專利名稱：一種鈦合金整體葉片盤的粉末熱等靜壓成型方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于航空宇航制造技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種鈦合金整體片葉盤的粉末熱 等靜壓成型方法。
背景技術(shù)：
整體葉片盤是上世紀(jì)80年代中期出現(xiàn)的一種新結(jié)構(gòu)，其是將位于中部的輪盤和 一端相隔距離連接在輪盤外部圓周上的多個(gè)葉片做成一體，省去了連接用的榫頭、榫槽，從 而可以使結(jié)構(gòu)大為簡化。另外，由于整體葉片盤具有結(jié)構(gòu)簡化、零件數(shù)量少、效率高、結(jié)實(shí)可 靠等特點(diǎn)，因此到90年代其已經(jīng)在戰(zhàn)斗機(jī)中迅速得到推廣應(yīng)用，并且在本世紀(jì)初已經(jīng)用于 大型民用發(fā)動(dòng)機(jī)中。目前，整體葉片盤的加工有多種方法，比如精鑄、鍛件機(jī)加工、電化學(xué)加工和線性 摩擦焊等。但是，由于上述各種加工方法存在著一定的局限性，比如鑄造出的葉片存在偏 析、夾雜等缺陷；鍛件機(jī)加工對葉片的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度有限制，且加工周期長、費(fèi)用較高等。熱等靜壓是上世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種粉料固結(jié)、成型和熱處理的新技術(shù)，其 是通過將高溫(2000°C )、高壓QOOMPa)介質(zhì)同時(shí)均等地作用在材料的整個(gè)表面，從而使材 料產(chǎn)生固結(jié)。該技術(shù)集成粉末冶金和冷等靜壓成型的雙重優(yōu)勢，將粉末的成型和燒結(jié)兩步 作業(yè)合成一步進(jìn)行，而且經(jīng)過熱等靜壓壓制的制品可達(dá)到致密狀態(tài)，基本上能夠消除內(nèi)部 氣孔，材料性能各向相同，從而大大地改善了產(chǎn)品的性能。但是，這種熱等靜壓技術(shù)卻無法 成型具有復(fù)雜型面結(jié)構(gòu)葉片的整體葉片盤。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明提供的鈦合金整體葉片盤的粉末熱等靜壓成型方法包 括按順序進(jìn)行的下列步驟1)根據(jù)整體葉片盤的形狀制備出模具，該模具由相隔距離呈環(huán)狀設(shè)置在中部的多 個(gè)葉片模塊和連接在上述多個(gè)葉片模塊外端的圓環(huán)構(gòu)成，同時(shí)圓環(huán)的一側(cè)面外部邊緣向外 突出形成有一個(gè)楔形凸起，模具中間的空腔部分為整體葉盤片的形狀；2)根據(jù)模具1的外形尺寸制備出包套，該包套包括筒體、下蓋板以及帶有抽真空 管的上蓋板，其中下蓋板安裝在筒體的下端；3)根據(jù)整體葉片盤材料的要求，利用常用的等離子旋轉(zhuǎn)電極法制備出球形鈦合金 粉末，并篩分出100-200目區(qū)間的粉末備用；4)將上述模具以其上凸起朝下的方式裝入筒體的內(nèi)部，并使凸起的邊緣與下蓋板 的表面相接觸，從而使凸起與下蓋板之間形成儲(chǔ)料的空間，然后將上述制備好的球形鈦合 金粉末裝入筒體內(nèi)，并通過機(jī)械振動(dòng)或人工振動(dòng)使其密實(shí)；5)將上蓋板放置在筒體的上端口處并焊接好；6)將上述裝有模具的包套置于加熱爐中，然后在高溫下利用真空設(shè)備通過抽真空 管對包套的內(nèi)部進(jìn)行抽真空處理；
