一种制备合金盘件的装置及方法与流程

本发明属于合金制件技术领域，涉及一种制备合金盘件的装置，还涉及一种制备合金盘件的方法。

背景技术：

随着航空航天对发动机推重比要求的进一步提高，航空发动机热端的燃气温度不断升高，对高温合金的工作温度和性能的要求越来越高，镍基高温合金由于其较高的使用温度和优良的性能，在发动机热端的应用越来越广泛。

目前，先进发动机涡轮前工作温度已高达1750℃左右，这需要合金材料具有较高的承温能力和性能稳定性。航空发动机用涡轮盘，盘心部位(轮毂)工作温度低，但它相应的要受到涡轮轴的扭转作用，需要细晶组织以保证足够的拉伸强度和疲劳抗力；盘缘部位(轮缘)要承受的工作温度高，所以需要粗晶组织保证足够的持久、蠕变和抗疲劳裂纹扩展性能，这样就要求涡轮盘件的不同区域具有不同晶粒尺寸的显微组织，以获得相应的力学性能。因此，要延长其使用寿命，在涡轮盘结构设计中通常有两种途径可以选择：一种是增加盘件的厚度，降低局部应力水平，保证涡轮盘在高温作业下合金材料显微组织的稳定性，另外一种途径是制备双性能涡轮盘，这种方法不仅可以减轻盘件的重量，优化涡轮盘结构设计，还能充分挖掘材料的性能，因此是一种行之有效的途径。

双性能涡轮盘按结构可分为两种类型：单一合金双性能涡轮盘和双合金双性能涡轮盘。双合金双性能涡轮盘制备的工艺难点是如何将两种合金，即盘缘和盘心部位所选择的合金连接在一起，而不出现严重“弱连接”问题，从而使连接区避免成为涡轮盘破裂根源。制备工艺包括超塑性锻造、hip或扩散连接、锻造增强连接以及喷射成形以及局部热处理或定向凝固热处理等。但是，超塑性锻造及锻造增强连接所需设备造价昂贵，且已限制出口至中国，hip扩散连接无法有效去除“弱连接”问题，喷射成型无法制备大尺寸零件，局部热处理和定向凝固热处理均需要结构复杂，操作困难的设备，都无法实现双性能盘的有效制备。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种制备合金盘件的装置，解决了现有技术中存在合金盘件的弱连接的问题。

本发明的另一目的是提供一种制备合金盘件的方法。

本发明所采用的技术方案是，一种制备合金盘件的装置，包括包套，包套内活动安装有两个挡板，每个挡板一端均位于包套外并固接有把手，包套上表面安装有下粉口a和下粉口b。

下粉口a位于其中一个挡板一侧，下粉口b位于两个挡板之间。

本发明所采用的另一技术方案是，一种制备合金盘件的方法，具体按照以下步骤进行：

步骤1，制备合金粉末a和合金粉末b；

步骤2，将步骤1得到的合金粉末a通过下粉口a进入包套1内，装满后封焊下粉口a，合金粉末b通过下粉口b进入包套1内，装满后封焊下粉口b；

步骤3，将包套1上的两个挡板取出，使用电子枪熔化挡板凹槽使包套密封；

步骤4，将步骤3中得到的包套进行热等静压处理；

步骤5，将步骤4中得到的包套进行热处理，然后对坯料进行机加工，得到合金盘件。

步骤1中，采用等离子旋转电极法制备合金粉末a和合金粉末b。

步骤1中，合金粉末a的粒度为53～106μm，合金粉末b的粒度为15～53μm。

步骤2中，包套1内的真空度为6×10^-3～8×10^-3pa，包套1内温度为300～650℃，下粉速率为20～65kg/h。

步骤3中，密封过程中，包套持续振动，振动时间为30～60min，振动频率为15～50hz。

步骤4中，热等静压时间为2～10h，热等静压压力为120～150mpa。

步骤5中，热处理过程中，首先在1190～1210℃温度下保温4～10h，降低温度至1150～1170℃，保温0.5～1h，之后在850～920℃下保温8～32h，出炉空冷。

