一種功能梯度性能盤件的制備方法
【專利摘要】一種功能梯度性能盤件的制備方法，屬于快速凝固粉末冶金高溫合金【技術領域】。渦輪盤的不同部位采用不同粒度的粉末進行直接熱等靜壓成形，經過熱處理后在盤件沿徑向獲得具有不同晶粒尺寸的梯度晶粒組織，使盤件沿徑向具有不同性能的梯度性能，輪轂具有高的拉伸強度和優(yōu)異低周疲勞性能，輪轂和輪緣之間的力學性能具有良好的過渡，輪緣高持久、高抗蠕變性能，滿足功能梯度性能盤件的要求。
【專利說明】一種功能梯度性能盤件的制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于快速凝固粉末冶金高溫合金【技術領域】，特別是提供了一種功能梯度性能盤件的制備方法。
【背景技術】
[0002]渦輪盤是航空發(fā)動機的熱端核心部件?，F(xiàn)代高性能航空發(fā)動機渦輪盤的工作條件非?？量蹋瑴u輪盤承受應力場和溫度場的疊加作用；應力包括在高速旋轉時產生的離心力和振動載荷引起的應力；沿渦輪盤徑向，應力由輪緣(盤的外圓部位)向輪轂(盤心部位)逐漸增大，形成應力梯度，溫度由輪轂向輪緣逐漸增大，形成溫度梯度。輪緣經受較高的溫度和較低的應力，輪轂經受較低的溫度和較高的應力。為滿足渦輪盤在服役條件下力學性能的要求，必須保證輪轂具有高的拉伸強度和優(yōu)異的低周疲勞性能，輪緣具有高的持久性能、抗蠕變性能和裂紋擴展抗力。
[0003]單一合金均一組織的盤件無法滿足上述性能的要求。為使渦輪盤不同部位具有不同的性能，可以通過兩種途徑來實現(xiàn):一是盤件不同部位采用不同的合金，即雙金屬盤(US5100050, 1992.03.31，US5106012, 1992.04.21，US5143563, 1992.09.01，US5161950, 1992.11.10，US7537725B2, 2009.05.26), 二是采用一種合金，盤件不同部位獲得不同的晶粒組織(US4820358, 1989.04.11, US5312497, 1994.05.17，US5527402, 1996.01.18，US5527020, 1996.06.18，US6478896B1, 2002.1 1.12，US6660110B1, 2003.12.09)。雙金屬盤的不足之處在于沒有解決兩種合金的折衷熱處理和過渡區(qū)應力問題。單一合金盤件不同部位獲得不同的晶粒組織包括梯度熱變形和雙顯微組織熱處理(梯度熱處理)兩種工藝。梯度熱變形工藝是在輪轂部位采用大變形量鍛造，獲得細晶組織，在輪緣部位采用小變形量鍛造，獲得粗晶組織。該工藝的不足之處在于熱處理制度的選擇很復雜。雙顯微組織熱處理工藝是通過熱變形使整體盤件得到均勻的細晶組織，然后盤件在固溶處理時沿徑向建立溫度梯度場，在盤件的不同部位獲得不同的晶粒組織，即在輪轂部位采用過固溶處理(溫度高于Y ^相溶解溫度)，Y ^相完全溶解，晶粒發(fā)生長大，輪轂獲得細晶組織，在輪緣部位采用亞固溶處理(溫度低于Y '相溶解溫度)，Y '相部分溶解，剩余的Y '相阻礙晶粒長大，輪緣保持細晶組織。該工藝的不足之處在于溫度梯度場在長時間加熱保溫條件下的可控性以及重復性較低。
[0004]為克服以上不足，本發(fā)明提供了一種功能梯度性能盤件的設計原理。梯度性能盤件的設計原理是在渦輪盤件的輪轂、輻板和輪緣分別使用不同粒度的快速凝固高溫合金粉末，使渦輪盤不同部位具有不同的晶粒組織和力學性能，滿足高性能航空發(fā)動機渦輪盤在苛刻工況條件下性能要求。盤件的這種梯度性能特性既符合渦輪盤的工況特點，又可以充分發(fā)揮材料的潛力，同時有利于渦輪盤結構的優(yōu)化設計、減輕盤件的重量，提高發(fā)動機的推重比。

【發(fā)明內容】
[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種功能梯度性能盤件的制備方法，能夠獲得具有梯度晶粒組織的盤件；使渦輪盤不同部位具有不同的晶粒組織和力學性能。
[0006]本發(fā)明的依據在于不同粒度的粉末固結后，發(fā)生完全再結晶時可得到不同晶粒尺寸的組織。本發(fā)明的核心是:渦輪盤的不同部位采用不同粒度的粉末，在盤件沿徑向獲得具有不同晶粒尺寸的梯度晶粒組織，使盤件沿徑向具有不同性能的梯度性能。具體工藝步驟如下:
[0007](I)輪轂采用細粉，粉末粒度為小于50μπι，經熱等靜壓后得到細晶粒組織，輪轂具有高的拉伸強度和優(yōu)異低周疲勞性能；
[0008](2)輻板(輪轂和輪緣過渡區(qū))采用中等尺寸的粉末，粉末粒度為50-100 μ m，經熱等靜壓后得到介于輪轂和輪緣的中等尺寸的晶粒組織，從而使輪轂和輪緣之間的晶粒組織和力學性能具有良好的過渡。
[0009](3)輪緣則采用粗粉，粉末粒度為大于100?小于等于200 μ m,經熱等靜壓后得到粗晶粒組織，以滿足輪緣高持久、高抗蠕變性能的要求；
[0010](4)熱等靜壓后的盤件進行熱處理。
