一種盤類零件的包覆成形方法技術

本發明專利技術屬于鈦合金、高溫合金盤坯制造技術，涉及一種盤類零件的包覆成形方法。本發明專利技術采用逐層包覆/熱機械加工法來制備鈦合金、高溫合金的壓氣機盤或渦輪盤，這種工藝方法對原材料的要求低、效率高、成本低、制備的零件組織均勻、性能穩定，適用于各種航空航天用鈦合金、高溫合金盤類或環類零件的制備。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于鈦合金、高溫合金盤坯制造技術，涉及一種ー種盤類零件的包覆成形方法。
技術介紹
盤類零件是高推重比渦輪發動機中壓氣機、渦輪中最常用的轉子部件，壓氣機、渦輪中惡劣的工作環境，對轉子部件的性能要求非常苛刻，因此，盤類結構的制造技術是發動機的關鍵制造技術之一。在高推重比渦輪發動機中，常用的鈦合金部件包括風扇葉片、傳動軸、機匣、壓氣機盤以及其它ー些連接結構。其中使用鈦合金的壓氣機盤數量較多，在低壓壓氣機、中壓壓氣機都可以采用鈦合金葉盤。在低壓壓氣機中，常采用鈦合金來制造盤類零件，主要合金有TC4、TCl1、BT25、TC17，還包括一些高溫鈦合金，如 Ti6242、Ti 1100、頂1834、頂 1685(500°C 520°C)、頂1629 (550°C)等。鈦合金盤類零件的成形一般采用的方法是鑄造+鍛造(等溫鍛造)。為了節省貴重金屬材料，減少難加工材料的機械加工量和提高整體葉盤的疲勞強度、使用壽命，往往會采用精密等溫鍛造(包括超塑性鍛造)作為制坯手段，例如美國GE公司采用等溫鍛造技術制造出了帶葉片的壓氣機整體葉盤轉子。鈦合金精密鋳造是經典的近凈成形エ藝。與從坯料需要去除大量的價格高昂的鈦合金的機械加工方法相比較，鋳造具有很高的節約成本能力。另外，鑄件不需要進行后續加エ。鋳造常常能生產出形狀復雜的零件，而這些零件采用其他傳統方法制造時エ藝太復雜或成本太高。可是，與鍛件相比，鑄件必須犧牲部分強度和塑性，因此很難應用鑄造的方法制造高性能的關鍵結構件。在高壓壓氣機、渦輪中，一般選用高溫合金作為渦輪盤材料，目前，制造渦輪盤的主流的制備エ藝方法有兩種鋳造+鍛造成形和粉末法。粉末高溫合金渦輪盤件的生產エ藝主要有粉末熱擠壓+超塑性鍛造成形、直接熱等靜壓成形和熱等靜壓(HIP) +鍛造成形。國外熱等靜壓+鍛造成形是粉末高溫合金盤件的主要生產エ藝之一。根據其鍛造成形エ藝的不同，又可分為熱等靜壓+普通模鍛，熱等靜壓+熱模鍛，熱等靜壓+等溫鍛造，熱等靜壓+擠壓+超塑性鍛造。其中熱等靜壓+擠壓+超塑性鍛造エ藝是利用大擠壓比的變形使毛坯獲得超細晶的組織結構，破碎熱等靜壓組織中的原始顆粒邊界，為隨后的超塑性鍛造創造了有利的組織條件，是目前粉末高溫合金盤件的主要生產エ藝之一。噴射沉積是另一種制備高溫合金渦輪盤的制備エ藝，目前還未達到實用的狀態。噴射沉積的創新之處在于把液體金屬的霧化(快速凝固)和霧化熔滴的沉積(動態致密固化)結合起來，以最少的エ序直接從液體金屬(合金)制取整體致密、成分均勻、組織細化、結構完整、接近零件最終形狀的材料或坯件。