CN103691952B - 一种功能梯度性能涡轮盘的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种功能梯度性能涡轮盘的制备方法，属于快速凝固粉末冶金高温合金技术领域。涡轮盘的不同部位采用不同粒度的粉末进行直接热等静压成形，经过热处理后在盘件沿径向获得具有不同晶粒尺寸的梯度晶粒组织，使涡轮盘沿径向具有不同性能的梯度性能，轮毂具有高的拉伸强度和优异低周疲劳性能，轮毂和轮缘之间的力学性能具有良好的过渡，轮缘高持久、高抗蠕变性能，满足功能梯度性能盘件的要求。
Description
技术领域
本发明属于快速凝固粉末冶金高温合金技术领域，特别是提供了一种功能梯度性能涡轮盘的制备方法。
背景技术
涡轮盘是航空发动机的热端核心部件。现代高性能航空发动机涡轮盘的工作条件非常苛刻，涡轮盘承受应力场和温度场的叠加作用；应力包括在高速旋转时产生的离心力和振动载荷引起的应力；沿涡轮盘径向，应力由轮缘(盘的外圆部位)向轮毂(盘心部位)逐渐增大，形成应力梯度，温度由轮毂向轮缘逐渐增大，形成温度梯度。轮缘经受较高的温度和较低的应力，轮毂经受较低的温度和较高的应力。为满足涡轮盘在服役条件下力学性能的要求，必须保证轮毂具有高的拉伸强度和优异的低周疲劳性能，轮缘具有高的持久性能、抗蠕变性能和裂纹扩展抗力。
单一合金均一组织的盘件无法满足上述性能的要求。为使涡轮盘不同部位具有不同的性能，可以通过两种途径来实现：一是盘件不同部位采用不同的合金，即双金属盘(US 5100050,1992.03.31，US 5106012,1992.04.21，US 5143563,1992.09.01，US 5161950,1992.11.10，US 7537725B2,2009.05.26)，二是采用一种合金，盘件不同部位获得不同的晶粒组织(US 4820358,1989.04.11，US 5312497,1994.05.17，US 5527402,1996.01.18，US 5527020,1996.06.18，US 6478896B1,2002.11.12，US 6660110B1,2003.12.09)。双金属盘的不足之处在于没有解决两种合金的折衷热处理和过渡区应力问题。单一合金盘件不同部位获得不同的晶粒组织包括梯度热变形和双显微组织热处理(梯度热处理)两种工艺。梯度热变形工艺是在轮毂部位采用大变形量锻造，获得细晶组织，在轮缘部位采用小变形量锻造，获得粗晶组织。该工艺的不足之处在于热处理制度的选择很复杂。双显微组织热处理工艺是通过热变形使整体盘件得到均匀的细晶组织，然后盘件在固溶处理时沿径向建立温度梯度场，在盘件的不同部位获得不同的晶粒组织，即在轮毂部位采用过固溶处理(温度高于γ′相溶解温度)，γ′相完全溶解，晶粒发生长大，轮毂获得细晶组织，在轮缘部位采用亚固溶处理(温度低于γ′相溶解温度)，γ′相部分溶解，剩余的γ′相阻碍晶粒长大，轮缘保持细晶组织。该工艺的不足之处在于温度梯度场在长时间加热保温条件下的可 控性以及重复性较低。
为克服以上不足，本发明提供了一种功能梯度性能盘件的设计原理。梯度性能盘件的设计原理是在涡轮盘件的轮毂、辐板和轮缘分别使用不同粒度的快速凝固高温合金粉末，使涡轮盘不同部位具有不同的晶粒组织和力学性能，满足高性能航空发动机涡轮盘在苛刻工况条件下性能要求。盘件的这种梯度性能特性既符合涡轮盘的工况特点，又可以充分发挥材料的潜力，同时有利于涡轮盘结构的优化设计、减轻盘件的重量，提高发动机的推重比。
发明内容
本发明的目的在于提供一种功能梯度性能涡轮盘的制备方法，能够获得具有梯度晶粒组织的盘件；使涡轮盘不同部位具有不同的晶粒组织和力学性能。
本发明的依据在于不同粒度的粉末固结后，发生完全再结晶时可得到不同晶粒尺寸的组织。本发明的核心是：涡轮盘的不同部位采用不同粒度的粉末，在盘件沿径向获得具有不同晶粒尺寸的梯度晶粒组织，使盘件沿径向具有不同性能的梯度性能。具体工艺步骤如下：
