一种GH4169和TA19同种、异种材料多级转子组件及其制备方法与流程

一种gh4169和ta19同种、异种材料多级转子组件及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及航空发动机转子制造技术，尤其涉及一种异种合金多级转子组件及其制备方法。


背景技术：

2.航空发动机转子在高温、高压、高转速下运转工作，零件承受热载荷、气动载荷和离心载荷等，对于转子组件的综合性能提出了更高的要求。一方面随着发动机推重比的提高，盘件的使役温度也在不断提高，因此，粉末高温合金gh4169合金、低成本ta19合金也被逐渐应用到航空发动机盘转动件中，例如高压压气机盘、高压涡轮盘等。另一方面，为了减轻结构重量、增强结构可靠性，航空发动机转子向轻量化、一体化方向发展，不同材料组合的转子也由此带来了一体化连接的问题。
3.在多级转子一体化方面，目前应用最广的工艺是通过焊接实现多级转子组件的连接。在焊接方法的选择上，由于ta19和gh4169在材料成分、组织性能上差异很大，不能直接采用焊接工艺进行连接，目前对于钛合金和高温合金转子组件之间的连接方式采用的螺栓连接。但螺栓连接增加了转子组件的重量、降低了连接可靠性，从而增加了发动机的整体重量、降低发动机效率。
4.近年来，热等静压近净成形技术日趋成熟，该技术是将热等静压致密化和近净成形工艺过程控制相结合，能够为后续机械加工、等温锻造或热处理过程提供所需形状、尺寸和组织的热制毛坯。
5.热等静压近净成形工艺与典型转子组件的焊接工艺相比具有以下优势：
6.1)组织均匀、力学性能高：热等静压近净成形零件的致密度高，成分均匀，组织中没有宏观成分偏析，因此综合力学性能优异可达到锻件水平，高于焊接接头的力学性能。
7.2)减少机加工工序：与采用锻件进行机加工相比，热等静压近净成形零件工艺过程相对简单，仅在组件中进行组合加工，减少了转子组件在焊接前的加工工序。
8.3)设备简单：热等静压近净成形技术主要利用热等静压设备，避免了大型焊接设备、尤其是大型惯性摩擦焊设备的使用，解决焊接设备资源紧张的问题。
9.4)适用于各种结构：针对各种结构，尤其是复杂结构，均可以通过热等静压近净成形工艺进行制备。
10.5)制造成本低：热等静压近净成形零件材料利用率高，工艺过程相对简单，工艺周期短，降低了制造成本。
11.采用热等静压近净成形技术制备gh4169和ta19合金同种、异种材料多级转子组件，需采用gh4169和ta19两种合金粉末，但在粉末状态下进行结合时，gh4169和ta19两种粉末在界面处存在混粉、混粉后的成分分布难以控制，无法保证结合面处的成分、组织和性能。另外，gh4169和ta19两种合金的热处理制度也不同，为整个组件的热等静压工艺参数选择提出了更高的要求。
12.因此，针对gh4169和ta19合金同种、异种材料多级转子组件，需要对多级转子组件的制备方法进行改进以解决上述问题。


技术实现要素：

13.本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种gh4169和ta19合金同种、异种材料多级转子组件的制备方法，使多级转子部分之间结合面组织均匀性好、整体性能高，同时制备成本相对较低。
14.为了解决以上问题，根据本发明的第一个方面，提供了一种gh4169和ta19同种、异种材料多级转子组件的制备方法，所述转子组件具有由gh4169合金制成的第一盘体区和由ta19合金制成的第二盘体区，所述第一盘体区具有至少一级转子部分，所述第二盘体区具有至少一级转子部分，所述制备方法包括以下步骤：
15.设计所述转子组件的每级转子部分的预制体；
16.制备每级所述预制体的包套，每级所述包套在与相邻包套连接位置设有包套接口；
17.从最末级所述包套开始将所述包套与前级包套在所述包套接口处焊接，在焊接前对待焊接的两级所述包套中的后级包套填充合金粉末并冷压压实，在焊接第一级所述包套前对第一级所述包套填充合金粉末并冷压压实，从而获得各级依次连接的转子组件预制体；
18.对所述转子组件预制体进行温度1020℃至1070℃、压力130mpa至170mpa、时间1.5小时至3小时的热等静压处理，获得转子组件毛坯；
