[发明专利]一种双合金整体叶片盘及其制备方法

说明书

本发明属于双合金材料制造技术领域，特别涉及一种双合金整体叶片盘及其制备方法。本发明采用激光熔化沉积的方法，通过同轴送粉方式将粉末送至激光形成的熔池内，逐层堆积，依次制备出轮毂、轮辐、轮缘与叶片。叶片盘轮毂、轮辐部分使用钛合金粉末，叶片部位使用Ti2AlNb基合金粉末，轮缘与叶片结合部位使用钛合金粉末与Ti2AlNb基合金粉末按照一定比例混合的粉末。本发明方法所制备的轮盘在常温下具有较高的强度和塑性，叶片在高温下具有良好的强度。由于使用激光熔化沉积方法，零件接近最终形态，加工量小，节约制造成本和生产周期。

技术领域

本发明属于双合金材料制造技术领域，特别涉及一种双合金整体叶片盘及其制备方法。

背景技术

压气机叶片盘是涡轮发动机的重要零部件之一。近年来，为了达到降低发动机整体重量的目的，提高推重比，大量的整体叶片盘被应用到了压气机中，摒弃了原有的榫槽连接方式，减少了零部件的数量和重量，使发动机性能和可靠性大大提高，同时也使得叶片盘尤其是叶片尖部的工作温度不断提高。美国NASA在民用航空推进系统研究计划中提出的高速运输机，其压气机出口温度甚至超过了700℃。

压气机叶片盘轮盘部位由于有冷却通道，冷却效果好，工作温度较低，一般要求轮盘具有高的中低温塑性、强度和低周疲劳性能。而叶片部位由于冷却效果较差，承受长时间的高温，热疲劳，需要具有良好的高温强度、高温持久和高温蠕变性能的材料。

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。目前在整体叶片盘上应用较多的TC4和TC11属于α+β钛合金，可以通过热处理调控显微组织，力学性能变化范围宽，但是高温稳定性不足，TC11在500℃下允许的工作时间仅为500小时。TA15属于单相α钛合金，不仅有良好的室温高温力学性能，而且高温稳定性好，在500℃的情况下可以使用3000小时，是TC11的6倍。

然而目前在压气机上使用的钛合金高温极限已经到达瓶颈几乎无法再提高，γ-TiAl合金又存在有室温塑性低、韧性差的缺点，镍基高温合金的密度大、比强度低。这就需要寻找一种比强度高，室温、高温性能又好的替代材料。Ti2AlNb基合金在1988年被人们首次发现，经历了一系列的发展，目前被称为第二代O相合金的Ti22Al25Nb、Ti22Al27Nb等Nb含量大于25％的Ti₂AlNb基合金具有高的室温抗拉强度、高的高温抗拉强度和疲劳强度、较好的室温断裂韧性和抗裂纹扩展能力、良好的抗蠕变性、中等抗氧化性能以及低的热膨胀系数，使用温度可达650℃～750℃。Ti2AlNb基合金已成为最有希望的未来航空航天发动机材料之一。但是合金中的Nb属于重金属元素，价格偏贵，Ti2AlNb的大量使用，必然提高制造成本。

根据叶片盘各部位不同的服役环境以及对力学性能的要求，考虑到提高压气机性能并降低成本，叶片部位使用高温性能优异的Ti2AlNb基合金，其他部位使用相对便宜的钛合金制造双合金整体叶片盘。为了满足整体叶片盘工作时不同部位使用环境及性能的要求，目前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，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。另一种方法就是分别制造出叶片和叶盘部分，然后采用摩擦焊的方式将两部分焊接起来，但是叶盘、叶片形状复杂，加工成本高，且焊接结合部位强度低，容易出现缺陷。

因此，发展由高强度钛合金轮盘及Ti2AlNb合金叶片组成的双合金整体叶盘可满足高推重比航空发动机的发展需要，并进一步提高材料结构效率。

综上所述，为满足未来高性能航空发动机的发展需要，研制一种能够满足性能要求同时造价低廉的双合金整体叶片盘十分必要。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供了一种双合金整体叶片盘及其制备方法，轮盘由室温下具有高强度高塑性的材料制成，而叶片由高温性能优异的材料制成。

一种双合金整体叶片盘的制备方法，采用激光熔化沉积的方法逐层堆积出整体叶片盘，叶盘和叶片分别为两种不同牌号合金。