專利名稱：一種航空發(fā)動機(jī)梯度功能渦輪盤坯料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種航空發(fā)動機(jī)梯度功能渦輪盤坯料的制備方法，特別是涉 及一種采用激光熔覆成型技術(shù)制造航空發(fā)動機(jī)梯度功能渦輪盤坯料的制備 方法，屬于制備航空發(fā)動機(jī)梯度功能渦輪盤坯料和激光熔覆成型技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
航空發(fā)動機(jī)的渦輪盤是航空發(fā)動機(jī)的心臟，是在高溫下以每分鐘上萬轉(zhuǎn) 的速度高速旋轉(zhuǎn)的精密部件，對材料的技術(shù)要求很高，都是用特殊的、高質(zhì) 量的高溫合金材料制造。根據(jù)使用特性要求，航空發(fā)動機(jī)的渦輪盤中部要求 具有高的強(qiáng)度性能指標(biāo)，而邊緣部要求在高溫下具有良好的持久強(qiáng)度和疲勞 強(qiáng)度指標(biāo)，現(xiàn)有的制造方法使用單一高溫合金材料很難實(shí)現(xiàn)這一特性。
現(xiàn)有的制造方法是通過真空冶煉和電渣重熔，制備出鋼錠，然后通過自 由鍛造和模鍛的方法，加工成圓餅毛坯，再通過一系列機(jī)加方法制造成渦輪 盤。而我國高溫合金材料的冶金質(zhì)量水平比較低，主要表現(xiàn)在材料的純凈度 低，合金波動大，對原材料和高溫材料雜質(zhì)以及氣體含量的要求不夠嚴(yán)格， 影響到合金性能及其穩(wěn)定。
由于渦輪盤用高溫合金的合金化程度高，高熔點(diǎn)合金元素多，還含有諸 多產(chǎn)生強(qiáng)化相的元素，合金成分復(fù)雜，冶煉中對鋼錠的成分、表面及內(nèi)在質(zhì) 量的控制難度非常大，極易出現(xiàn)成分偏析。又由于單重較大，還必須整體澆
4注，在冷卻過程中，勢必造成高低熔點(diǎn)元素的分布不均，出現(xiàn)心部與表面質(zhì) 量不一，導(dǎo)致錠坯材料心部強(qiáng)度降低或不足，邊緣應(yīng)力集中，持久強(qiáng)度和疲 勞性能下降，直接影響制造出的渦輪盤的使用性能。
另外，不論鐵基還是鎳基高溫合金，合金化程度較高，熱加工溫度高， 變形溫度范圍窄，變形抗力大，導(dǎo)致鍛造難度較其它鋼種大。如果前道工序 冶煉中再有質(zhì)量不一、成分分布不均，必將進(jìn)一步增大鍛造難度，將不可避 免地出現(xiàn)各種鍛造缺陷。同時由于是單一合金成分，根本無法實(shí)現(xiàn)渦輪盤心 部和邊緣對材料性能的特殊要求。
因此，選擇適當(dāng)?shù)闹圃旆椒ǎ郎u輪盤坯料成分偏析及坯料成材率較 低的現(xiàn)象、降低生產(chǎn)成本、確保加工的渦輪盤各部位的使用性能，以實(shí)現(xiàn)整 體制造的渦輪盤大幅減少振動、提高旋轉(zhuǎn)速度、增加使用壽命，是當(dāng)前亟待 解決的課題。
激光熔覆成型技術(shù)作為一種先進(jìn)的再制造技術(shù)，近年來得到了迅速推廣 和廣泛應(yīng)用。
激光熔覆成型技術(shù)利用高能量激光束聚集能量極高的特點(diǎn)，瞬間將在基 材表面預(yù)置或與激光同步自動送置的、具有特殊物理、化學(xué)或力學(xué)性能的合 金粉末完全熔化，同時基材部分熔化，形成一種新的復(fù)合型材料，激光束掃 描后快速凝固，獲得與基體冶金結(jié)合的致密覆層，以達(dá)到恢復(fù)幾何尺寸和表 面強(qiáng)化的目的。
