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专利名称：带长轴颈涡轮盘的制造方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202411298195.2

专利申请（专利权）人：湖南昇航动力开云优惠体育网页版入口有限公司
权利人地址：湖南省株洲市天元区中达路9号C-6号车间201号房

专利发明（设计）人：黄灿灿

专利摘要：本发明公开了一种带长轴颈涡轮盘的制造方法，包括如下步骤：（1）将装填有合金粉末的陶瓷包套置于烧结模具内底部，陶瓷包套外部填充球形陶瓷颗粒，烧结模具顶部具有活塞式压头；（2）将烧结模具置于真空粉末锻造设备中进行烧结，烧结过程中，将活塞式压头施加的压力提高到压力中值然后施加振荡压力载荷；烧结完成后冷却；（3）在真空粉末锻造设备中继续进行固溶处理与时效处理，然后强制冷却处理出炉，得到带长轴颈涡轮盘。本发明能降低长轴颈涡轮盘的加工周期，降低成本，晶粒组织细化，致密度提高，有效改善了样件组织和性能。

主权利要求：
1.带长轴颈涡轮盘的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）将装填有直径为50 250μm的球形合金粉末的陶瓷包套置于烧结模具内底部，陶瓷~包套外部填充直径为0.5 1.0mm的球形陶瓷颗粒，烧结模具顶部具有活塞式压头；
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（2）将烧结模具置于真空粉末锻造设备中进行烧结，烧结过程中，将活塞式压头施加的压力提高到压力中值然后施加振荡压力载荷，压力中值为10 90MPa，振荡压力载荷的振荡~频率范围为0.5 5HZ，振幅范围为0 10MPa；烧结过程中，烧结温度为1100 1300℃，烧结时间~ ~ ~?5
为1 3h；烧结过程中升温速率为5 100℃/min；真空度小于或等于1×10 Pa；烧结完成后强~ ~制冷却，强制冷却的降温速率为5 10℃/min；
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（3）在真空粉末锻造设备中继续进行固溶处理与时效处理，然后冷却处理出炉，得到带长轴颈涡轮盘；固溶处理温度为1100 1250℃、时间为2 6h；时效处理温度为600 800℃、时~ ~ ~?5
间为5 15h；固溶处理与时效处理过程中真空度保持0 1×10 Pa。
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2.根据权利要求1所述的带长轴颈涡轮盘的制造方法，其特征在于，步骤（1）中，合金粉末为高温合金粉末。
3.根据权利要求1所述的带长轴颈涡轮盘的制造方法，其特征在于，步骤（1）中，陶瓷包套的材质为Si3N4、ZrO2、Al2O3中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的带长轴颈涡轮盘的制造方法，其特征在于，陶瓷包套的平均厚度为2 5mm。
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5.根据权利要求1所述的带长轴颈涡轮盘的制造方法，其特征在于，步骤（1）中，烧结模具和活塞式压头均由石墨制备而成。
6.根据权利要求5所述的带长轴颈涡轮盘的制造方法，其特征在于，步骤（1）中，烧结模具为空心圆柱体结构，烧结模具的内径与所述陶瓷包套的底部外径相匹配，烧结腔顶部的活塞式压头与所述带长轴颈涡轮盘的顶部间具有压制空间。
7.根据权利要求5所述的带长轴颈涡轮盘的制造方法，其特征在于，步骤（1）中，球形陶瓷颗粒的材质为Si3N4、ZrO2、Al2O3中的一种或几种。