7)將上述已抽真空的包套置于熱等靜壓設(shè)備中進(jìn)行熱等靜壓處理，以使球形鈦合 金粉末在高溫高壓下成型、固結(jié)并致密化而形成整體葉片盤；8)利用機(jī)械加工方法去除包套，然后通過常規(guī)的機(jī)械加工方法將整體葉片盤上葉 片及輪盤兩側(cè)面外部的易于加工的部分去除，并切除掉圓環(huán)，由此形成帶有多個(gè)葉片模塊 的整體葉片盤；9)利用強(qiáng)酸對上述帶有多個(gè)葉片模塊的整體葉片盤進(jìn)行腐蝕，從而將所有葉片模 塊腐蝕掉，最終制成整體葉片盤。所述的包套上筒體的內(nèi)徑比模具的外徑大1mm。所述的步驟6)中加熱爐的溫度為400°C ；包套內(nèi)部的真空度為3X10_3Pa。所述的步驟7)中熱等靜壓處理?xiàng)l件是在30分鐘內(nèi)使熱等靜壓設(shè)備內(nèi)溫度達(dá)到 500°C，保溫1小時(shí)，再在30分鐘內(nèi)升溫到900°C，并保溫2小時(shí)；同時(shí)在30分鐘內(nèi)使熱等 靜壓設(shè)備內(nèi)壓力達(dá)到80MPa，保壓1小時(shí)，再在30分鐘內(nèi)升壓到150MPa，保壓2小時(shí)，之后
將爐溫冷卻至室溫。所述的步驟9)中的強(qiáng)酸為硫酸。本發(fā)明提供的鈦合金整體葉片盤的粉末熱等靜壓成型方法是利用熱等靜壓技術(shù) 對鈦合金粉末進(jìn)行固結(jié)、成型并致密化，同時(shí)利用模具約束整體葉片盤上復(fù)雜葉片曲面的 成型，而整體葉片盤上形狀簡單且易于加工的部位則由包套自由成型，從而達(dá)到利用模具 一次成型復(fù)雜型面零件的目的，這樣不僅能夠提高零件的成型效率、鈦合金材料的利用率， 而且得到的零件性能均勻，機(jī)械性能優(yōu)異，并且零件的致密度高達(dá)99%以上。


圖1為采用本發(fā)明提供的鈦合金整體葉片盤的粉末熱等靜壓成型方法成型整體 葉片盤時(shí)所使用的模具結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為采用本發(fā)明提供的鈦合金整體葉片盤的粉末熱等靜壓成型方法成型整體 葉片盤時(shí)所使用的包套結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為采用本發(fā)明提供的鈦合金整體葉片盤的粉末熱等靜壓成型方法成型整體 葉片盤時(shí)將模具裝入包套內(nèi)結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為采用本發(fā)明提供的鈦合金整體葉片盤的粉末熱等靜壓成型方法成型整體 葉片盤時(shí)機(jī)械加工后的半成品結(jié)構(gòu)示意圖。圖5采用本發(fā)明提供的鈦合金整體葉片盤的粉末熱等靜壓成型方法生產(chǎn)出的整 體葉片盤結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明提供的鈦合金整體葉片盤的粉末熱等靜壓 成型方法進(jìn)行詳細(xì)說明。如圖1-圖5所示，本發(fā)明提供的鈦合金整體葉片盤的粉末熱等靜壓成型方法包括 按順序進(jìn)行的下列步驟1)根據(jù)整體葉片盤11的形狀制備出如圖1所示的模具1，該模具1由相隔距離呈 環(huán)狀設(shè)置在中部的多個(gè)葉片模塊2和連接在上述多個(gè)葉片模塊2外端的圓環(huán)3構(gòu)成，同時(shí)圓環(huán)3的一側(cè)面外部邊緣向外突出形成有一個(gè)楔形凸起4，模具1中間的空腔部分為整體葉 盤片11的形狀；另外，模具1采用高溫合金K418材料制成。2)根據(jù)模具1的外形尺寸制備出如圖2所示的包套5，該包套5包括筒體6、下蓋 板7以及帶有抽真空管8的上蓋板9，其中下蓋板7安裝在筒體6的下端；另外，包套5采 用低碳鋼材料制成，而筒體6的高度則由根據(jù)整體葉片盤11軸向的尺寸所需充填的鈦合金 粉末層的厚度來確定，包套5上筒體6的內(nèi)徑比模具1的外徑大1mm。