[发明专利]一种航空发动机双合金双性能涡轮盘及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃气轮机领域，尤其是关于一种航空发动机双合金双性能涡轮盘及其制备方法。

背景技术

涡轮盘是航空发动机的核心部件之一，承担着将燃气推动涡轮叶片所做的功传递至轴以带风扇、压气机等部件工作的任务。其固有的工作环境和工作特点可概括如下：

1）涡轮盘位于燃烧室之后，其热环境及其严峻，目前的高性能航空发动机涡轮盘上的温度已经超过了1000K，在这种温度环境下，涡轮盘材料的强度性能急剧下降，从而不能满足寿命及可靠性的要求，所以往往需要对涡轮盘加以冷却。

2）涡轮盘的工作转速一般超过10000rpm，因此承受极大的离心载荷；由于对涡轮盘的冷却和热环境的分布不均，因此涡轮盘上受到复杂且随运行工况不断变化的热应力载荷。所以，涡轮盘上收到的总应力水平非常高。

正因为以上特点，涡轮盘是航空发动机最危险的部件之一。通常，降低涡轮盘所受应力的方法是，通过增大危险区域的几何尺寸以控制涡轮盘上的应力水平来保证可靠的强度需求。因此，目前典型的涡轮盘结构形式是：涡轮盘应力水平最大的盘心区域采用几何尺寸的加厚；由于涡轮盘上的应力水平分布特点是沿径向逐渐降低的，因此涡轮盘辐板区域的厚度沿径向逐渐变薄以减轻质量；由于涡轮盘的盘缘必须承受叶片的拉力作用，因此涡轮盘的盘缘区域的厚度再次逐渐加厚。需要注意的是，增大几何尺寸将直接导致涡轮盘质量的增加和发动机性能的降低，所以增加几何尺寸并不被鼓励。为尽量缓解由于保证强度带来的涡轮盘质量的增加，在涡轮盘的结合形状大致确定后，还需通过结构优化设计做进一步的调整。

而且航空发动机涡轮盘在工作过程中不同部位承受的温度和应力载荷不同。航空发动机涡轮盘的轮毂部位承受较高应力和较低温度，航空发动机涡轮盘的轮缘部位承受较低应力和较高温度。这就要求航空发动机涡轮盘的轮缘部位在较高温下具有高的持久、蠕变强度和损伤容限，航空发动机涡轮盘的轮毂部位在较低温度下具有高的屈服强度和低周疲劳性能。双性能涡轮盘（dual property disk）是一种在处于较高温度下工作时，其轮缘部位具有高的持久、蠕变强度，在处于较低温度下工作时，其轮毂部位具有高的屈服和低周疲劳性能的涡轮盘。但是普通的双性能涡轮盘是通过改变不同部位的晶粒度来提高不同部位的耐温或者屈服强度。改变不同部位的晶粒度是为了获得细晶组织和粗晶组织，但是改变不同部位晶粒度的工艺控制过程十分复杂，难度大，制造成本高。并且单一合金双组织产生的双性能必然受到合金自身性能的约束，并不能完全发挥双性能涡轮盘的结构设计优势。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提出一种航空发动机双合金双性能涡轮盘及其制备方法，其无需增加航空发动机涡轮盘的厚度，且制备工艺相对简单，成本低，能够在很大程度上降低航空发动机涡轮盘上的最大应力，从而提高涡轮盘寿命。

为实现上述目的，本发明提供了一种航空发动机双合金双性能涡轮盘，它包括盘心区域和辐板区域，所述盘心区域靠近中轴的部位采用的材料为第一合金材料，所述盘心区域其他部位以及所述辐板区域采用的材料为第二合金材料，所述第一合金材料的线膨胀系数大于所述第二合金材料的线膨胀系数。

进一步的，所述盘心区域靠近中轴的部位中采用所述第一合金材料的区域占所述盘心区域的比例，以及所述盘心区域靠近中轴的部位中采用所述第一合金材料的区域的具体位置，由采用的所述第一合金材料的线膨胀系数及所述盘心区域所受应力最大的区域确定。

进一步的，所述盘心区域靠近中轴的部位中采用所述第一合金材料的区域占所述盘心区域的比例为5%-50%。

进一步的，所述第一合金材料的线膨胀系数由所述盘心区域靠近中轴的部位中采用所述第一合金材料的区域的大小确定，且满足所述第一合金材料与所述第二合金材料的接触面之间的集中应力小于所述盘心区域所受的最大应力的条件。

进一步的，所述第一合金材料的线膨胀系数比所述第二合金材料的线膨胀系数提高了5%-80%。

进一步的，所述第二合金材料采用的是FGH96合金，所述第一合金材料的线膨胀系数比所述第二合金材料的线膨胀系数提高了10%，所述盘心区域靠近中轴的部位中采用所述第一合金材料的区域占所述盘心区域的比例为30%。

为实现上述目的，本发明还提供了一种上述的航空发动机双合金双性能涡轮盘的制备方法，其特征在于，它包括以下步骤：

1）通过有限元计算涡轮盘所受到的应力，确定涡轮盘所受应力最大的区域位于涡轮盘的盘心区域靠近中轴的部位内；