(1)轮毂采用细粉，粉末粒度为小于50μm，经热等静压后得到细晶粒组织，轮毂具有高的拉伸强度和优异低周疲劳性能；
(2)辐板(轮毂和轮缘过渡区)采用中等尺寸的粉末，粉末粒度为50-100μm，经热等静压后得到介于轮毂和轮缘的中等尺寸的晶粒组织，从而使轮毂和轮缘之间的晶粒组织和力学性能具有良好的过渡。
(3)轮缘则采用粗粉，粉末粒度为大于100～小于等于200μm，经热等静压后得到粗晶粒组织，以满足轮缘高持久、高抗蠕变性能的要求；
(4)热等静压后的涡轮盘进行热处理。
涡轮盘热等静压温度为1170℃～1200℃，涡轮盘热处理固溶温度为1130℃～1150℃；
涡轮盘热等静压温度为tγ′+10℃～tγ′+40℃(tγ′为合金中γ′相固溶温度)；
涡轮盘热处理固溶温度为tγ′-30℃～tγ′-10℃(tγ′为合金中γ′相固溶温度)。
附图说明
图1为锭坯A1热等静压后金相组织。
图2为锭坯B1热等静压后金相组织。
图3为锭坯C1热等静压后金相组织。
具体实施方式
本发明的具体实施方式如下：
实施例1
采用FGH95合金，主要化学成分(质量分数,％)为：Co 8.1、Cr 13.1；W 3.4、Mo 3.4、Al 3.4、Ti 2.4、Nb 3.4、C 0.06、Ni余量。盘件的轮毂、辐板和轮缘分别采用粉末的粒度分别为小于50μm、50-100μm和大于100～小于等于200μm。将以上三种粒度的粉末分别装入碳钢包套进行模拟实验，包套的尺寸为Φ100×110mm，装粉后的包套进行热等静压，热等静压温度高于γ′相完全溶解，使合金发生完全再结晶，获得等轴细晶(热等静压温度为1200℃，压力不小于100MPa，保温保压时间不小于2h)，热等静压后的包套进行扒皮，得到的锭坯(锭坯A1粉末粒度为小于50μm，锭坯B1粉末粒度为50-100μm，锭坯C1粉末粒度为大于100～小于等于200μm)进行热处理，包括固溶处理和两级时效，固溶处理温度低于γ′相完全溶解，晶粒不再长大，保证热等静压态细晶组织(固溶处理：1130℃×1.5h盐淬，一次时效：870℃×1.5h，空冷，二次时效：650℃×24h，空冷)。热处理后锭坯的金相组织如图1所示，锭坯的平均晶粒尺寸如表1所示，热处理后锭坯的力学性能分别见表2、表3、表4、表5、表6、和表7。
实施例2
采用FGH95合金，主要化学成分(质量分数,％)为：Co 8.1、Cr 13.1；W 3.4、Mo 3.4、Al 3.4、Ti 2.4、Nb 3.4、C 0.06、Ni余量。盘件的轮毂、辐板和轮缘分别采用粉末的粒度分别为小于50μm、50-100μm和大于100～小于等于200μm。将以上三种粒度的粉末分别装入碳钢包套进行模拟实验，包套的尺寸为Φ100×110mm，装粉后的包套进行热等静压，热等静压温度高于γ′相完全溶解，使合金发生完全再结晶，获得等轴细晶(热等静压温度为1170℃，压力不小于100MPa，保温保压时间不小于2h)，热等静压后的包套进行扒皮，得到的锭坯(锭坯A2粉末粒度为小于50μm，锭坯B2粉末粒度为50-100μm，锭坯C2粉末粒度为大于100～小于等于200μm)进行热处理，包括固溶处理和两级时效，固溶处理温度低于γ′相完全溶解，晶粒不再长大，保证热等静压态细晶组织(固溶处理：1150℃×1.5h盐淬，一次时效：870℃×1.5h，空冷，二次时效：650℃×24h，空冷)。热处理后锭坯的金相组织与如图1所示类似，只是一次γ′数量较少，锭坯的平均晶粒尺寸如表1所示，热处理后锭坯的力学性能分别见表2、表3、表4、表5、表6、和表7。
表1 平均晶粒尺寸
| 锭坯编号 | A1 B1 | C1 | A2 | B2 | C2 |
| 平均晶粒尺寸/μm | 20 35 | 50 | 20 | 35 | 50 |