19.对所述转子组件毛坯去除所述包套；
20.对所述转子组件毛坯的所述第一盘体区和所述第二盘体区分区进行热处理，其中所述第一盘体区和所述第二盘体区的结合区域与所述第一盘体区一起进行热处理，从而获得转子组件。
21.优选的，所述第一盘体区的所述至少一级转子部分为连续设置，所述第二盘体区的所述至少一级转子部分为连续设置。
22.优选的，所述第一盘体区位于所述第二盘体区的前级。
23.优选的，所述第二盘体区位于所述第一盘体区的前级。
24.优选的，所述第一盘体区包括两级转子部分，所述第二盘体区包括一级转子部分。
25.优选的，对最末级所述包套填充合金粉末并冷压压实时，同时对第一级所述包套填充合金粉末并冷压压实。
26.优选的，所述热处理包括固溶处理，对所述第一盘体区和所述结合区域进行的固溶处理为在温度950℃至980℃范围内保温1小时至3小时后进行空冷，同时对所述第二盘体区进行的固溶处理为在温度960℃至990℃范围内保温0.5小时至2.5小时后进行空冷。
27.优选的，所述热处理还包括时效处理，所述时效处理在所述固溶处理后进行，对所述第一盘体区和所述结合区域进行的时效处理为在温度705℃至735℃范围内保温7小时至9小时、在温度605℃至635℃范围内保温7小时至9小时后进行空冷，同时对所述第二盘体区进行的时效处理为在温度585℃至620℃范围内保温4小时至10小时后进行空冷。
28.优选的，在所述热处理步骤后还包括：
29.对所述转子组件毛坯进行探伤检查；以及
30.对所述转子组件毛坯进行组合加工和去应力处理。
31.根据本发明的第二个方面，提供了一种gh4169和ta19同种、异种材料多级转子组件，所述转子组件具有由gh4169合金制成的第一盘体区和由ta19合金制成的第二盘体区，所述第一盘体区具有至少一级转子部分，所述第二盘体区具有至少一级转子部分，所述转子组件采用如前述的制备方法制备。
32.本发明通过将多级转子组件分为两种合金区域，对不同合金区域在热等静压前填充粉末时通过冷压方法压实，在热等静压后通过对两种不同合金区域及异种材料结合区进行分区热处理，有效解决了gh4169、ta19两种成分的粉末在界面处如何实现结合以及两种材料热处理制度不统一的问题。与现有技术相比，本发明采用的多级发动机转子的热等静压净近成形方法，所制备得到的转子在结构形式上可以通过自由组合，不受组件级数限制；最终的转子组件为一次热等静压成形，结合面组织均匀性好，多级转子整体性能高，对ta19+gh4169结合处进行拉伸性能测试结果为σb≥900mpa，可达到ta19+gh4169焊接接头的性能水平，对ta19合金进行拉伸性能测试结果为σb≥900mpa，可达到ta19合金的锻件性能水平，对gh4169合金进行拉伸性能测试结果为σb≥1300mpa，可达到gh4169合金的锻件性能水平，实现了gh4169和ta19合金同种、异种材料多级转子组件的精益制造，提升了转子的使用性能；并且本发明的方法对预压制体采用冷压成型，既能够避免混粉又降低了采用大型焊接设备的制备成本，并且还缩短了制备工艺流程，降低了制备难度。
附图说明
33.本发明的以上发明内容以及下面的具体实施方式在结合附图阅读时会得到更好的理解。需要说明的是，附图仅作为所请求保护的发明的示例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的元素。
34.图1是根据本发明一实施例的多级转子组件的示意图；
35.图2是图1所示的多级转子组件的预制体设计示意图；
36.图3是图1所示的多级转子组件的包套设计示意图；
37.图4是图1所示的多级转子组件的预制体制备示意图；
38.图5是图1所示的多级转子组件毛坯的示意图。
39.附图标号说明：
40.1：三级转子组件
41.1a：第一盘体区
42.1b：第二盘体区
43.1-1：第一级转子部分
44.1-2：第二级转子部分
45.1-3：第三级转子部分
46.2-1：第一级预制体
47.2-2：第二级预制体
48.2-3：第三级预制体
49.3-1：第一级包套
50.3-2：第二级包套
51.3-3：第三级包套
52.3-4：包套接口
53.4-1：gh4169合金粉末
54.4-2：ta19合金粉末
55.5：预留量
56.6：转子组件毛坯