噴射沉積由于采用氬氣輔助，噴射沉積制備的零件均存在一定的孔隙率，還需要熱等靜壓、擠壓或鍛造等后續成形エ藝對其加工。激光成形、電子束成形是近年來發展起來的兩種增量成形方法，可以靈活地成形具有各種復雜形狀的零件，其共同的特點是通過將金屬熔化或半熔化后沉積下來實現材料堆積成形。基于激光的金屬零件直接成形制造技術非常多，例如激光選區燒結 (SLS-Selective Laser Sintering)、激光選區溶化(SLM-Selective Laser Melting)、激 光近凈成形(LENS-Laser Engineering Net Shaping)、激光增材制造(LAM-LaserAdditive Manufacturing)等。目前激光成形可以制備的最大零件尺寸達到3mX 3mX1. 2m。電子束 成形方法是近年來發展起來的一種新型的成形方法，與激光成形相比較，它更具有特點，主 要包括最大功率高(是激光的數倍)，加工出的零件或模具精度和細微特征好，可以減小加 工誤差并簡化系統裝置與控制軟件的設計。電子束成形方法主要包括兩種，分別是通過熔 絲和熔粉的方法實現逐層鋪覆成形。已有的用于制備鈦合金、高溫合金壓氣機盤、渦輪盤的技術存在以下不足1.材料利用率低，鍛造成形的坯料尺寸一般較大，最終成形后的零件尺寸與坯料 相比較，材料的利用率偏低，而且后續的數控加工量大，周期長，成本高。鍛造成形需要大噸 位鍛造設備，對于一些等溫鍛造、超塑鍛造工藝，對設備的要求更高。鍛造和鑄造工藝分開， 工藝路線長，周期長。在制造高溫合金盤坯時，由于合金元素較高，容易造成元素偏析，導致 零件的組織和性能不均勻；2.采用粉末法制備壓氣機盤、渦輪盤，制造的工藝路線長、成本高、效率低，對設備 的要求高，投入巨大。采用粉末制備壓氣機盤、渦輪盤，對工藝過程的要求高，否則很容易造 成粉末受污染，導致零件性能的下降；3.增量成形法可以用來制備壓氣機盤和渦輪盤，但其組織一般是鑄態組織，組織 和性能調控難度較大。現有增量成形技術一般是通過將鑄造過程進行離散，將其金屬坯料 的熔化離散為多個局部區域的熔化，從而具有很大的優勢，但是由于增量成形都是金屬熔 化后又凝固的鑄態組織，其性能有所犧牲，因此現在很多的金屬增量成形的零件的組織難 于調控；4.噴射沉積法制備渦輪盤技術是近年開發的一項新型技術，這項技術將液體金屬 的霧化(快速凝固)與霧化熔滴的沉積結合起來，來制備整體致密、成分均勻、組織細化、結 構完整、接近零件最終形狀的材料或坯料，在制備大尺寸渦輪盤零件方面還不成熟，其致密 度由于氬氣霧化，一般能達到99 %，這對最終性能有一定的影響。為了獲得高性能、長壽命的金屬零件，常規的金屬零件制造工藝過程，往往對鑄造 坯料進行熱機械加工(鍛造、擠壓、軋制等)，而激光、電子束增量成形技術較難對已經成形 的零件進行后續的熱機械加工。為了客服這些不足，可以在對金屬熔覆和凝固過程進行離 散的同時，對金屬的熱機械加工(鍛造、擠壓、軋制等)過程進行離散，即將成形過程離散為 微鑄造+微熱機械加工的工藝方法。