[发明专利]一种梯度组织航空发动机整体叶盘及其制备方法

说明书

本发明提供一种梯度组织航空发动机整体叶盘及其制备方法，所述叶盘由钛合金制备得到，所述叶盘其包括盘体和叶片两部分，所述盘体为圆柱形，所述叶片呈径向辐射状均匀分布于所述盘体外缘圆周；所述盘体从内到外依次由基体、内层、中间层和外层组成，其中，内层组织为细等轴晶组织，中间层为粗等轴晶组织，外层为径向柱状晶组织；所述叶片为定向柱状晶组织。本发明采用激光增材制造技术，通过调整搭接距离、送粉速率、激光光斑大小、熔池搭接率、激光功率等工艺参数，便可制备得到梯度组织的钛合金整体叶盘，在叶盘由内到外分别得到了细等轴晶区、粗等轴晶区以及径向柱状晶区。

技术领域

本发明涉及激光增材制造产品及方法，尤其是涉及一种梯度组织航空发动机整体叶盘及其制备方法。

背景技术

整体叶盘为航空发动机最为关键的热端动力部件之一，因其长时间处于高温高压的极端服役环境下，其对整体叶盘的材料以及加工工艺具有极为严格的要求。

钛合金作为超高性能的新型金属，依靠其高强度、低密度、高热强度、优良的抗腐蚀性能、较好的低温性能以及低的导热性等被广泛应用于飞机关键结构件、航空器以及其他极端条件服役的高科技产业装备当中，例如将钛合金应用于整体叶盘能很好地适应航空发动机地高温高压环境。

但随着航空航天工业的发展，对发动机的服役寿命以及动力提出了更高的要求，因此对整体叶盘的材料以及制备方法提出了更高的要求。增材制造技术作为一种新兴的制备技术，其依靠其高制备自由度、低制备周期等优点目前已较广泛地应用于航空航天等工业领域。特别是激光增材制造，依靠其高的热输入以及冷却速率，可以得到与常规制备方法如锻造铸造不同的精细组织。将激光增材制造应用于制备钛合金整体叶盘，可以极大降低制备周期，降低制备成本。

航空发动机压气机整体叶盘在服役时叶片与盘体的温度以及承力条件具有很大的差异。其中，叶片的工作温度很高，主要承受离心的拉伸应力；而盘体的服役温度较低，但会承受较大的多轴循环应力，且由盘心至盘边的温度梯度以及应力梯度也是不容忽视的。因此，为解决整体叶盘的不同服役条件，大幅提升叶盘服役能力，需按其服役条件在叶盘以及叶片上制备不同的组织，常规方式制备的钛合金整体叶盘难以有效制备梯度组织，而增材制造的应用恰好适合梯度组织的制备。因此，研发一种增材制造技术制备梯度组织的航空发动机整体叶盘的技术十分必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种梯度组织航空发动机整体叶盘及其制备方法。

第一，本发明提供一种梯度组织航空发动机整体叶盘，所述叶盘由钛合金制备得到，所述叶盘其包括盘体和叶片两部分，所述盘体为圆柱形，所述叶片呈径向辐射状均匀分布于所述盘体外缘圆周；所述盘体从内到外依次由基体、内层、中间层和外层组成，其中，内层组织为晶粒粒径小于100μm的细等轴晶组织，中间层为晶粒粒径为100μm-2mm的粗等轴晶组织，外层为沿圆柱形的径向的柱状晶组织；所述叶片为定向取向的柱状晶组织。

进一步优选的，所述盘体由TC4、TC11、TC17、TC25G或Ti2AlNb制备得到，所述叶片由TiAl制备得到。

第二，本发明还提供了上述技术方案所述的梯度组织航空发动机整体叶盘的制备方法，包括以下步骤：

1）将圆柱状钛合金基材作为基体置于转台上；

2）在所述钛合金基材的圆柱表面进行激光增材制造，以沉积内层，其中，激光增材制造的工艺参数采用，光斑直径10-15mm的大光斑，90-100g/min的大送粉速率，搭接率25-35%，1400-1500W的激光扫描功率；

3）在内层表面进行激光增材制造，以沉积中间层，其中，激光增材制造的工艺参数，维持光斑直径10-15mm的大光斑、90-100g/min的大送粉速率、搭接率25-35%，提高激光扫描功率为1500-1800W；