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专利名称：一种多级盘轴结构一体化成型方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202411288730.6

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：本发明所述的多级盘轴结构一体化成型方法，包括如下步骤：将原料粉末装填于陶瓷包套中，陶瓷包套上设置有平行布置的多层环形槽结构，环形槽结构内填充垫片组件，垫片组件填充于环形槽后与陶瓷包套构成圆柱体结构；将所述圆柱体结构置于匹配的烧结模具内，烧结模具的顶部和底部具有活塞式压头；将烧结模具置于真空粉末煅烧装置中进行煅烧处理；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，得到一体式的多级盘轴结构。本发明在加工多级盘轴结构时去料量少，避免了原材料的浪费，加工周期少，成本低，且解决了异形件在模压过程中容易受力不均导致开裂及力学性能差的难题，性能得到保障。

主权利要求：
1.一种多级盘轴结构一体化成型方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）将原料粉末装填于陶瓷包套中，陶瓷包套上设置有平行布置的多层环形槽结构，环形槽结构内填充垫片组件，垫片组件填充于环形槽后与陶瓷包套构成圆柱体结构；
（2）将所述圆柱体结构置于匹配的烧结模具内，烧结模具的顶部和底部具有活塞式压头；将烧结模具置于真空粉末煅烧装置中进行煅烧处理；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~?5
0.5 5HZ，振幅范围为0 10MPa；烧结过程中真空度小于或等于1×10 Pa；烧结完成后冷却；
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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，得到一体式的多级盘轴结构。
2.根据权利要求1所述的多级盘轴结构一体化成型方法，其特征在于，步骤（1）中，原料粉末为高温合金粉末或钛合金粉末，原料粉末为直径50 250μm的球形结构。
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3.根据权利要求1所述的多级盘轴结构一体化成型方法，其特征在于，步骤（1）中，陶瓷包套的材质为Si3N4、ZrO2或Al2O3中的一种或几种，陶瓷包套的厚度为2~5mm。
4.根据权利要求1所述的多级盘轴结构一体化成型方法，其特征在于，步骤（2）中，烧结模具为空心圆柱体结构，烧结模具和活塞式压头均由石墨制备而成，烧结模具的内径与所述陶瓷包套的外径相匹配。
5.根据权利要求4所述的多级盘轴结构一体化成型方法，其特征在于，步骤（1）中，垫片组件包括圆形垫片，圆形垫片由至少两块独立设置的垫块组成，两垫块的上表面和下表面均设置有凸出的分垫块，垫片组件将所述环形槽结构充分填充；其中垫片材质为石墨、Si3N4、ZrO2和Al2O3块体材料中的一种。
6.根据权利要求1所述的多级盘轴结构一体化成型方法，其特征在于，步骤（2）中，烧结温度为1100℃ 1300℃、烧结时间为1 3h；烧结过程中升温速率为5 100℃/min；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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7.根据权利要求1所述的多级盘轴结构一体化成型方法，其特征在于，步骤（3）中，固溶处理温度为1100 1250℃、时间为2 6h；时效处理温度为600 800℃、时间为5 15h。
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8.根据权利要求1所述的多级盘轴结构一体化成型方法，其特征在于，步骤（3）中，固溶?5处理与时效处理过程中真空度低于或等于1×10 Pa。
9.根据权利要求1所述的多级盘轴结构一体化成型方法，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 : 一种多级盘轴结构一体化成型方法技术领域[0001] 本发明涉及盘轴制造技术领域，具体涉及一种多级盘轴结构一体化成型方法。背景技术[0002] 中小航空发动机通过减少零件数量，可有效降低发动机重量的同时降低制造成本。作为发动机承受载荷最严酷的零部件，压气机和涡轮盘轴体系通常成为保障发动机可靠运行的关键部件。现有压气机和涡轮盘通常为盘轴分离结构，通过齿轮或法兰相互连接传动，不仅零部件众多，且价格昂贵，可靠性亟待提高。近年来，在先进中小航空发动机研制过程中，人们发现若将压气机和涡轮的多级盘轴体系合为一个零件制备，能有效减少零件数量，提高寿命和可靠性。然而，目前此类零件的制备方式通常采用直径尺寸裕度足够的棒材进行机械加工得到。