[0011]渦輪盤熱等靜壓溫度為1170°C?1200°C，渦輪盤熱處理固溶溫度為1130°C?1150。。；
[0012]渦輪盤熱等靜壓溫度為％, +10°C?tY, +40°C (tY,為合金中Y '相固溶溫度)；
[0013]渦輪盤熱處理固溶溫度為tY, -30°C?tY, -1O0C (tY,為合金中Y丨相固溶溫度)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為錠坯Al熱等靜壓后金相組織。
[0015]圖2為錠坯BI熱等靜壓后金相組織。
[0016]圖3為錠坯Cl熱等靜壓后金相組織。
【具體實施方式】
[0017]本發(fā)明的【具體實施方式】如下:
[0018]實施例1
[0019]采用FGH95合金，主要化學成分(質量分數(shù)，%)為:Co8.1、Cr 13.1 ；W3.4、Μο3.4、Α13.4、Ti2.4、Nb3.4、C0.06、Ni余量。盤件的輪轂、輻板和輪緣分別采用粉末的粒度分別為小于50 μπκ50-100 μ m和大于100?小于等于200 μ m。將以上三種粒度的粉末分別裝入碳鋼包套進行模擬實驗，包套的尺寸為Φ 100X IlOmm,裝粉后的包套進行熱等靜壓,熱等靜壓溫度高于相完全溶解，使合金發(fā)生完全再結晶，獲得等軸細晶(熱等靜壓溫度為1200°C，壓力不小于lOOMPa，保溫保壓時間不小于2h)，熱等靜壓后的包套進行扒皮，得到的錠坯(錠坯Al粉末粒度為小于50 μ m,錠坯BI粉末粒度為50-100 μ m,錠坯Cl粉末粒度為大于100?小于等于200 μ m)進行熱處理，包括固溶處理和兩級時效，固溶處理溫度低于
相完全溶解，晶粒不再長大，保證熱等靜壓態(tài)細晶組織(固溶處理:1130°C X1.5h鹽淬，一次時效:870°C XL 5h，空冷，二次時效:650°C X24h，空冷)。熱處理后錠坯的金相組織如圖1所示，錠坯的平均晶粒尺寸如表I所示，熱處理后錠坯的力學性能分別見表2、表3、表4、表5、表6、和表7。
[0020]實施例2
[0021]采用FGH95合金，主要化學成分(質量分數(shù)，%)為:Co8.1、Cr 13.1 ；W3.4、Μο3.4、Α13.4、Ti2.4、Nb3.4、C0.06、Ni余量。盤件的輪轂、輻板和輪緣分別采用粉末的粒度分別為小于50 μπκ 50-100 μ m和大于100~小于等于200 μ m。將以上三種粒度的粉末分別裝入碳鋼包套進行模擬實驗，包套的尺寸為Φ 100X IlOmm,裝粉后的包套進行熱等靜壓,熱等靜壓溫度高于相完全溶解，使合金發(fā)生完全再結晶，獲得等軸細晶(熱等靜壓溫度為1170°C，壓力不小于lOOMPa，保溫保壓時間不小于2h)，熱等靜壓后的包套進行扒皮，得到的錠坯(錠坯A2粉末粒度為小于50 μ m,錠坯B2粉末粒度為50-100 μ m,錠坯C2粉末粒度為大于100~小于等于200 μ m)進行熱處理，包括固溶處理和兩級時效，固溶處理溫度低于
相完全溶解，晶粒不再長大，保證熱等靜壓態(tài)細晶組織(固溶處理:1150°C X1.5h鹽淬，一次時效:870°C XL 5h，空冷，二次時效:650°C X24h，空冷)。熱處理后錠坯的金相組織與如圖1所示類似，只是一次Y '數(shù)量較少，錠坯的平均晶粒尺寸如表1所示，熱處理后錠坯的力學性能分別見表2、表3、表4、表5、表6、和表7。
[0022]表1平均晶粒尺寸
[0023]
【權利要求】
1.一種功能梯度性能盤件的制備方法，其特征在于，工藝步驟如下: (1)輪轂采用細粉，粉末粒度為小于50μπι，經熱等靜壓后得到細晶粒組織； (2)輻板即輪轂和輪緣過渡區(qū)采用中等尺寸的粉末，粉末粒度為50-100μ m，經熱等靜壓后得到介于輪轂和輪緣的中等尺寸的晶粒組織； (3)輪緣采用粗粉，粉末粒度為大于100?小于等于200μ m,經熱等靜壓后得到粗晶粒組織，以滿足輪緣高持久、高抗蠕變性能的要求； (4)熱等靜壓后的盤件進行熱處理:渦輪盤熱等靜壓溫度為1170°C?1200°C，渦輪盤熱處理固溶溫度為1130°C?1150°C。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，渦輪盤熱等靜壓溫度為+10°C?tY, +40°C, tY,為合金中Y '相固溶溫度。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，渦輪盤熱處理固溶溫度為tY,-30°C?tY, -10°c, tY,為合金中Y '相固溶溫度。
【文檔編號】B22F3/14GK103691952SQ201410005281
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2014年1月6日 優(yōu)先權日:2014年1月6日
【發(fā)明者】張義文, 韓壽波, 劉建濤, 賈建, 陶宇, 張瑩, 孫志坤 申請人:鋼鐵研究總院