也可以直接將將塑性加工過程離散之后，但是這樣還 需要實現對經過了塑性加工的每次增加的金屬坯料與預制坯之間的連接，即實現金屬坯料 與預制坯之間的固態連接方式，而這種固態連接最有效的方式是通過摩擦連接(攪拌摩擦、 慣性摩擦、線性摩擦、旋轉摩擦)，可以基于微熱機械加工(微軋制、微鍛造、微擠壓)+微摩擦 加工(攪拌摩擦加工、慣性摩擦加工、線性摩擦加工等)進行增量成形，可以稱這種基于微熱 機械加工+微摩擦加工的金屬零件增量成形方式為“固態打印成形技術”，即在金屬零件成 形的過程中，無論是原始坯料還是預制坯始終處于固態，具有良好的塑性。基于微鑄造+微熱機械加工或微熱機械加工+微摩擦連接加工的金屬零件增量成 形方式具有傳統的金屬增量成形方法所不具有的優點，可以稱之為是“三高一低”的制造技術(高性能、高效率、高材料利用率、低成本)，甚至可以實現飛機、輪船、發動機上的各種大 型金屬零部件的打印成形，在未來制造業中具有廣闊的應用前景。
技術實現思路
本專利技術的目的是針對現有的制備鈦合金、高溫合金壓氣機盤、渦輪盤技術存在的 一些不足，提出一種基于微鑄造+微熱機械加工或微熱機械加工+微摩擦連接(微攪拌摩 擦)包覆成形盤類零件的概念和方法，通過逐層包覆/熱機械加工法來制備鈦合金、高溫合 金的壓氣機盤或渦輪盤。本專利技術的技術解決方案是，(I)制備成形裝置，成形裝置包括機架、送料和熱機械 加工系統及盤坯支撐系統，(1.1)機架包括上平臺、下平臺，上平臺與下平臺之間由四根支 柱支撐；(1. 2本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種盤類零件的包覆成形方法，其特征是，（1）制備成形裝置，成形裝置包括機架、送料和熱機械加工系統及盤坯支撐系統（1.1）機架包括上平臺、下平臺，上平臺與下平臺之間由四根支柱支撐；（1.2）送料和熱機械加工系統包括掛架、送料系統、攪拌頭驅動電機及攪拌頭，掛架安裝在機架的上平臺上，掛架底板上安裝送料系統，攪拌頭驅動電機安裝在掛架底板的一側，攪拌頭安裝在攪拌頭驅動電機下方，送料系統的結構為如下之一：（1.2.1）送料系統包括底部帶噴口的熔煉坩堝、氣體噴口及感應線圈，熔煉坩堝安裝在掛架底板上，氣體噴口位于底部帶噴口的熔煉坩堝的頂部，感應線圈環繞在底部帶噴口的熔煉坩堝的外部；（1.2.2）送料系統包括擠壓筒、推料桿、推料桿驅動系統及感應線圈，擠壓筒安裝在掛架底板上，推料桿驅動系統安裝在機架的上平臺上，推料桿位于推料桿驅動系統的下方，推料桿的下端伸入至擠壓筒內，感應線圈環繞在擠壓筒的外部；（1.2.3）送料系統包括料筒、料筒開關、料筒驅動系統、坯料轉動夾持環及感應線圈，料筒驅動系統安裝在機架的上平臺上，料筒安裝在料筒驅動系統的下方，料筒穿過掛架底板，料筒的底部是料筒開關，料筒開關與坯料轉動夾持環相接，感應線圈環繞在料筒的外部；（1.3）盤坯支撐系統包括盤坯轉動軸、盤坯轉動軸驅動電機、盤坯轉動軸支架、盤坯轉動軸支架運動驅動系統，盤坯轉動軸支架運動驅動系統安裝在機架的下平臺上，盤坯轉動軸支架安裝在盤坯轉動軸支架運