，更有利于优化叶身组织、避开危险截面，提高使用寿命和可靠性(见图8)，焊缝不仅远离危险截面，而且可保证叶片具有相同的材料和组织性能)；

d)由于惯性摩擦焊需要控制的焊接参数主要有飞轮转动惯量j、转速n、顶锻力p三项，并且操作简单，因而易于实现自动化，生产效率高。

附图说明

图1线性摩擦焊制造整体叶盘示意图；

图2线性摩擦焊制造整体叶盘焊缝位置示意图；

图3惯性摩擦焊原理示意图；

图4a为本申请提供的一种惯性摩擦焊制造整体叶盘原理示意图；

图4b为本申请提供的另一种惯性摩擦焊制造整体叶盘原理示意图；

图5a为本申请提供的一种惯性摩擦焊制造整体叶盘锻件设计示意图；

图5b为本申请提供的另一种惯性摩擦焊制造整体叶盘锻件设计示意图；

图6惯性摩擦焊制造整体叶盘锻件粗加工结构示意图；

图7惯性摩擦焊制造整体叶盘技术方案流程图；

图8惯性摩擦焊制造整体叶盘主要工序示意图。

具体实施方式

本发明提供一种基于惯性摩擦焊技术的整体叶盘的制造方法，解决目前整体叶盘制造方法存在的大规格整体叶盘锻件冶金质量控制难、焊后热处理实施难、焊接定位和叶片加工定位精度要求高、加工效率低等问题，最终降低大规格整体叶盘的制造成本、提高其制造效率。

惯性摩擦焊原理与线性摩擦焊类似，只是焊接件运动方向改为沿构件的中心轴线进行相对高速旋转，相互摩擦产生的热接触面处于热塑性状态，随后施加顶锻力使构件焊为一体，其焊接原理见图3(图中n为惯性摩擦焊机的飞轮转速，以下同)，制造整体叶盘示意图见图4(图中a、b为焊合面)。

惯性摩擦焊与线性摩擦焊同属于固相焊接技术，除了具有焊接接头质量好且稳定、适合于同材或异材构件间的焊接的优点外，还具有焊接生产效率高、生产成本低，容易实现机械化和自动化，操作简单、易于维护的突出优点。

实施例一

为实现惯性摩擦焊制造整体叶盘的目的，本发明采用如下的技术方案：

1)锻件的设计及制备，锻件的设计主要是根据叶片和轮盘的外形轮廓进行包容性设计，在确保包容性的原则下尽可能采用较小的锻造余量以减小锻件规格，降低锻件组织性能均匀性和批次稳定性控制的难度；锻件的制备应根据锻件设计图，并在综合考虑冶金质量控制、锻造费用等因素的基础上采用自由锻和模锻(普通模锻、精密模锻)等多种成形方式。当锻件的高度(h)较小，为便于装夹，锻件可增加b区部分，该区除用于装夹外还可用作试样环，以检测轮盘锻件的组织性能，见图5；

2)根据锻件材料的强化类型所要求的热处理制度对锻件进行较高温度的热处理，如固溶或淬火处理，以避免热处理变形对后续工序的影响；

3)在预留焊接收缩量和精加工余量的基础上对叶片和轮盘锻件进行焊接前粗加工，以最大限度地减少焊接后的加工余量，同时为控制摩擦升热、减小焊接阻力，叶片和轮盘的焊合面采用带坡口角α的斜焊缝的形式(见图6)；

4)采用惯性摩擦焊设备对粗加工后叶片和轮盘锻件进行焊接，形成焊接式整体叶盘半成品；

5)根据锻件材料的强化类型所要求的热处理制度完成焊接式整体叶盘半成品的时效、回火或退火处理，在保证组织性能的同时消除焊接残余应力；

6)对热处理后的焊接式整体叶盘半成品进行精加工，完成焊接式整体叶盘零件的最终加工成形。

技术方案流程图见图7，主要工序示意图见图8。

实施例二

工序1：根据整体叶盘工程图结构尺寸要求加放锻造余量设计叶片部位和轮盘部位锻件图，由锻件图设计模具图，完成轮盘锻件和叶片锻件的制坯；

工序2：分别进行叶片锻件和轮盘锻件的固溶或淬火等高温热处理；若后续加工余量较小，也可一次性完成全部热处理(固溶+时效/淬火+回火/退火)；

工序3：完成叶片和轮盘轮廓的粗加工及焊合面的加工，其中坡口角α的大小和考虑了焊接收缩量的焊合面的配合尺寸及公差控制是影响焊缝冶金质量的关键因素，α在0°～30°范围内选取；

工序4：采用惯性摩擦焊设备将粗加工后的叶片部位和轮盘部位焊接为整体叶盘毛坯，其中的关键是设定飞轮转动惯量j、转速n、顶锻力p，推荐焊接参数：飞轮转动惯量j≥11000kg·m²、转速n≥1000r/min、顶锻力p≥250mpa；

工序5：完成焊接整体叶盘毛坯的最终热处理(时效/回火/退火)，在获得所需要的组织性能的同时消除焊接残余应力；

工序6：完成整体叶盘零件的精加工成形。