3)根據(jù)整體葉片盤11材料的要求，利用常用的等離子旋轉(zhuǎn)電極法制備出球形鈦 合金粉末10，并篩分出100-200目區(qū)間的粉末備用；4)將上述模具1以其上凸起4朝下的方式裝入筒體6的內(nèi)部，并使凸起4的邊緣 與下蓋板7的表面相接觸，從而使凸起4與下蓋板7之間形成儲(chǔ)料的空間，然后將上述制備 好的球形鈦合金粉末10裝入筒體6內(nèi)，并通過機(jī)械振動(dòng)或人工振動(dòng)使其密實(shí)；采用球形鈦 合金粉末10的目的是使其便于流動(dòng)，從而有利于整體葉片盤11的成型。5)將上蓋板9放置在筒體6的上端口處并焊接好，如圖3所示；6)將上述裝有模具1的包套5置于加熱爐中，加熱爐的溫度為400°C，然后在高溫 下利用真空設(shè)備通過抽真空管8對包套5的內(nèi)部進(jìn)行抽真空處理，包套5內(nèi)部的真空度為 3 X KT3Pa。7)將上述已抽真空的包套5置于熱等靜壓設(shè)備中進(jìn)行熱等靜壓處理，熱等靜壓處 理?xiàng)l件是在30分鐘內(nèi)使熱等靜壓設(shè)備內(nèi)溫度達(dá)到500°C，保溫1小時(shí)，再在30分鐘內(nèi)升溫 到900°C，并保溫2小時(shí)；同時(shí)在30分鐘內(nèi)使熱等靜壓設(shè)備內(nèi)壓力達(dá)到80MPa，保壓1小時(shí)， 再在30分鐘內(nèi)升壓到150MPa，保壓2小時(shí)，之后將爐溫冷卻至室溫，以使球形鈦合金粉末 10在高溫高壓下固結(jié)、成型并致密化而形成整體葉片盤11 ；8)利用機(jī)械加工方法去除包套5，然后通過常規(guī)的機(jī)械加工方法將整體葉片盤11 上葉片13及輪盤12兩側(cè)面外部的易于加工的部分去除，并切除掉圓環(huán)3，由此形成帶有多 個(gè)葉片模塊2的整體葉片盤11，如圖4所示；9)利用40% -60%濃度的硫酸對上述帶有多個(gè)葉片模塊2的整體葉片盤11進(jìn)行 腐蝕，從而將所有葉片模塊2腐蝕掉，最終制成如圖5所示的整體葉片盤11。由于整體葉片 盤11是由具有抗腐蝕性能的鈦合金材料制成，因此其不受強(qiáng)酸的影響。另外，整體葉片盤11的形狀不同時(shí)，模具1的形狀將不同。熱等靜壓處理的條件 需根據(jù)整體葉片盤11的材料不同而進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。
權(quán)利要求
1.一種鈦合金整體葉片盤的粉末熱等靜壓成型方法，其特征在于所述的鈦合金整體 葉片盤的粉末熱等靜壓成型方法包括按順序進(jìn)行的下列步驟1)根據(jù)整體葉片盤(11)的形狀制備出模具(1)，該模具(1)由相隔距離呈環(huán)狀設(shè)置在 中部的多個(gè)葉片模塊⑵和連接在上述多個(gè)葉片模塊⑵外端的圓環(huán)⑶構(gòu)成，同時(shí)圓環(huán) (3)的一側(cè)面外部邊緣向外突出形成有一個(gè)楔形凸起，模具(1)中間的空腔部分為整體 葉盤片(11)的形狀；2)根據(jù)模具(1)的外形尺寸制備出包套(5)，該包套( 包括筒體㈩)、下蓋板(7)以 及帶有抽真空管(8)的上蓋板(9)，其中下蓋板(7)安裝在筒體(6)的下端；3)根據(jù)整體葉片盤(11)材料的要求，利用常用的等離子旋轉(zhuǎn)電極法制備出球形鈦合 金粉末(10)，并篩分出100-200目區(qū)間的粉末備用；4)將上述模具(1)以其上凸起(4)朝下的方式裝入筒體(6)的內(nèi)部，并使凸起的 邊緣與下蓋板(7)的表面相接觸，從而使凸起(4)與下蓋板(7)之間形成儲(chǔ)料的空間，然后 