此种方法具有以下缺点：棒材加工过程中，盘与盘之间去料量过大，造成了原材料极大浪费，而由于去料量过大，导致加工时长过长，从而使得制备周期成倍增加，并且去料过程控制不当，容易导致加工精度不稳定，影响产品性能，因而亟待改进。发明内容[0003] 本发明所解决的技术问题在于提供一种多级盘轴结构一体化成型方法，以解决现有技术中多级盘轴结构制备过程去料量大、加工时间长、加工精度无法保证的技术问题。[0004] 本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：[0005] 一种多级盘轴结构一体化成型方法，包括如下步骤：[0006] （1）将原料粉末装填于陶瓷包套中，陶瓷包套上设置有平行布置的多层环形槽结构，环形槽结构内填充垫片组件，垫片组件填充于环形槽后与陶瓷包套共同构成圆柱体结构；[0007] （2）将所述圆柱体结构置于匹配的烧结模具内，烧结模具的顶部和底部具有活塞式压头；将烧结模具置于真空粉末煅烧装置中进行煅烧处理；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~?5围为0.5 5HZ，振幅范围为0 10MPa；烧结过程中真空度低于或等于1×10 Pa；烧结完成后冷~ ~却；[0008] （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，得到一体式的多级盘轴结构。[0009] 进一步地，步骤（1）中，原料粉末为高温合金粉末或钛合金粉末，原料粉末为直径50 250μm的球形结构。~[0010] 进一步地，步骤（1）中，陶瓷包套的材质为Si3N4、ZrO2或Al2O3中的一种或几种，陶瓷包套的厚度为2 5mm。~[0011] 进一步地，步骤（2）中，烧结模具为空心圆柱体结构，烧结模具和活塞式压头均由石墨制备而成，烧结模具的内径与所述陶瓷包套的外径相匹配，[0012] 进一步地，步骤（1）中，垫片组件包括圆形垫片，圆形垫片由至少两块独立设置的垫块组成，两垫块的上表面和下表面均设置有凸出的分垫块，垫片组件将所述环形槽结构充分填充。优选的，垫片材质为石墨、Si3N4、ZrO2和Al2O3块体材料中的一种。[0013] 进一步地，步骤（2）中，烧结温度为1100 1300℃、烧结时间为1 3h；烧结过程中升~~ ~温速率为5 100℃/min；烧结完成后强制冷却，强制冷却的降温速率为5 10℃/min。~ ~[0014] 进一步地，步骤（3）中，固溶处理温度为1100 1250℃、时间为2 6h；时效处理温度~ ~为600 800℃、时间为5 15h。~ ~[0015] 进一步地，步骤（3）中，固溶处理与时效处理过程中真空度低于或等于1×10?5Pa。[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：本发明所述的多级盘轴结构一体化成型方法，去料量少，避免了原材料的浪费，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；采用独特设计的陶瓷包套与垫片组件结合的方式，解决了异形件在模压过程中容易受力不均导致开裂及力学性能差的难题，并且在烧结过程中，采用真空烧结、恒定压力加震荡载荷烧结过程，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，样件组织和性能得到保障。附图说明[0018] 图1为本发明中陶瓷包套的结构示意图。[0019] 图2为本发明中垫片组件的横截面的结构示意图。[0020] 图3为本发明中烧结模具的结构示意图。[0021] 其中：1、陶瓷包套；2、环形槽；3、垫片组件；4、垫块；5、分垫块；6、模具本体；7、烧结腔；8、活塞式压头。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] 本发明各实施例所采用的陶瓷包套1如图1和图3所示，陶瓷包套1上平行设置有平行布置的多层环形槽2结构，环形槽2结构内填充垫片组件3；采用的垫片组件如图2和图3所示，垫片组件3包括圆形垫片，圆形垫片由至少两块独立设置的垫块4组成，两垫块4的上表面和下表面均设置有凸出的分垫块5，垫片组件3将所述环形槽2结构充分填充。[0024] 烧结模具如图3所示，其包括模具本体6，模具本体6包括带烧结腔7的圆柱形结构，烧结腔7顶部和底部均设置活塞式压头8，模具本体6和活塞式压头8均由石墨制备而成。陶瓷包套1放置于烧结腔7内，烧结腔7的内径与陶瓷包套1的外径相匹配。[0025] 实施例1[0026] 本实施例所述的多级盘轴结构一体化成型方法，包括如下步骤：[0027] （1）、将原料粉末装填于陶瓷包套中，其中原料粉末为钛合金粉末，原料粉末为直径分散于50~250μm间的球形结构；其中陶瓷包套的材质为Si3N4，陶瓷包套的厚度为5mm。