動驅動系統上，盤坯轉動軸安裝在盤坯轉動軸支架上，盤坯轉動軸驅動電機與盤坯轉動軸相連并安裝在盤坯轉動軸支架上；將成形裝置置于真空室中；（2）包覆成形（2.1）采用機械加工的方式加工出盤坯轉動軸，并安裝在盤坯轉動軸支架上；（2.2）將真空室的真空度抽至1.0×10?3Pa，當使用送料系統是上述（1.2.1）所述結構時，將棒狀或塊狀坯料放入到熔煉坩堝中，開啟感應線圈，對熔煉坩堝中的坯料進行熔煉，使坯料熔化形成熔體，通過在氣體噴口中通入氬氣，氬氣壓力為5MPa，對熔體施加壓力，使坩堝中的熔體通過坩堝底部的噴口噴出，包覆到通過盤坯轉動軸驅動電機驅動的盤坯轉動軸上，盤坯轉動軸的轉動方向與送料系統到攪拌頭的方 向一致，其中送料系統和攪拌頭的夾角角度小于180°，并通過攪拌頭驅動電機驅動攪拌頭對剛剛包覆在盤坯轉動軸上的坯料進行攪拌加工，使坯料與盤坯轉動軸結合在一起，盤坯轉動軸旋轉一圈后，盤坯轉動軸支架運動驅動系統驅動盤坯轉動軸支架沿盤坯轉動軸的軸向平移與坩堝底部的噴口直徑相同的距離，繼續進行第2圈坯料的包覆，直至完成盤類零件毛坯寬度上的第1層包覆；盤坯轉動軸支架運動驅動系統驅動盤坯轉動軸支架沿垂直盤坯轉動軸的方向向下移動，移動距離為坩堝底部的噴口直徑的1/5?1/3，然后，進行第2層坯料的包覆，包覆方式與第1層相同，逐層依次進行包覆，直至完成盤類零件毛坯徑向尺寸的包覆；當使用送料系統是上述（1.2.2）所述結構時，將棒狀坯料放入到擠壓筒中，開啟感應線圈，對擠壓筒中的坯料進行加熱，使其處于良好的塑性狀態，通過推料桿驅動系統推動推料桿，使得推料桿將擠壓筒中的坯料從擠壓筒中擠出，包覆到通過盤坯轉動軸驅動電機驅動的盤坯轉動軸上，盤坯轉動軸的轉動方向與送料系統到攪拌頭的方向一致，其中送料系統和攪拌頭的夾角角度小于180°，通過攪拌頭驅動電機驅動攪拌頭對剛剛包覆在盤坯轉動軸上的坯料進行攪拌加工，使坯料與盤坯轉動軸結合在一起，盤坯轉動軸旋轉一圈后，盤坯轉動軸支架運動驅動系統驅動盤坯轉動軸支架沿盤坯轉動軸的軸向平移與擠壓筒出口直徑相同的距離，繼續進行第2圈坯料的包覆，直至完成盤類零件毛坯寬度上的第1層包覆；盤坯轉動軸支架運動驅動系統驅動盤坯轉動軸支架沿垂直盤坯轉動軸的方向向下移動，移動距離為擠壓筒出口直徑的1/5?1/3，然后，進行第2層坯料的包覆，包覆方式與第1層相同，逐層依次進行包覆，直至完成盤類零件毛坯徑向尺寸的包覆；當使用送料系統是上述（1.2.3）所述結構時，將多個棒狀坯料放入到料筒中，每個棒狀坯料的高度為直徑的1?2倍，開啟感應線圈，對料筒中的坯料進行預熱，預熱溫度為坯料熔點溫度的0.3?0.5倍，打開料筒開關，使一塊經過預熱的棒狀坯料進入坯料轉動夾持環，棒狀坯料的頂端被坯料轉動夾持環夾持住，被夾持住的棒狀坯料的底部與盤坯轉動軸接觸，料筒驅動系統驅動料筒和坯料轉動夾持環，轉動速度為1000?2000轉/分，使棒狀坯料的底部與盤坯轉動軸表面摩擦生熱，同時，料筒驅動系統對料筒和坯料轉動夾持環沿料筒和棒狀坯料軸線方向施加一個向下的載荷，載荷在棒狀坯料中產生的...