57.6-1：第一级毛坯
58.6-2：第二级毛坯
59.6-3：第三级毛坯
60.6-4：异种材料结合区
具体实施方式
61.以下在具体实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的说明书、权利要求及附图，本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。
62.为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本发明的保护范围进行限制。例如在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一和第二特征之间可以不直接联系。另外，这些公开内容中可能会在不同的例子中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一和第二元件间接地相连或彼此结合。
63.另外，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。同时，本技术使用了特定词语来描述本技术的实施例。方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此也不能理解为对本发明保护范围的限制。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本技术至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本技术的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
64.本发明提供了一种gh4169和ta19同种、异种材料多级转子组件的制备方法，转子组件具有由gh4169合金制成的第一盘体区和由ta19合金制成的第二盘体区，第一盘体区具
有至少一级转子部分，第二盘体区具有至少一级转子部分。较佳的，第一盘体区和第二盘体区的至少一级转子部分都是为连续设置，第一盘体区可以设置于第二盘体区的前级，也可设置于第二盘体区的后级。
65.首先根据结构设计和选材要求，将多级转子组件分为多个单级转子部分，并根据热等静压工艺近净成形的工艺特点和后续组合毛坯的加工要求，设计转子组件的每级单级转子部分的热等静压预制体，包括制备方案和单级预制体的预留量。
66.按照每个预制体的结构制备每级预制体的包套，包套结构与最终转子组件的结构基本相同，每级包套在与相邻包套连接位置设有包套接口，所制备的包套预留该包套接口。
67.焊接包套和填充合金粉末时可采用从后往前的顺序，从最末级包套开始将包套与前级包套在包套接口处焊接，在焊接每级包套前对待焊接的两级包套中的后级包套填充合金粉末并冷压压实，通过冷压方法压实后的合金粉末已成为一体，不会发生散粉或者与下一级发生混粉。在焊接第一级包套前对第一级包套填充合金粉末并冷压压实，优选的，填充粉末时首先填充转子组件中两端的两级预制体，即对最末级包套填充合金粉末并冷压压实的同时对第一级包套填充合金粉末并冷压压实。与相邻级的包套进行焊接后，再对相邻级的包套填入对应的合金粉末，再次冷压压实后、将下一个相邻级的包套在接口位置焊接，再填充对应的合金粉末，以此类推，最终在包套处与转子组件另一端的预制体通过焊接进行连接，完成整个预制体的粉末填充和冷压成型，获得各级依次连接的转子组件预制体。
68.将已冷压成形的转子组件预制体进行温度1020℃至1070℃、压力130mpa至170mpa、时间1.5小时至3小时的热等静压处理，保证粉末的塑性变形、扩散蠕变，并最终形成转子组件毛坯。
69.对转子组件毛坯去除包套，完成gh4169和ta19合金同种、异种材料多级转子组件毛坯的制备。
70.针对gh4169和ta19两种合金热处理制度不同的问题，需要对多级转子组件的两种合金区域进行分区热处理以获得所需组织，即对转子组件毛坯的第一盘体区和第二盘体区分别进行热处理，对第一盘体区和第二盘体区间的异种材料结合区域与采用gh4169合金的第一盘体区一起进行热处理。