陶瓷包套上平行设置有平行布置的多层环形槽结构，环形槽结构内填充垫片组件，垫片组件填充于环形槽后与陶瓷包套构成实心圆柱体结构；[0028] （2）将所述圆柱体结构置于匹配的烧结模具内；将烧结模具置于真空粉末煅烧装置中进行煅烧处理；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，振荡压力载荷的振荡频率范围为0.6HZ，振幅范围为5MPa；烧?5结过程中保持真空度为1×10 Pa；烧结过程中升温速率为50℃/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8℃/min；[0029] （3）在真空粉末锻造设备中继续进行固溶处理与时效处理，固溶处理与时效处理?5过程中真空度保持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8℃/min；出炉后得到一体式的多级盘轴结构。[0030] 实施例2[0031] 本实施例所述的多级盘轴结构一体化成型方法，包括如下步骤：[0032] （1）、将原料粉末装填于陶瓷包套中，其中原料粉末为钛合金粉末，原料粉末为直径50~250μm的球形结构；其中陶瓷包套的材质为Si3N4，陶瓷包套的厚度为4mm。陶瓷包套上平行设置有平行布置的多层环形槽结构，环形槽结构内填充垫片组件，垫片组件填充于环形槽后与陶瓷包套构成实心圆柱体结构；[0033] （2）将所述圆柱体结构置于匹配的烧结模具内；将烧结模具置于真空粉末煅烧装置中进行煅烧处理；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40MPa，振荡压力载荷的振荡频率范围为0.5HZ，振幅范围为10MPa；烧?5结过程中保持真空度为1×10 Pa；烧结过程中升温速率为35℃/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10℃/min；[0034] （3）在真空粉末锻造设备中继续进行固溶处理与时效处理，固溶处理与时效处理?5过程中真空度保持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10℃/min；出炉后得到一体式的多级盘轴结构。[0035] 实施例3[0036] 本实施例所述的多级盘轴结构一体化成型方法，包括如下步骤：[0037] （1）、将原料粉末装填于陶瓷包套中，其中原料粉末为钛合金粉末，原料粉末为直径50~250μm的球形结构；其中陶瓷包套的材质为Si3N4，陶瓷包套的厚度为4mm。陶瓷包套上平行设置有平行布置的多层环形槽结构，环形槽结构内填充垫片组件，垫片组件填充于环形槽后与陶瓷包套构成实心圆柱体结构；[0038] （2）将所述圆柱体结构置于匹配的烧结模具内；将烧结模具置于真空粉末煅烧装置中进行煅烧处理；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，振荡压力载荷的振荡频率范围为0.5HZ，振幅范围为4MPa；烧?5结过程中保持真空度为1×10 Pa；烧结过程中升温速率为60℃/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6℃/min；[0039] （3）在真空粉末锻造设备中继续进行固溶处理与时效处理，固溶处理与时效处理?5过程中真空度保持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6℃/min；出炉后得到一体式的多级盘轴结构。[0040] 对照例1[0041] 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。[0042] 对照例2[0043] 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。[0044] 对照例3[0045] 本对照例中，原料粉末直径分散于300 400μm，其余与实施例1同。~[0046] 对照例4[0047] 本对照例中，多级盘轴结构采用传统的锻件圆柱毛坯去料加工的方式进行加工。[0048] 将实施例1 3及对照例1 4制备得到的多级盘轴结构进行检测和对比，结构如表1~ ~所示。[0049] 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。[0050] 表1[0051][0052] 由表1可知，本发明所述的技术方案，与对照例4所记载的传统方法相比，制备周期缩短50%以上，其原材料使用率高达90%，远远优于传统方法的30%，极大降低制备成本，晶粒度、致密度以及力学性能与传统方法制备的产品无明显区别，但实际操作中，同批次生产的多个产品中，本发明所述的方法良品率明显大于传统方法制备的产品，无开裂现象，加工精度及性能均更为稳定。由对照例1 3可知，本发明的技术方案为加工工序与参数控制共同配~合完成的结果，当加工工序或参数控制不当，效果不理想。[0053] 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：2024-09-14

专利公开日期：2024-11-19

专利公告号：CN118788967B