【技術特征摘要】
1.一種盤類零件的包覆成形方法，其特征是，(1)制備成形裝置，成形裝置包括機架、送料和熱機械加工系統及盤坯支撐系統(1.1) 機架包括上平臺、下平臺，上平臺與下平臺之間由四根支柱支撐；(1. 2)送料和熱機械加工系統包括掛架、送料系統、攪拌頭驅動電機及攪拌頭，掛架安裝在機架的上平臺上，掛架底板上安裝送料系統，攪拌頭驅動電機安裝在掛架底板的一側， 攪拌頭安裝在攪拌頭驅動電機下方，送料系統的結構為如下之一(1. 2.1)送料系統包括底部帶噴口的熔煉坩堝、氣體噴口及感應線圈，熔煉坩堝安裝在掛架底板上，氣體噴口位于底部帶噴口的熔煉坩堝的頂部，感應線圈環繞在底部帶噴口的熔煉坩堝的外部；(1. 2. 2)送料系統包括擠壓筒、推料桿、推料桿驅動系統及感應線圈，擠壓筒安裝在掛架底板上，推料桿驅動系統安裝在機架的上平臺上，推料桿位于推料桿驅動系統的下方，推料桿的下端伸入至擠壓筒內，感應線圈環繞在擠壓筒的外部；(1. 2. 3)送料系統包括料筒、料筒開關、料筒驅動系統、坯料轉動夾持環及感應線圈，料筒驅動系統安裝在機架的上平臺上，料筒安裝在料筒驅動系統的下方，料筒穿過掛架底板， 料筒的底部是料筒開關，料筒開關與坯料轉動夾持環相接，感應線圈環繞在料筒的外部；(1. 3)盤坯支撐系統包括盤坯轉動軸、盤坯轉動軸驅動電機、盤坯轉動軸支架、盤坯轉動軸支架運動驅動系統，盤坯轉動軸支架運動驅動系統安裝在機架的下平臺上，盤坯轉動軸支架安裝在盤坯轉動軸支架運動驅動系統上，盤坯轉動軸安裝在盤坯轉動軸支架上，盤坯轉動軸驅動電機與盤坯轉動軸相連并安裝在盤坯轉動軸支架上；將成形裝置置于真空室中；(2)包覆成形(2.1)采用機械加工的方式加工出盤坯轉動軸，并安裝在盤坯轉動軸支架上；(2.2)將真空室的真空度抽至1. OX 10_3Pa，當使用送料系統是上述(1. 2.1)所述結構時，將棒狀或塊狀坯料放入到熔煉坩堝中，開啟感應線圈，對熔煉坩堝中的坯料進行熔煉， 使坯料熔化形成熔體，通過在氣體噴口中通入氬氣,氬氣壓力為5MPa，對熔體施加壓力，使坩堝中的熔體通過坩堝底部的噴口噴出，包覆到通過盤坯轉動軸驅動電機驅動的盤坯轉動軸上，盤坯轉動軸的轉動方向與送料系統到攪拌頭的方向一致，其中送料系統和攪拌頭的夾角角度小于180°，并通過攪拌頭驅動電機驅動攪拌頭對剛剛包覆在盤坯轉動軸上的坯料進行攪拌加工，使坯料與盤坯轉動軸結合在一起，盤坯轉動軸旋轉一圈后，盤坯轉動軸支架運動驅動系統驅動盤坯轉動軸支架沿盤坯轉動軸的軸向平移與坩堝底部的噴口直徑相同的距離，繼續進行第2圈坯料的包覆，直至完成盤類零件毛坯寬度上的第I層包覆；盤坯轉動軸支架運動驅動系統驅動盤坯轉動軸支架沿垂直盤坯轉動軸的方向向下移動，移動距離為坩堝底部的噴口直徑的1/5-1/3，然后，進行第2層坯料的包覆，包覆方式與第I層相同，逐層依次進行包覆，直至完成盤類零件毛坯徑向尺寸的包覆；當使用送料系統是上述(1. 2. 2)所述結構時，將棒狀坯料放入到擠壓筒中，開啟感應線圈，對擠壓筒中的坯料進行加熱，使其處于良好的塑性狀態，通過推料桿驅動系統推動推料桿，使得推料桿將擠壓筒中的坯料從擠壓筒中擠出，包覆到通過盤坯轉動軸驅動電機驅動的盤坯轉動軸上，盤坯轉動軸的轉動方向與送料系統到攪拌頭的方向一致，其中送料系統和攪拌頭的...

【專利技術屬性】
技術研發人員：趙冰，李志強，廖金華，
申請(專利權)人：中國航空工業集團公司北京航空制造工程研究所，
類型：發明
國別省市：