8.根据权利要求1?7任意一项所述的带长轴颈涡轮盘的制造方法，其特征在于，步骤（2）和步骤（3）中，冷却采用水循环和氩气充入的复合强制冷却方式。 说明书 : 带长轴颈涡轮盘的制造方法技术领域[0001] 本发明涉及涡轮盘技术领域，具体涉及一种带长轴颈涡轮盘的制造方法。背景技术[0002] 粉末高温合金由于其优异的高温性能，成为当前广泛应用的航空发动机涡轮盘材料。然而，采用粉末高温合金制备带长轴颈涡轮盘，需要经过包括热等静压成型、固溶时效处理、挤压锻造、机械加工等在内的复杂工艺流程。传统的带长轴颈涡轮盘制备存在如下缺点：制备工艺复杂且分散、周期长、成本高；此外，由于热等静压工艺大都采用包套定形，在承受压力过程中受力不均易造成毛坯变形，需较大的毛坯余量来保障最终尺寸，从而极大增加了机械加工量，造成原材料浪费，并且一旦变形，产品的力学性能和晶粒度无法保障。[0003] 如何进一步缩短加工周期、降低生产成本的同时进一步减少原材料浪费、保证材料性能是研发的难点和重点所在。公开号为CN110695360A的中国专利公开了一种制备功能梯度高温合金涡轮盘的方法，其通过设置包套获得功能梯度涡轮盘，成本低廉，操作简单方便，然而实际应用中仍然存在工艺复杂、性能无法保障等问题，且不适用于带长轴颈涡轮盘的加工，因此，本发明旨在开发一种带长轴颈涡轮盘的制造方法，以更好的满足实际需要。发明内容[0004] 本发明所解决的技术问题在于提供一种带长轴颈涡轮盘的制造方法，以解决现有技术中带长轴颈涡轮盘加工周期长、生产成本高、原材料浪费且性能无法保证的问题。[0005] 本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：[0006] 带长轴颈涡轮盘的制造方法，包括如下步骤：[0007] （1）将装填有直径为50 250μm的球形合金粉末的陶瓷包套置于烧结模具内底部，~陶瓷包套外部填充直径为0.5 1.0mm的球形陶瓷颗粒，烧结模具顶部具有活塞式压头；~[0008] （2）将烧结模具置于真空粉末锻造设备中进行烧结，烧结过程中，将活塞式压头施加的压力提高到压力中值然后施加振荡压力载荷，压力中值为10 90MPa，振荡压力载荷的~振荡频率范围为0.5 5HZ，振幅范围为0 10MPa；烧结过程中，烧结温度为1100 1300℃，烧结~ ~ ~?5时间为1 3h；烧结过程中升温速率为5 100℃/min；真空度小于或等于1×10 Pa；烧结完成~ ~后强制冷却，强制冷却的降温速率为5 10℃/min；~[0009] （3）在真空粉末锻造设备中继续进行固溶处理与时效处理，然后冷却处理出炉，得到带长轴颈涡轮盘；固溶处理温度为1100 1250℃、时间为2 6h；时效处理温度为600 800~ ~ ?5 ~℃、时间为5 15h；固溶处理与时效处理过程中真空度保持0 1×10 Pa。~ ~[0010] 进一步地，步骤（1）中，合金粉末为高温合金粉末。[0011] 进一步地，步骤（1）中，陶瓷包套的材质为Si3N4、ZrO2、Al2O3中的一种或几种。[0012] 进一步地，陶瓷包套的平均厚度为2 5mm。~[0013] 进一步地，步骤（1）中，烧结模具和活塞式压头均由石墨制备而成。[0014] 进一步地，步骤（1）中，烧结模具为空心圆柱体结构，烧结模具的内径与所述陶瓷包套的底部外径相匹配，烧结腔顶部的活塞式压头与所述带长轴颈涡轮盘的顶部间具有压制空间。[0015] 进一步地，步骤（1）中，球形陶瓷颗粒的材质为Si3N4、ZrO2、Al2O3中的一种或几种。[0016] 进一步地，步骤（2）和步骤（3）中，冷却采用水循环和氩气充入的复合强制冷却方式。[0017] 有益效果：[0018] 本发明所述的带长轴颈涡轮盘的制造方法，其多个工序在真空粉末锻造设备中即可完成，无需频繁更换加工场所，有效减少了工艺环节，缩短加工周期，减少转移过程中带来的污染；烧结过程中，采用真空烧结、压力加振荡载荷烧结过程，有效实现了粉末高温合金的以压代锻，在烧结过程中即对样件进行形变强化，使其晶粒组织细化，致密度提高，有效改善了样件组织和性能。