激光成型就是激光熔覆的反復(fù)堆焊，是在金屬表面獲得與基體牢固冶金 結(jié)合的高性能表面覆層的反復(fù)堆積的再制造技術(shù)。目前關(guān)于利用激光熔覆或激光再制造工藝進(jìn)行設(shè)備零部件修復(fù)的專利
和報道很多，例如，公開號為CN101176950的中國發(fā)明專利申請給出的《基 于激光熔覆成型技術(shù)的新型梯度功能材料精沖模具制造方法》、公開號 為CN1483856的中國發(fā)明專利申請給出的《自保護(hù)超細(xì)活性硬質(zhì)合金激光 熔覆生產(chǎn)技術(shù)》和公開號為CN1883852的中國發(fā)明專利申請給出的《一種 鎳基合金粉末激光熔覆燒結(jié)成型方法》，但是現(xiàn)有的利用激光熔覆或激光再 制造工藝進(jìn)行設(shè)備零部件修復(fù)的工藝均是在中小零部件上的應(yīng)用，通過配制 適當(dāng)?shù)娜鄹膊牧希朔思す馊蹖哟嬖诘牧鸭y、氣孔和微觀結(jié)構(gòu)不均勻性(分 層)的問題，取得一定的技術(shù)效果，而真正在航空發(fā)動機(jī)的核心關(guān)鍵部件， 尤其是在像渦輪盤這種關(guān)鍵零部件的大型坯料上，能否采用常規(guī)的激光熔覆 成型工藝，進(jìn)行無裂紋和氣孔缺陷、具有梯度功能的渦輪盤坯料制造，經(jīng)本 申請人:檢索査證國內(nèi)尚無先例，國外也沒有見到相關(guān)報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，通過反復(fù)研究改進(jìn)， 給出了一種新的航空發(fā)動機(jī)梯度功能渦輪盤坯料的制備方法，該生產(chǎn)方法對 現(xiàn)有的激光熔覆成型工藝進(jìn)行了改進(jìn)，除采用熔覆性能穩(wěn)定的大功率(5000W 以上)C02激光器外，還結(jié)合選用梯度功能合金粉末材料，進(jìn)行梯度功能渦 輪盤坯料制造，解決傳統(tǒng)生產(chǎn)方法中容易出現(xiàn)的諸多弊端，卓有成效地實(shí)現(xiàn) 了渦輪盤高溫下使用的特性要求。
本發(fā)明給出的技術(shù)方案是這種航空發(fā)動機(jī)梯度功能渦輪盤坯料的制備
方法，包括有以下步驟
1.用熔覆性能穩(wěn)定的大功率(5000W以上)C02激光器，在設(shè)計的高溫合金芯棒基礎(chǔ)上，先預(yù)置同成分且適宜熔覆的高溫合金粉末A，熔覆堆焊成 型到所需要的心部毛坯尺寸，再在坯料邊緣預(yù)置高溫合金粉末B，繼續(xù)熔覆 堆焊成型到所需要的整個渦輪盤毛坯尺寸。
2. 所述在坯料心部預(yù)置的高溫合金粉末A的組分中除高溫合金芯棒的 組分外再添加以下合金元素中的至少三種元素Al、 Ti、 Si、 YA和Hf;在 坯料邊緣預(yù)置的高溫合金粉末B的組分中除高溫合金芯棒的組分外再添加 以下合金元素中的至少三種元素Ni、 Nb、 Si、 YA和Hf。
3. 所述在坯料心部預(yù)置的高溫合金粉末A的組分中除高溫合金芯棒的
組分外再添加的合金元素比例為
Al 0. 2 2.0 %、 Ti 0.5 3. 0 96、 Si 0. 1 0. 5 %、 Y203 0. 01 0. 05 %、 Hf 0. 01 0. 05 % ;
所述在坯料邊緣預(yù)置的高溫合金粉末B的組分中除高溫合金芯棒的組 分外再添加的合金元素比例為
Ni0.5 2. 0%、 NbO. 2 1.0%、 Si 0. 2 0. 6 %、
Y203 0. 01 0. 05 %、 Hf 0. 01 0. 05 % 。