本发明的有益效果是，所用合金粉末为等离子旋转电极法制备，粉末含氧量极低且球形度高，有利于粉末紧密填充并可有效避免成型过程中产生ppb和热诱导孔洞等缺陷；使用巧妙的包套结构设计，实现了异金属粉末的同步填充，挡板撤离时的持续振动使得粉末a和粉末b充分混合，形成过渡区，有效的避免成型后的弱连接问题；成型后制件无需额外锻造，无需复杂的梯度热处理，有效减少生产周期并降低成本。

附图说明

图1是本发明一种制备合金盘件的装置的结构示意图；

图2是本发明制备的合金盘件的盘心组织的扫描电镜图；

图3是本发明制备的合金盘件的轮缘组织的扫描电镜图。

图中，1.包套，2.挡板，3.把手，4.下粉口a，5.下粉口b。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种制备合金盘件的装置，如图1所示，包括包套1，包套1内活动安装有两个挡板2，两个挡板2将包套1内腔分为3个独立的空间，每个挡板2一端均位于包套1外并固接有把手3，包套1上表面安装有下粉口a4和下粉口b5。

下粉口a4位于其中一个挡板2一侧，下粉口b5位于这个挡板2的另一侧，同时，下粉口b5位于两个挡板2之间，利用挡板将粉末机械式的分开，可以一次性实现不同粒度段粉末的装粉。

本发明所采用的另一技术方案是，一种制备合金盘件的方法，具体按照以下步骤进行：

步骤1，制备合金粉末a和合金粉末b；

步骤2，将步骤1得到的合金粉末a通过下粉口a4进入包套1内，装满后封焊下粉口a4，合金粉末b通过下粉口b5进入包套1内，装满后封焊下粉口b5；

步骤3，将包套1上的两个挡板2取出，使用电子枪熔化挡板凹槽使包套1密封；

步骤4，将步骤3中得到的包套进行热等静压处理；

步骤5，将步骤4中得到的包套进行热处理，然后对坯料进行机加工，得到合金盘件。

步骤1中，采用等离子旋转电极法制备合金粉末a和合金粉末b。

步骤1中，合金粉末a的粒度为53～106μm，合金粉末b的粒度为15～53μm。

步骤2中，包套1内的真空度为6×10^-3～8×10^-3pa，包套1内温度为300～650℃，下粉速率为20～65kg/h。

步骤3中，密封过程中，包套1持续振动，振动时间为30～60min，振动频率为15～50hz。

步骤4中，热等静压时间为2～10h，热等静压压力为120～150mpa。

步骤5中，热处理过程中，首先在1190～1210℃温度下保温4～10h，降低温度至1150～1170℃，保温0.5～1h，之后在850～920℃下保温8～32h，出炉空冷。

实施例1

一种制备合金盘件的方法，具体按照以下步骤进行：

步骤1，通过等离子旋转电极法制备合金粉末a和合金粉末b；

步骤2，将步骤1得到的合金粉末a通过下粉口a4进入包套1内，装满后封焊下粉口a4，合金粉末b通过下粉口b5进入包套1内，装满后封焊下粉口b5，其中，包套1内的真空度为6×10^-3pa，包套1内温度为650℃，下粉速率为20kg/h；

步骤3，将包套1上的两个挡板2取出，使用电子枪熔化挡板凹槽使包套1密封，密封过程中，包套1持续振动，振动时间为30min，振动频率为50hz；

步骤4，将步骤3中得到的包套进行热等静压处理，热等静压时间为10h，热等静压压力为150mpa；

步骤5，将步骤4中得到的包套进行热处理，热处理过程中，首先在1210℃温度下保温5h，降低温度至1150℃，保温1h，之后在920℃下保温8h，出炉空冷，然后对坯料进行机加工，得到合金盘件。

实施例2

一种制备合金盘件的方法，具体按照以下步骤进行：

步骤1，通过等离子旋转电极法制备合金粉末a和合金粉末b；

步骤2，将步骤1得到的合金粉末a通过下粉口a4进入包套1内，装满后封焊下粉口a4，合金粉末b通过下粉口b5进入包套1内，装满后封焊下粉口b5，其中，包套1内的真空度为7×10^-3pa，包套1内温度为300℃，下粉速率为50kg/h；