[0019] 本发明所述的带长轴颈涡轮盘的制造方法，采用特定的烧结模具，并且采用球形陶瓷粉末作为填充料提高模压成型烧结的压力均匀性，解决了异形件在模压过程中容易受力不均，从而导致性能不足或开裂的难题。附图说明[0020] 图1为本发明中烧结模具的结构示意图。[0021] 其中：1、模具本体；2、陶瓷包套；3、球形陶瓷颗粒；4、活塞式压头；5、烧结腔。具体实施方式[0022] 为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例进一步阐述本发明。[0023] 本发明所采用的烧结模具如图1所示，其包括模具本体1，模具本体1包括带烧结腔5的圆柱形结构，烧结腔5顶部设置活塞式压头4，模具本体1和活塞式压头4均由石墨制备而成。陶瓷包套2放置于烧结腔5内底部，烧结腔5的内径与陶瓷包套2底部的外径相匹配，烧结腔5顶部的活塞式压头4与所述陶瓷包套2顶部间具有压制空间。陶瓷包套2外部放置有球形陶瓷颗粒3。[0024] 实施例1[0025] 本实施例所述的带长轴颈涡轮盘的制造方法，包括如下步骤：[0026] （1）将装填有合金粉末的陶瓷包套置于烧结模具内底部，陶瓷包套外部填充球形陶瓷颗粒，烧结模具顶部具有活塞式压头；该步骤中，合金粉末为优选为高温合金粉末，其是一类在高温下具有优异机械性能和耐蚀性能的金属材料，广泛应用于航空航天、能源电力、汽车工业等领域，通常以镍、钴或铁为基体，添加铬、钨、钼、铝、钛、铌、钽等合金元素，通过粉末冶金工艺制备而成，优选选择FGH95高温合金粉末，高温合金粉末的形状为球形，其直径分散于50~250μm；陶瓷包套的材质为Si3N4，陶瓷包套的平均厚度为4mm；球形陶瓷颗粒的直径为0.5~1.0mm，球形陶瓷颗粒的材质为ZrO2；[0027] （2）将烧结模具置于真空粉末锻造设备中进行烧结，烧结过程中，将活塞式压头施加的压力提高到压力中值然后施加振荡压力载荷，本实施例中，压力中值为30MPa，振荡压?5力载荷的振荡频率范围为0.5HZ，振幅范围为10MPa；烧结过程中保持真空度为1×10 Pa；烧结过程中升温速率为20℃/min，由室温升温至1200℃后持续烧结2h；烧结完成后强制冷却；强制冷却采用水循环和氩气充入的复合冷却方式；强制冷却的降温速率为8℃/min；[0028] （3）在真空粉末锻造设备中继续进行固溶处理与时效处理，处理过程中保持真空?5度为1×10 Pa；固溶处理温度为1200℃、时间为4h；时效处理温度为650℃、时间为6h；然后强制冷却处理出炉，强制冷却采用水循环和氩气充入的复合冷却方式；强制冷却的降温速率为8℃/min；得到带长轴颈涡轮盘。[0029] 实施例2[0030] 本实施例所述的带长轴颈涡轮盘的制造方法，包括如下步骤：[0031] （1）将装填有合金粉末的陶瓷包套置于烧结模具内底部，陶瓷包套外部填充球形陶瓷颗粒，烧结模具顶部具有活塞式压头；该步骤中，合金粉末为FGH95高温合金粉末，高温合金粉末的形状为球形，其直径分散于50~250μm；陶瓷包套的材质为ZrO2，陶瓷包套的平均厚度为5mm；球形陶瓷颗粒的直径为0.5~1.0mm，球形陶瓷颗粒的材质为Si3N4；[0032] （2）将烧结模具置于真空粉末锻造设备中进行烧结，烧结过程中，将活塞式压头施加的压力提高到压力中值然后施加振荡压力载荷，本实施例中，压力中值为50MPa，振荡压?5力载荷的振荡频率范围为0.5HZ，振幅范围为10MPa；烧结过程中保持真空度为1×10 Pa；烧结过程中升温速率为100℃/min，由室温升温至1300℃后持续烧结1h；烧结完成后强制冷却；强制冷却采用水循环和氩气充入的复合冷却方式；强制冷却的降温速率为10℃/min；[0033] （3）在真空粉末锻造设备中继续进行固溶处理与时效处理，处理过程中保持真空?5度为1×10 Pa；固溶处理温度为1100℃、时间为6h；时效处理温度为800℃、时间为5h；然后强制冷却处理出炉，强制冷却采用水循环和氩气充入的复合冷却方式；强制冷却的降温速率为10℃/min；得到带长轴颈涡轮盘。