[发明专利]一种粉末高温合金双辐板空心涡轮盘的连接方法

说明书

本发明涉及航空发动机涡轮盘制造领域，具体涉及一种粉末高温合金双辐板空心涡轮盘的连接方法。针对双辐板涡轮盘特有的半封闭、空心狭腔、焊接面积大的设计结构特点及新型粉末高温合金选材特点所带来的综合性问题，本发明以固相扩散连接为核心，通过焊接界面精密制备、扩散连接工艺曲线设计及优化、焊后恢复性能热处理等工艺措施，消除接头原始连接界面，实现粉末高温合金的可靠连接，提高涡轮盘结构完整性和使用性能。与传统的高温合金扩散连接工艺相比，采用本发明的方法获得的连接接头原始连接界面消失，高温蠕变寿命超过了材料标准值，高温低周疲劳性能达到了材料标准值的90%以上，满足了空心涡轮盘设计及使用需求。

技术领域

本发明涉及航空发动机涡轮盘制造领域，具体涉及一种粉末高温合金双辐板空心涡轮盘的连接方法。

背景技术

双辐板空心涡轮盘为国际先进高性能发动机代表型零件，也是国内新一代高性能发动机首选设计结构，其典型结构如图1 所示。传统涡轮盘为实心结构，冷气只能从盘面流过进行冷却，导致涡轮盘温度分布不均、热应力大。与传统涡轮盘相比，冷气可直接流进双辐板间空腔，从而实现盘体内部冷却，提高了盘体冷却效果，减少了冷却空气用量，提高了发动机性能；涡轮盘温度分布更加均匀，热应力更小，从而延长了涡轮盘寿命；质量减轻了17%，转速提高了9%，提高了AN²值，从而降低涡轮盘的高周疲劳失效，进而大幅降低发动机的非定期维护成本。

如图1所示，双辐板空心涡轮盘由2个近对称半盘焊接而成，其中一个半盘有安装边，除安装边外两半盘其他部分接近对称。两个半盘轴向外侧均有内外两个凸出的环形平面，轴向内侧组合后形成空心狭腔，空心狭腔处沿径向两侧的两个半盘的连接处即为需要焊接的位置，即焊接面。材料选用了第三代粉末高温合金，该合金其兼具了兼具第一代粉末高温合金的高强度和第二代粉末高温合金的损伤容限设计的优点，是高强度损伤容限型合金，具有更高的蠕变强度和抗裂纹扩展能力，热时寿命是第二代的20～30倍，是新一代航空发动机热端部件的首选材料；双辐板空心涡轮盘具有半封闭、空心狭腔、焊接面积大的结构设计特点，焊后内腔无法加工，采用常规焊接方法存在如下问题：

(1)内腔的电子束焊工艺锁底或焊缝余高、惯性摩擦焊接头飞边等无法去除，影响结构完整性和使用性能；

(2)电子束焊接头的铸造组织难以满足涡轮盘对高温蠕变性能、抗疲劳裂纹扩展能力的需求；

(3)高温合金扩散连接温度一般为合金熔点的80%～85%，对于该新型粉末高温合金约为1000℃～1100℃，在该温度下即使进行长时间、大压力固相扩散连接，接头仍存在原始扩散连接界面，破坏了接头微观结构完整性，接头高温蠕变、高温疲劳等性能无法满足使用需求；而进一步提高焊接温度，将导致母材性能降低，零件综合性能无法满足使用需求。

综上所述，现有工艺技术水平已限制了新型高性能发动机粉末合金空心涡轮盘的研制及应用。

发明内容

针对双辐板涡轮盘特有的半封闭、空心狭腔、焊接面积大的设计结构特点及新型粉末高温合金选材特点所带来的综合性问题，本发明以固相扩散连接为核心，通过焊接界面精密制备、扩散连接工艺曲线设计及优化、焊后恢复性能热处理等工艺措施，消除接头原始连接界面，实现粉末高温合金的可靠连接，提高涡轮盘结构完整性和使用性能，为国内新型高性能发动机空心涡轮盘的研制及应用提供技术支撑。

本发明以固相扩散连接为核心，通过焊接界面精密制备、扩散连接工艺曲线设计及优化、焊后恢复性能热处理等工艺措施，消除接头原始连接界面，实现粉末高温合金的可靠连接，提高涡轮盘结构完整性和使用性能，其技术方案要点包含：（1）扩散连界面精密加工；（2）固相扩散连接工艺曲线设计及优化，包括预连接温度及保温时间、正式焊接温度及保温时间；（3）焊后热处理工艺。

本发明的方法具体包含以下步骤：

S1：焊前精密加工：