[发明专利]热等静压扩散连接制备双合金整体叶盘的方法

说明书

技术领域

本发明属于高温合金连接技术领域，特别是提供了一种热等静压扩散连接制备双合金整体叶盘的方法；以高温合金粉末为中间层，双合金整体叶盘盘体为粉末高温合金，叶片环为铸造高温合金。

背景技术

整体叶盘是为了满足高性能航空发动机而设计的新型结构，它将涡轮转子的叶片和涡轮盘作为一体，省去传统连接中的榫头、榫槽和锁紧装置，使结构大大简化、重量减轻20-30%，有利于提高发动机的推重比、可靠性。

根据涡轮转子的性能和结构需要，双合金整体叶盘盘体选用具有高屈服强度、抗拉强度和优异低周疲劳性能的粉末高温合金，叶片采用细晶、定向凝固或单晶高温合金精密铸造成形，以满足叶片的持久、蠕变性能要求，充分发挥材料的潜力，实现涡轮盘与叶片的最佳组合。

整体叶盘的主要制备工艺有真空电子束焊、线性摩擦焊、数控加工、精密铸造。由于高温合金的合金化程度高、热开裂倾向大，难于进行异种高温合金的真空电子束焊；线性摩擦焊制备高温合金整体叶盘的技术还不成熟，尚处于理论研究阶段；数控加工和精密铸造主要用于单合金整体叶盘。为了获得高质量的连接接头，满足先进航空发动机涡轮转子的性能要求，主要采用热等静压扩散连接制备双合金整体叶盘。热等静压扩散连接被认为是异种高温合金最为可靠、有效的连接方法。

根据连接前粉末高温合金盘坯的状态，热等静压扩散连接分为两种：两步热等静压固-固连接(United States Patent 4096615，Turbine rotor fabrication)和一步热等静压粉-固连接(United States Patent，4063939 Composite turbine wheel and process for making same)。

1、固-固连接。将预先热等静压成形的粉末高温合金盘体与径向固定好的叶片(或叶片环)过盈装配之后热等静压，实现盘体与叶片的冶金结合。该工艺适应性强，且制造工艺相对简单，难点在于需要严格控制连接界面的清洁度、盘体与叶片间的加工精度及配合尺寸。

2、粉-固连接。将叶片(或叶片环)与高温合金粉末组合成包套后热等静压，粉末致密化成形的同时实现叶片与盘体的冶金连接。该工艺复杂，影响因素多，难度较大，但材料选择灵活，尤其适合难以直接铸造成叶片环的单晶或定向凝固合金，难点在于叶片的定位。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热等静压扩散连接制备双合金整体叶盘的方法；以高温合金粉末为中间层，克服了上述现有技术的不足。

本发明所采用的技术方案是将预先热等静压成形的粉末高温合金盘体与叶片环进行机加工、间隙装配、焊接成包套，然后在叶片环和盘体之间添加高温合金粉末作中间层，合金粉末的化学成分、粒度组成、纯净度与盘体相同。双合金整体叶盘的热等静压扩散连接工艺与粉末高温合金盘体的热等静压成形工艺相同，它们的热等静压工艺为：温度在其γ′强化相完全溶解温度以上20～60℃，保温保压时间不少于2h，压力不低于120MPa。具体工艺如下：

(1) 通过等离子旋转电极法或氩气雾化法制备高温合金粉末，粉末筛分或静电去夹杂处理后获得所需粒度范围和纯净度的成品粉末，成品粉末再经过热等静压制成致密的粉末高温合金盘坯；

(2) 将精密铸造成形的高温合金叶片环与粉末高温合金盘坯机加工、装配、焊接，叶片环内径与盘体外径的间隙尺寸1～2mm，制成双合金整体叶盘包套；

(3) 选用与盘体化学成分、粒度组成、纯净度相同的高温合金粉末，在400～500℃、真空度小于1.33×10^-2Pa下装入双合金整体叶盘包套，粉末装套的同时进行动态热脱气、振动密实，以确保叶片环与盘体间隙中粉末填充密实、均匀，然后进行包套真空封焊；

(4) 封焊好的双合金整体叶盘包套进行热等静压，高温合金粉末致密化的同时实现叶片环与盘体的扩散连接，机加工后获得双合金整体叶盘盘坯。

与固-固连接相比，本发明采用的高温合金粉末具有良好的流动性，可以降低盘体与叶片环的加工精度及配合尺寸要求；叶片环与盘体间隙装配，可避免过盈装配产生的内应力，改善连接界面的组织和应力状态。

与粉-固连接相比，叶片环与盘体间隙均匀、尺寸小，便于叶片的定位。此外，高温合金粉末在400～500℃、真空度小于1.33×10^-2Pa下装入双合金整体叶盘包套，装套的同时进行动态热脱气，然后真空封焊，可以提高连接界面的清洁度；扩散连接后高温合金粉末与盘体的组织相同，不会影响连接接头的组织和性能。