步骤3，将包套1上的两个挡板2取出，使用电子枪熔化挡板凹槽使包套1密封，密封过程中，包套1持续振动，振动时间为50min，振动频率为15hz；

步骤4，将步骤3中得到的包套进行热等静压处理，热等静压时间为10h，热等静压压力为120mpa；

步骤5，将步骤4中得到的包套进行热处理，热处理过程中，首先在1200℃温度下保温4h，降低温度至1160℃，保温0.5h，之后在900℃下保温32h，出炉空冷，然后对坯料进行机加工，得到合金盘件。

实施例3

一种制备合金盘件的方法，具体按照以下步骤进行：

步骤1，通过等离子旋转电极法制备合金粉末a和合金粉末b；

步骤2，将步骤1得到的合金粉末a通过下粉口a4进入包套1内，装满后封焊下粉口a4，合金粉末b通过下粉口b5进入包套1内，装满后封焊下粉口b5，其中，包套1内的真空度为8×10^-3pa，包套1内温度为600℃，下粉速率为65kg/h；

步骤3，将包套1上的两个挡板2取出，使用电子枪熔化挡板凹槽使包套1密封，密封过程中，包套1持续振动，振动时间为60min，振动频率为30hz；

步骤4，将步骤3中得到的包套进行热等静压处理，热等静压时间为2h，热等静压压力为130mpa；

步骤5，将步骤4中得到的包套进行热处理，热处理过程中，首先在1190℃温度下保温5h，降低温度至1170℃，保温1h，之后在850℃下保温12h，出炉空冷，然后对坯料进行机加工，得到合金盘件。

实施例4

一种制备合金盘件的方法，具体按照以下步骤进行：

步骤1，通过等离子旋转电极法制备合金粉末a和合金粉末b；

步骤2，将步骤1得到的合金粉末a通过下粉口a4进入包套1内，装满后封焊下粉口a4，合金粉末b通过下粉口b5进入包套1内，装满后封焊下粉口b5，其中，包套1内的真空度为6×10^-3pa，包套1内温度为500℃，下粉速率为33kg/h；

步骤3，将包套1上的两个挡板2取出，使用电子枪熔化挡板凹槽使包套1密封，密封过程中，包套1持续振动，振动时间为45min，振动频率为50hz；

步骤4，将步骤3中得到的包套进行热等静压处理，热等静压时间为5h，热等静压压力为140mpa；

步骤5，将步骤4中得到的包套进行热处理，热处理过程中，首先在1190℃温度下保温10h，降低温度至1160℃，保温0.8h，之后在800℃下保温22h，出炉空冷，然后对坯料进行机加工，得到合金盘件。

从图2中可以看出，盘心组织晶粒度可达4～5级，为细晶组织，从图3中可以看出，盘缘组织晶粒度可达6～7级，为粗晶组织。

粉末a和粉末b的氧含量均小于40ppm，粉末中非金属夹杂个数均≤5颗/kg，使用内置挡板的包套进行装粉，粉末装满后撤离挡板，使用电子枪熔化挡板凹槽实现密封，实现不同粒度粉末的同步填充。

本发明使用巧妙的包套结构设计，实现了异金属粉末的同步填充，挡板撤离时的持续振动使得粉末a和粉末b充分混合，形成过渡区，有效的避免成型后的弱连接问题，成型后制件无需额外锻造，无需复杂的梯度热处理，有效减少生产周期并降低成本。

本发明在一定温度一定真空度下分别对合金粉末a和合金粉末b进行装套封焊，使得合金粉末填充致密，通过填充后持续振动使得混合区两种粉末交错混合实现过渡，而后通过热等静压技术实现致密化，并经过热处理形成边缘组织粗大、轮毂组织细小、致密度高、无热诱导孔洞等粉末高温合金常见缺陷的合金盘件。

本发明是对现有的盘件制备工艺进行改进，使用巧妙的包套结构规避了异金属装套和连接问题，经过直接热等静压实现异金属粉末颗粒的紧密结合，可以有效避免组织“弱连接”问题，另外不需要进行大变形细化晶粒，也不需要进行复杂的梯度热处理，是一种高效、高性能、低成本的合金盘件制备方法。

表1本发明制备的合金盘件的盘心及盘缘性能表

从表中可以看出，本发明制备的合金盘件整体力学性能满足高温合金盘件要求，且盘心抗拉、屈服持久以及疲劳寿命远高于盘缘，满足了双性能盘盘心抗拉及疲劳性能高于盘缘的要求。