[发明专利]一种航空发动机单合金双性能涡轮盘及其制备方法

说明书

本发明公开一种航空发动机单合金双性能涡轮盘及其制备方法，该涡轮盘由TiAl合金组成，从近涡轮轴侧向外依次包括盘芯、辐板和盘缘，盘芯为双态组织，盘缘为全层片组织，辐板为双态组织与全层片组织的过渡态；该制备方法首先采用三维制图软件构建单合金双性能涡轮盘的三维模型，然后根据该三维模型，并采用电子束熔融方式扫描获得单合金双性能涡轮盘。本发明提供的单合金双性能涡轮盘可实现仅采用一种合金而实现两种不同组织以满足盘芯、盘缘服役条件不同的需求；本发明提供的制备方法采用电子束熔融方式能实现双组织涡轮盘的整体一次成型，简化了制备工艺，提高生产效率。

技术领域

本发明涉及航空发动机制造技术领域，尤其是一种航空发动机单合金双性能涡轮盘及其制备方法。

背景技术

航空发动机涡轮盘工作条件比较复杂。盘芯部位工作温度低，受到涡轮轴的扭转作用，承受较大的离心力载荷，因此要求盘芯有较高的强度。而盘缘部位靠近涡轮叶片，接触高温燃气，工作温度较高，因此需要盘缘具有优异的抗蠕变和持久性能。盘芯、盘缘服役条件的不同对材料提出了不同的需求。双性能涡轮盘的盘体在不同部位具有不同的组织，盘芯为细晶组织，有良好的拉伸强度和低周疲劳性能，盘缘为粗晶组织，以保证其足够的持久、抗蠕变性能。

目前，双性能涡轮盘主要有两种，一种是双合金-双组织双性能盘，即将两种合金通过焊接、热等静压复合等方法连接起来制成双性能盘，但双合金的连接部位易形成裂纹源。另一种是单合金-双组织双性能盘，这类盘件避免了出现双合金盘的薄弱结合区，但往往需要对盘件的不同区域做不同的热处理从而形成双组织，增加了制备工序的复杂性，且控制难度较大。

发明内容

本发明提供一种航空发动机单合金双性能涡轮盘及其制备方法，用于克服现有技术中制备工序的复杂性，且控制难度较大等缺陷。

为实现上述目的，本发明提出一种航空发动机单合金双性能涡轮盘，所述单合金双性能涡轮盘由TiAl合金组成；所述单合金双性能涡轮盘从近涡轮轴侧向外依次包括盘芯、辐板和盘缘，所述盘芯为双态组织，所述盘缘为全层片组织，所述辐板为双态组织与全层片组织的过渡态。

为实现上述目的，本发明还提出一种航空发动机单合金双性能涡轮盘的制备方法，包括：

S1：利用三维制图软件构建单合金双性能涡轮盘的三维模型；

S2：将三维模型从近涡轮轴侧向外依次划分为盘芯区域、辐板区域和盘缘区域，并在三维模型上进行区域标记；

S3：利用分层软件对区域标记后的三维模型沿高度方向进行切割分层，获得N个片层模型；每个片层模型均包含区域标记；

S4：沿三维模型的高度方向，从最底层片层模型开始，采用电子束熔融方式重复进行N次电子束扫描，冷却，获得单合金双性能涡轮盘；

所述电子束扫描具体为：

根据当前片层模型对TiAl合金粉末进行电子束扫描；所述电子束扫描包括轮廓扫描和成形区域扫描，先进行轮廓扫描，再按照区域标记依次对盘缘区域、辐板区域和盘芯区域进行成形区域扫描；所述成形区域扫描的工作电流和扫描速度，盘缘区域大于辐板区域，辐板区域大于盘芯区域。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

1、本发明提供的单合金双性能涡轮盘由TiAl合金组成，TiAl合金具有低密度、高强度和高模量以及优异的抗蠕变和抗氧化等性能，TiAl合金比钛合金有明显优越的高温性能，使用温度可达650～900℃，而其密度仅为镍基高温合金的一半，为一种可替代部分镍基高温合金应用于航空航天的轻质高温结构材料；此外，TiAl合金包括双态组织和全层片组织，双态组织晶粒细小，通常具有较好的室温拉伸性能，但断裂韧性与蠕变性能较低；而全片层组织通常晶粒粗大，因此强度较低，但其高温抗蠕变性能和断裂韧性优异。因此，本发明选择TiAl合金作为金属合金来制备涡轮盘，可实现仅采用一种合金而实现两种不同组织以满足盘芯、盘缘服役条件不同的需求。