[发明专利]一种基于局部置氢制造钛合金双性能涡轮盘的方法及产品

说明书

本发明属于航空发动机零件制造领域，并具体公开了一种基于局部置氢制造钛合金双性能涡轮盘的方法及产品，其包括下列步骤：将玻璃涂层涂覆在钛合金坯料需阻氢部位的表面，并将涂覆有玻璃涂层的钛合金坯料进行烧结；将烧结后的钛合金坯料进行置氢处理，以使需置氢部位达到设计氢浓度；去除钛合金坯料上的玻璃涂层；将钛合金坯料预热并保温，然后在模锻模具上进行高温模锻成形；将模锻成形的锻件进行真空退火除氢处理，去除锻件内部的氢元素，使氢含量在0.015wt.％以下。本发明成形的涡轮盘的轮毂部分为等轴组织，轮缘部分为魏氏组织，同时轮毂与轮缘间的过渡部分组织性能连续，不存在弱连接的问题。

技术领域

本发明属于航空发动机零件制造领域，更具体地，涉及一种基于局部置氢制造钛合金双性能涡轮盘的方法及产品。

背景技术

涡轮盘是航空航天领域发动机中最重要的部件之一，它的工作条件恶劣，因此对材料的性能要求高。首先，涡轮盘的工作温度高，可达1000K，其次，涡轮盘的工作频率高，转速可达10000rpm以上，另外，对于涡轮盘的不同位置，涡轮盘的工作条件也不同。轮毂部分承受较大的载荷，但工作温度相对较低，轮缘部分工作温度高，承受的应力较小。

为了满足涡轮盘的性能要求，通常的做法是将涡轮盘的尺寸放大，使它的各项性能提高，能够满足更恶劣的工作环境。但是，这样的方法会使航空航天发动机的重量大大提高，生产成本也大大提高，不能满足航空航天减重和降成本的要求，于是双性能涡轮盘的成形方法越来越常见。

双性能涡轮盘，即轮毂部分有着较高的屈服强度和低周疲劳强度，轮缘部分有较高的断裂韧性和抗蠕变性能。目前，制作双性能涡轮盘的方法有双合金法和单合金法。双合金法即在轮毂部分和轮缘部分分别运用两种合金材料，分别满足轮毂和轮缘的性能要求，但这种方法难以解决轮毂和轮缘间的弱连接与组织性能平滑过渡问题。双合金双性能涡轮盘的技术瓶颈难以攻克间接推动了单合金双性能涡轮盘的发展，为实现双性能要求，需使轮毂部分的晶粒为细晶，轮缘部分的晶粒为粗晶。不仅如此，还需保证在轮缘和轮毂的过渡部分有着良好的组织性能连续，否则双性能涡轮盘在工作过程中，组织性能不连续的区域易发生断裂等缺陷，这对于航空航天发动机而言是致命的。为实现组织性能良好的连续性，目前的办法主要是对双性能涡轮盘进行梯度热加工和梯度热处理，但是梯度热处理对温度梯度的精度要求高，很难实现轮缘与轮毂部分组织性能的平缓过渡，仍然会有过渡区域“弱连接”的问题。

对于钛合金双性能涡轮盘而言，理想的情况是轮毂部分为等轴组织，轮缘部分为网篮组织或魏氏组织。除了应用梯度热处理的方法成形外，还能通过控制变形量来控制轮缘与轮毂最后形成的组织。这种方法首先需要将坯料加热至相变点温度以上进行保温，然后淬火得到大量针状马氏体，在变形过程中，控制轮缘有较大变形量，轮毂有较小变形量，使轮缘区域针状马氏体变形破裂，然后在随后的热处理过程中分解成等轴组织，轮毂部分的马氏体依然保持针状，在随后的热处理过程中分解成网篮组织。这种方法的缺点在于难以准确控制过渡区域的组织，过渡区域组织性能的连续性不好。为了解决这个问题，授权公告号为CN 101629273B的专利在此基础上提出一种通过多次的局部加载来精准控制各个区域变形量的方法，能够控制过渡区域最终的组织为双态组织，但这种方法成形过程与热处理步骤复杂，需要多次锻造成形。

发明内容

为了满足钛合金双性能涡轮盘的性能要求，克服传统工艺的不足，本发明提出了一种基于局部置氢制造钛合金双性能涡轮盘的方法及产品，其利用阻氢结合置氢的方式控制涡轮盘不同区域的氢含量，使得最终成形的涡轮盘的轮毂部分为等轴组织，轮缘部分为魏氏组织，同时轮毂与轮缘间的过渡部分组织性能连续，不存在弱连接的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种基于局部置氢制造钛合金双性能涡轮盘的方法，其包括下列步骤：

S1在钛合金坯料需阻氢部位的表面涂覆玻璃涂层，并将涂覆有玻璃涂层的钛合金坯料在玻璃涂层软化温度下进行烧结；