71.进一步的，热处理包括固溶处理，为减少温度差异过大造成的热辐射影响，两种材料的固溶处理时间、时效处理时间可以保持一致或接近，因此，对采用gh4169合金的第一盘体区和异种材料结合区域进行的固溶处理可以优选为加热到温度950℃至980℃的范围内保温1小时至3小时后进行空冷的固溶处理，时效处理可以优选为加热到温度705℃至735℃的范围内保温7小时至9小时、接着在温度605℃至635℃的范围内保温7小时至9小时后进行空冷的时效处理，对采用ta19合金的第二盘体区进行的固溶处理可以优选为加热到温度960℃至990℃的范围内保温0.5小时至2.5小时后进行空冷的固溶处理，时效处理可以优选为加热到温度585℃至620℃的范围内保温7小时至10小时后进行空冷的时效处理。
72.较佳的是，可对转子组件毛坯进行探伤检查，检查内部质量，优选的，探伤检查采用水浸探伤。
73.较佳的是，最后可对转子组件毛坯进行组合加工和去应力处理。
74.如图1所示，以三级转子组件1为例，其包括第一盘体区1a和第二盘体区1b，第一盘体区1a包括选材为gh4169合金的第二级转子部分1-2和第三级转子部分1-3，第二盘体区1b
包括选材为ta19合金的第一级转子部分1-1，该三级转子组件1采用热等静压近净成形制备，包括如下步骤：
75.步骤一：如图2所示，将转子组件分为三个部分，即三级单级转子部分1-1、1-2、1-3，对各单级转子部分的预制体，即第一级预制体2-1、第二级预制体2-2、第三级预制体2-3进行设计，并考虑预制体2-1、2-2、2-3的预留量5；
76.步骤二：如图3所示，设计和制造三级转子的各级预制体2-1、2-2、2-3的包套3-1、3-2、3-3，并在与相邻包套的接口位置预留包套接口3-4；
77.步骤三：如图4所示，首先向第三级包套3-3填充gh4169合金粉末4-1，同时向第一级包套3-1填充ta19合金粉末4-2，通过冷压方法压实，在包套接口3-4位置将第三级包套3-3与第二级包套3-2进行焊接，焊接后再向第二级包套3-2填入ta19合金粉末4-2，再次冷压压实后在包套接口3-4处将第二级包套3-2与第一级包套3-1进行焊接，得到三级转子组件预制体；
78.步骤四：将组合后的三级转子组件预制体进行热等静压处理，热等静压工艺参数为：温度1040℃至1060℃、压力140mpa至150mpa、时间1.5小时至2小时，得到三级转子组件毛坯6，如图5所示；
79.步骤五：对三级转子组件毛坯6进行组合加工或化学法处理以去除包套；
80.步骤六：对第一级毛坯6-1进行热处理，同时对第二级毛坯6-2、第三级毛坯6-3和异种材料结合区6-4进行热处理，包括：首先将第一级毛坯6-1加热到960℃至990℃的温度范围内保温1小时后进行空冷，同时，将第二级毛坯6-2、第三级毛坯6-3和异种材料结合区6-4加热到960℃至970℃的温度范围内保温1小时至2小时后进行空冷，完成固溶处理；然后将第一级毛坯6-1加热到600℃的温度保温9小时后进行空冷，同时，将第二级毛坯6-2、第三级毛坯6-3和异种材料结合区6-4加热到720℃～730℃的温度范围内保温7小时至9小时、接着在620℃至630℃的温度范围内保温7小时至9小时后进行空冷，完成时效处理；
81.步骤八：对三级转子组件毛坯6进行水浸探伤；
82.步骤九：对三级转子组件毛坯6进行组合加工，在加工过程中进行去应力处理。
83.根据本发明的第二个方面，提供了一种采用如前述的制备方法制备的gh4169和ta19同种、异种材料多级转子组件1。
84.本发明的gh4169和ta19同种、异种材料多级转子组件可有利地应用于航空发动机等高性能、轻重量要求的发动机。
85.这里采用的术语和表述方式只是用于描述，本发明并不应局限于这些术语和表述。使用这些术语和表述并不意味着排除任何示意和描述(或其中部分)的等效特征，应认识到可能存在的各种修改也应包含在权利要求范围内。其他修改、变化和替换，例如不同规格的元器件的替换，也可能存在。相应的，权利要求应视为覆盖所有这些等效物。
86.同样，需要指出的是，虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可做出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本技术的权利要求书的范围内。