將上述制備好的球形鈦合金粉末(10)裝入筒體(6)內(nèi)，并通過機(jī)械振動(dòng)或人工振動(dòng)使其密 實(shí)；5)將上蓋板(9)放置在筒體(6)的上端口處并焊接好；6)將上述裝有模具(1)的包套( 置于加熱爐中，然后在高溫下利用真空設(shè)備通過抽 真空管(8)對包套(5)的內(nèi)部進(jìn)行抽真空處理；7)將上述已抽真空的包套( 置于熱等靜壓設(shè)備中進(jìn)行熱等靜壓處理，以使球形鈦合 金粉末(10)在高溫高壓下成型、固結(jié)并致密化而形成整體葉片盤(11)；8)利用機(jī)械加工方法去除包套(5)，然后通過常規(guī)的機(jī)械加工方法將整體葉片盤(11) 上葉片(13)及輪盤(12)兩側(cè)面外部的易于加工的部分去除，并切除掉圓環(huán)(3)，由此形成 帶有多個(gè)葉片模塊⑵的整體葉片盤(11)；9)利用強(qiáng)酸對上述帶有多個(gè)葉片模塊( 的整體葉片盤(11)進(jìn)行腐蝕，從而將所有葉 片模塊( 腐蝕掉，最終制成整體葉片盤(11)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金整體葉片盤的粉末熱等靜壓成型方法，其特征在于 所述的包套(5)上筒體(6)的內(nèi)徑比模具⑴的外徑大1mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金整體葉片盤的粉末熱等靜壓成型方法，其特征在于 所述的步驟6)中加熱爐的溫度為400°C ；包套(5)內(nèi)部的真空度為3xlO_3Pa。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金整體葉片盤的粉末熱等靜壓成型方法，其特征在于 所述的步驟7)中熱等靜壓處理?xiàng)l件是在30分鐘內(nèi)使熱等靜壓設(shè)備內(nèi)溫度達(dá)到500°C，保溫 1小時(shí)，再在30分鐘內(nèi)升溫到900°C，并保溫2小時(shí)；同時(shí)在30分鐘內(nèi)使熱等靜壓設(shè)備內(nèi)壓 力達(dá)到80MPa，保壓1小時(shí)，再在30分鐘內(nèi)升壓到150MPa，保壓2小時(shí)，之后將爐溫冷卻至 室溫。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金整體葉片盤的粉末熱等靜壓成型方法，其特征在于 所述的步驟9)中的強(qiáng)酸為硫酸。
全文摘要
一種鈦合金整體葉片盤的粉末熱等靜壓成型方法。該方法包括制備模具、包套和球形鈦合金粉末、將模具和粉末裝入包套、對包套內(nèi)部進(jìn)行抽真空處理、將已抽真空的包套進(jìn)行熱等靜壓處理、機(jī)械去除包套及部分模具和利用強(qiáng)酸腐蝕掉其余部分模具等步驟。本發(fā)明提供的鈦合金整體葉片盤的粉末熱等靜壓成型方法是利用熱等靜壓技術(shù)對鈦合金粉末進(jìn)行固結(jié)、成型并致密化，同時(shí)利用模具約束整體葉片盤上復(fù)雜葉片曲面的成型，而整體葉片盤上形狀簡單且易于加工的部位則由包套自由成型，從而達(dá)到利用模具一次成型復(fù)雜型面零件的目的，這樣不僅能夠提高零件的成型效率、鈦合金材料的利用率，而且得到的零件性能均勻，機(jī)械性能優(yōu)異，并且零件的致密度高達(dá)99％以上。
文檔編號B22F3/04GK102126023SQ20111005991
公開日2011年7月20日 申請日期2011年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月11日
發(fā)明者布國亮, 郎利輝 申請人:北京航空航天大學(xué)