4. 在熔覆操作中采用5000 10000W橫流連續(xù)C02激光器，其熔覆工藝參 數(shù)是功率4800 8000 W，焦距300 400 mm,光斑尺寸1.5X10 mm, 掃描速度240 400 mm/min，置粉厚度0.5 1.0mrn。熔覆過程中對熔池 采用惰性氣體保護(hù)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是
1. 為航空發(fā)動機(jī)梯度功能渦輪盤坯料的生產(chǎn)提供全新的制備方法。
2. 采用這種方法制備的坯料解決了傳統(tǒng)生產(chǎn)方法中的成分偏析、成本高、投料比大等諸多弊端。
3.在航空發(fā)動機(jī)梯度功能渦輪盤坯料的制備中，實(shí)現(xiàn)了梯度材料的設(shè) 計和應(yīng)用，可以確保渦輪盤各部位對使用性能的要求。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1:
用熔覆性能穩(wěn)定的10000W大功率C02激光器，在設(shè)計的GH4169高溫合 金芯棒基礎(chǔ)上激光熔覆堆焊與GH4169成分類似、又添加了幾種增加高溫強(qiáng) 度合金元素的高溫合金粉末A，合金元素的組分為(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))SiO. 15% 、 Nil. 2%、 Y203 0. 02%、 Hf 0. 01%， 熔覆堆焊成型到所需要的渦輪盤心部毛坯 尺寸；再在坯料邊緣熔覆堆焊與GH738成分類似、又添加了幾種增加高溫持 久強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度合金元素的高溫合金粉末B，合金元素的組分為(質(zhì)量百 分?jǐn)?shù))Ni 2.0 %、 Nb 0.6 %、 Si 0.2 %、 Y203 0.01 %、 Hf 0. 01 % ，繼 續(xù)熔覆堆焊成型構(gòu)成渦輪盤外圓部坯料。經(jīng)切片探傷檢驗(yàn)無缺陷，作為渦輪 盤坯料送轉(zhuǎn)精密鍛造。
其熔覆工藝參數(shù)是功率8000 W，焦距300 360 mm，光斑尺寸 1.5X10mm，掃描速度320 400 mm/min，置粉厚度0.5 1.0mm。熔覆 過程中對烙池采用惰性氣體保護(hù)。
實(shí)施例2:
用熔覆性能穩(wěn)定的5000W大功率C02激光器，在設(shè)計的GH4033高溫合金 芯棒基礎(chǔ)上激光熔覆堆焊與GH4033成分類似、又添加了幾種增加高溫強(qiáng)度 合金元素的高溫合金粉末A，合金元素的組分為(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))B0.005%、 Si0.2%、 Y203 0.02%、 Hf 0.01%,熔覆堆焊成型到所需要的渦輪盤心部毛坯尺寸；再在坯料邊緣熔覆堆焊與GH738成分類似、又添加了幾種增加高溫持 久強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度合金元素的高溫合金粉末B，合金元素的組分為(質(zhì)量百 分?jǐn)?shù))Ni 2.0 %、 Nb 0.6 %、 Si 0.2 %、 Y203 0.01 %、 Hf 0. 01 % ， 繼 續(xù)熔覆堆焊成型構(gòu)成渦輪盤外圓部坯料。經(jīng)切片探傷檢驗(yàn)無缺陷，作為渦輪 盤坯料送轉(zhuǎn)精密鍛造。
其熔覆工藝參數(shù)是功率4800W,焦距320 380 mm,光斑尺寸1.5 X10 mm,掃描速度240 360 mm/min，置粉厚度0. 5 1.0咖。熔覆過 程中對熔池采用惰性氣體保護(hù)。
實(shí)施例3:
用熔覆性能穩(wěn)定的5000W大功率C(V激光器，在設(shè)計的GH4698高溫合金 芯棒基礎(chǔ)上激光熔覆堆焊與GH4698成分類似、又添加了幾種增加高溫強(qiáng)度 合金元素的高溫合金粉末A，合金元素的組分為(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))SiO.2% 、 Nil. 6%、 Y203 0.01%、 Hf 0.01%,熔覆堆焊成型到所需要的渦輪盤心部毛坯 尺寸；再在坯料邊緣烙覆堆焊與GH738成分類似、又添加了幾種增加高溫持 久強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度合金元素的高溫合金粉末B，合金元素的組分為(質(zhì)量百 分?jǐn)?shù))Ni 2.0 %、 Nb 0. 6 %、 Si 0.2 %、 Y203 0.01 %、 Hf 0.01 %，繼續(xù) 熔覆堆焊成型構(gòu)成渦輪盤外圓部坯料。經(jīng)切片探傷檢驗(yàn)無缺陷，作為渦輪盤 坯料送轉(zhuǎn)精密鍛造。
其熔覆工藝參數(shù)是功率4800W,焦距320 380 mm,光斑尺寸1.5 X10 mm，掃描速度240 360 mm/min，置粉厚度0.5 1.0 mm。熔覆過 程中對熔池采用惰性氣體保護(hù)。
權(quán)利要求
1. 一種航空發(fā)動機(jī)梯度功能渦輪盤坯料的制備方法，其特征在于包括有以下步驟(1)用熔覆性能穩(wěn)定的大功率(5000W以上)CO2激光器，在設(shè)計的高溫合金芯棒基礎(chǔ)上，先預(yù)置同成分且適宜熔覆的高溫合金粉末A，熔覆堆焊成型到所需要的心部毛坯尺寸，再在坯料邊緣預(yù)置高溫合金粉末B，繼續(xù)熔覆堆焊成型到所需要的整個渦輪盤毛坯尺寸。(2)所述在坯料心部預(yù)置的高溫合金粉末A的組分中除高溫合金芯棒的組分外再添加以下合金元素中的至少三種元素Al、Ti、Si、Y2O3和Hf；在坯料邊緣預(yù)置的高溫合金粉末B的組分中除高溫合金芯棒的組分外再添加以下合金元素中的至少三種元素Ni、Nb、Si、Y2O3和Hf；(3)所述在坯料心部預(yù)置的高溫合金粉末A的組分中除高溫合金芯棒的組分外再添加的合金元素比例為Al0. 2～2.0％、Ti0.5～3.0％、Si0.1～0.5％、Y2O30.01～0.05％、Hf0.01～0.05％；所述在坯料邊緣預(yù)置的高溫合金粉末B的組分中除高溫合金芯棒的組分外再添加的合金元素比例為
全文摘要
一種航空發(fā)動機(jī)梯度功能渦輪盤坯料的制備方法，其特點(diǎn)是用熔覆性能穩(wěn)定的大功率(5000W以上)CO₂激光器，在設(shè)計的高溫合金芯棒基礎(chǔ)上，先預(yù)置同成分且適宜熔覆的高溫合金粉末A，熔覆堆焊成型到所需要的心部毛坯尺寸，再在坯料邊緣預(yù)置高溫合金粉末B，繼續(xù)熔覆堆焊成型到所需要的整個渦輪盤毛坯尺寸。高溫合金粉末A組分中除高溫合金芯棒的組分外再添加以下至少三種元素Al、Ti、Si、Y₂O₃和Hf；高溫合金粉末B組分中除高溫合金芯棒的組分外再添加以下至少三種元素Ni、Nb、Si、Y₂O₃和Hf。本發(fā)明對現(xiàn)有的激光熔覆成型工藝進(jìn)行改進(jìn)，使之適用于航空發(fā)動機(jī)梯度功能渦輪盤大型坯料的制備。
文檔編號B23K26/34GK101480761SQ200910010308
公開日2009年7月15日 申請日期2009年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月6日
發(fā)明者江 陳, 陳常義 申請人:沈陽大陸激光技術(shù)有限公司