表2 室温拉伸
| 锭坯编号 σb/MPa | σ0.2/MPa | δ/％ | ψ/％ |
| A1 1620 | 1280 | 14 | 18 |
| A2 1620 | 1290 | 13 | 17 |
| B1 1595 | 1218 | 16 | 19 |
| B2 1590 | 1220 | 16 | 18 |
| C1 151O | 1170 | 13 | 14 |
| C2 1515 | 1180 | 12 | 15 |
表3 450℃拉伸
| 锭坯编号 | σb/MPa | σ0.2/MPa | δ/％ | ψ/％ |
| A1 | 1600 | 1270 | 13 | 15 |
| A2 | 1600 | 1265 | 13 | 15 |
| B1 | 1530 | 1210 | 12 | 14 |
| B2 | 1520 | 1215 | 12 | 15 |
| C1 | 1490 | 1160 | 12 | 13 |
| C2 | 1480 | 1170 | 12 | 14 |
表4 650℃拉伸
| 锭坯编号 | σb/MPa | σ0.2/MPa | δ/％ | ψ/％ |
| A | 1560 | 1200 | 11 | 13 |
| A1 | 1565 | 1210 | 10 | 14 |
| B | 1513 | 1160 | 10 | 13 |
| B1 | 1510 | 1165 | 10 | 14 |
| C | 1476 | 1100 | 11 | 13 |
| C1 | 1480 | 1120 | 11 | 14 |
表5 750℃拉伸
| 锭坯编号 | σb/MPa | σ0.2/MPa | δ/％ | ψ/％ |
| A1 | 1330 | 1170 | 9 | 11 |
| A2 | 1335 | 1180 | 11 | 12 |
| B1 | 1300 | 1150 | 7 | 10 |
| B2 | 1290 | 1145 | 6 | 11 |
| C1 | 1260 | 1080 | 6 | 9 |
| C2 | 1255 | 1085 | 7 | 10 |
[0032] 表6 持久性能
表7 650℃/1020MPa低周疲劳性能
| 锭坯编号 | A1 | B1 | C1 A2 B2 | C2 |
| 循环次数Nf/(周次) | 18570 | 77505 | 524341954287522 | 65420 |
因此，通过模拟实验以看出，本发明的提供一种功能梯度性能盘件的设计方法，能使涡轮盘具有不同的晶粒组织和力学性能的目的。
Claims (3)
1.一种功能梯度性能涡轮盘的制备方法，其特征在于，工艺步骤如下：
(1)轮毂采用细粉，粉末粒度为小于50μm，经热等静压后得到细晶粒组织；
(2)辐板即轮毂和轮缘过渡区采用中等尺寸的粉末，粉末粒度为50-100μm，经热等静压后得到介于轮毂和轮缘的中等尺寸的晶粒组织；
(3)轮缘采用粗粉，粉末粒度为大于100～小于等于200μm，经热等静压后得到粗晶粒组织，以满足轮缘高持久、高抗蠕变性能的要求；
(4)热等静压后的涡轮盘进行热处理：涡轮盘热等静压温度为1170℃～1200℃，涡轮盘热处理固溶温度为1130℃～1150℃。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，涡轮盘热等静压温度为tγ′+10℃～tγ′+40℃，tγ′为合金中γ′相固溶温度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，涡轮盘热处理固溶温度为tγ′-30℃～tγ′-10℃，tγ′为合金中γ′相固溶温度。
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