[发明专利]一种具有复合性能的钛合金整体叶片盘及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有复合性能的钛合金整体叶片盘及其制造方法，属于金属基 复合材料及其制造领域。

背景技术

钛合金具有密度低、比强度高、屈强比高、耐蚀性及良好的高温力学性能，在 现代高推比航空发动机中用于制造压气机转子零件(压气机轮盘及叶片)，随着近 年来整体叶片盘结构的采用(压气机轮盘与叶片为一整体，取消了原来的榫槽连接 结构，使零件数量大大减少，整体重量明显减轻，同时由于整体叶片盘可以消除传 统叶片、轮盘结构中气流在榫头与榫槽中逸流所造成的损失，使发动机工作效率增 加，推重比得以提高)，航空发动机的性能得到显著提高，压气机的级数逐渐减少， 压气机的工作温度不断提高(目前已达到600℃)，同时钛合金整体叶片盘的制造成 本非常高(通常由钛合金锻坯通过五轴数控铣或电解加工而成，或者分别加工出盘 和叶片，然后通过电子束焊或摩擦焊连接成一体)，因此对钛合金整体叶片盘的各 方面性能提出了更高的要求。

钛合金整体叶片盘在使用过程中盘缘和盘芯存在较大的温度梯度和应力梯度， 一般要求盘芯具有高的室温塑性、强度和低周疲劳性能，而盘缘要求具有高的高温 断裂韧性和蠕变抗力，为解决盘芯与盘缘的性能差异，发展了结合热加工变形及热 处理控制获得双性能钛合金压气机盘的工艺(轮缘具有网篮状组织，轮辐、轮毂具 有等轴细晶组织，见姚泽坤等人撰写的文章“双性能钛合金压气机盘的成形机理”， 发表于“中国有色金属学报”，2000年，第10卷第3期，378-382页)，该工艺在实 际生产中控制难度较大，效果不明显，且不能提高钛合金的使用温度。

为满足更高工作温度的要求，美国、英国、俄罗斯、中国等先后研制成功最高 使用温度在600℃左右的高温钛合金，如Ti1100、IMI834、BT36、Ti600等。为进一 步提高钛合金的使用温度，各国正在加紧研制Ti₃Al、TiAl合金及钛基复合材料(见 赵永庆撰写的文章“高温钛合金的研究”，发表于“钛工业进展”，2001年，第1期， 33-39页)。钛基复合材料通过在钛合金基体中加入一定量的纤维或颗粒，可以获得 更高的比模量、比强度、高温蠕变性能及疲劳和磨损抗力，显著提高结构效率，是 未来650℃及更高温度下使用的关键材料。连续纤维增强钛基复合材料主要是以碳化 硅纤维作为增强体，虽可以显著提高机械性能，但因连续纤维价格昂贵、制造工艺 复杂、材料各向异性等原因，导致其成本很高、技术难度大，限制了其广泛使用。 而颗粒增强钛基复合材料具有各向同性、易加工、成本相对降低等特点，正引起了 人们的广泛关注。近年来，日本、美国的研究者采用粉末冶金结合原位反应制备出 低成本、高性能的颗粒增强钛基复合材料，并在应用上取得重要突破。我国也正在 加紧研制650℃下能长期使用的TiC颗粒增强的TP650钛基复合材料。传统方法在制备 颗粒增强钛基复合材料时同样存在工艺复杂、增强体颗粒大、分布均匀性差、界面 反应、界面结合强度低及零件成形加工困难等缺点，也无法实现具有不同性能材料 在同一零件上的集成。