[0034] 实施例3[0035] 本实施例所述的带长轴颈涡轮盘的制造方法，包括如下步骤：[0036] （1）将装填有合金粉末的陶瓷包套置于烧结模具内底部，陶瓷包套外部填充球形陶瓷颗粒，烧结模具顶部具有活塞式压头；该步骤中，合金粉末为FGH95高温合金粉末，高温合金粉末的形状为球形，其直径分散于50~250μm；陶瓷包套的材质为Si3N4，陶瓷包套的平均厚度为2mm；球形陶瓷颗粒的直径为0.5~1.0mm，球形陶瓷颗粒的材质为Si3N4；[0037] （2）将烧结模具置于真空粉末锻造设备中进行烧结，烧结过程中，将活塞式压头施加的压力提高到压力中值然后施加振荡压力载荷，本实施例中，压力中值为10MPa，振荡压?5力载荷的振荡频率范围为0.5HZ，振幅范围为5MPa；烧结过程中保持真空度为1×10 Pa；烧结过程中升温速率为5℃/min，由室温升温至1100℃后持续烧结3h；烧结完成后强制冷却；强制冷却采用水循环和氩气充入的复合冷却方式；强制冷却的降温速率为5℃/min；[0038] （3）在真空粉末锻造设备中继续进行固溶处理与时效处理，处理过程中保持真空?5度为1×10 Pa；固溶处理温度为1250℃、时间为2h；时效处理温度为600℃、时间为15h；然后强制冷却处理出炉，强制冷却采用水循环和氩气充入的复合冷却方式；强制冷却的降温速率为5℃/min；得到带长轴颈涡轮盘。[0039] 对照例1[0040] 本对照例与实施例1相比，不同点在于，步骤（2）中，不采用振荡压力载荷，而仅采用恒定压力30MPa，其余同。[0041] 对照例2[0042] 本对照例与对照例1相比，不同点在于，步骤（2）中，真空度大于1×10?5Pa，其余同。[0043] 对照例3[0044] 本对照例与实施例1相比，不同点在于，采用流动性较差的不规则形状陶瓷颗粒填充，其余同。[0045] 对照例4[0046] 本对照例中，原料粉末直径分散于300 400μm，其余与实施例1同。~[0047] 对照例5[0048] 本对照例采用传统的等静压工艺进行烧制，具体方法为：[0049] 步骤1：采用含带长轴颈涡轮盘内腔形状的不锈钢包套装粉，置于热等静压设备?5中，于室温下抽真空将包套内空气排出，使包套内真空度不大于10 Pa，然后边升温边充氩气加压，温度升至1200℃，压力甚至120MPa,烧结时间为5h,冷却至室温；[0050] 步骤2：将样件送入热处理炉中，进行固溶处理与时效处理，固溶处理温度为1200℃、时间为4h；时效处理温度为650℃、时间为6h；然后强制冷却处理出炉，强制冷却采用水循环和氩气充入的复合冷却方式；强制冷却的降温速率为8℃/min；得到带长轴颈涡轮盘。[0051] 将实施例1 3及对照例1 5制备得到的带长轴颈涡轮盘进行检测和对比，结构如表~ ~1所示。其中：室温拉伸采用GB/T228?2010中记载的金属材料拉伸试验室温试验方法；高温拉伸采用GB/T4338?2006记载的金属材料高温拉伸试验方法；抗疲劳试验采用GB/T15248?2008记载的金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法；晶粒度采用GB/T6394?2017记载的金属平均晶粒度测定方法。[0052] 表1[0053][0054] 由表1本发明所述的技术方案，与传统方法相比，制备周期大大缩短，且经实际核算成本降低30%以上。得到的产品晶粒度≥10.5级，致密度≥99.5%。室温拉伸强度≥1500MPa，650℃拉伸≥1300MPa，直径120mm级涡轮盘实现15000 21000低循环疲劳寿命≥~27000次。在缩短制备周期性能和降低成本的前提下，能制备得到性能优异的长轴颈涡轮盘产品。由对照例1 4可知，本发明中加工工序与参数控制极为关键。~[0055] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

专利地区：湖南

专利申请日期：2024-09-18

专利公开日期：2024-11-19

专利公告号：CN118808652B