[发明专利]一种难变形材料的空心涡轮叶片的多功能场辅助制造方法

说明书

本发明提供了一种难变形材料的空心涡轮叶片的多功能场辅助制造方法，用于解决传统的铸造空心涡轮叶片的方法工艺过程复杂、成形难度大的问题，其技术要点在于：包括如下步骤，第一步，材料准备；第二步，电辅助超声固结成形；第三步，磨削、铣削；第四步，冲压成形；第五步，热等静压烧结；第六步，热处理，第七步，表面修形，得到空心涡轮叶片。本发明的空心涡轮叶片的制造方法简化了工艺流程，降低了成形难度并降低加工成本。

技术领域

本发明涉及涡轮叶片加工技术领域，尤其涉及空心涡轮叶片的一种电辅助超声增材制造方法。

背景技术

超声固结增材制造技术是一种新型的固态制造工艺，该技术利用超声波金属塑性加工原理，以金属箔材为原材料，使用超声波的高频振动，使箔材层与层之间的接触界面在静压力和高频振动的共同作用下，通过摩擦、温升等作用促进界面之间金属原子无限接近、产生结合与扩散，实现层与层之间的固态冶金结合。与传统制造技术相比，超声固结的可设计性较好，可以通过层间箔材的分布和形貌设计，制造具有复杂内部通道、空腔的复杂零件。此外，通过不同材料箔材的匹配，能够制备出单一材料无法实现的高性能材料。

空心涡轮叶片是航空发动机和燃气轮机的核心部件，对国家经济发展和国防安全具有深远的意义。因其结构复杂、精度要求高而难以制造。制备空心涡轮叶片的工艺主要为熔模精铸工艺。在传统的铸造空心涡轮叶片的方法中，首先需要制造型芯，然后在型芯表面制作叶片的蜡模，继而采用多次涂挂的方法在叶片的蜡模表面形成型壳，最后，熔化叶片的蜡模得到空心蜗轮叶片的铸型。此外，铸造叶片的显微组织较为粗大，叶片不同部位的组织差别较大，且铸造叶片的材料性能分散性较大、性能相对较低。该工艺具有制造周期长、工艺复杂、成品率低等问题。

镍铝基高温合金具有良好抗氧化性能与抗腐蚀性能，并且在温度达1000℃的情况下仍然能够保持比较高的强度，蠕变强度和持久强度。但是镍铝基合金一般具有较大摩擦系数、较低的导热系数、较小的刀屑面积，并且强度大，因此在对其进行加工时，很容易出现加工硬化的现象，并且对加工刀具伤害较大、需要高的加工温度和大的加工切削力，因此限制了它的应用。镍铝基高温合金之所以难以加工，其加工时主要存在这几方面的难题：塑性变形很大、不容易保证精度、表面质量差、硬化现象严重以及加工刀具磨损快。

经检索，发现中国发明专利：航空发动机涡轮叶片热等静压近净成型方法，公开号：CN 113664199A，申请号：202110959791.0，该发明公开一种航空发动机涡轮叶片的热等静压净成型方法：“所述航空发动机涡轮叶片的制造方法包括设计包套；向包套中填充金属粉末，并对金属粉末进行充分振实，直至凹腔和半腔体中均填充满金属粉末；对包套进行加热抽真空处理，之后再对主体凸和主体凹之间进行焊接密封；包套放入热等静压炉内进行热等静压致密处理；对包套进行酸腐去除，得到叶片毛坯；对叶片毛坯进行真空热处理；对叶片毛坯的两端进行榫头和叶冠加工，得到航空发动机涡轮叶片。”该发明采用的是难变形金属合金的粉末进行涡轮叶片的制造，为粉体烧结形成整体结构的过程，不是由异种单质金属材料通过冶金反应形成难变形合金材料的过程。此外，该方法在加工之前还要进行金属合金粉末的制备，并且对合金化涡轮叶片坯料的叶片和榫头加工难度较大。

经检索，发现中国发明专利：3D打印涡轮叶片的制备方法和涡轮导向叶片，公开号：CN110918987B，申请号：201911042078.9，该发明公开了一种3D打印涡轮叶片的制备方法和涡轮导向叶片：“所述3D打印涡轮叶片的制备方法和涡轮导向叶片包括通过三维建模软件建立导向叶片模型；将导向叶片模型导入3D打印设备中，通过选区激光熔化镍基合金粉末，镍基合金粉末的粒度为20μm～50μm，获得导向叶片；将导向叶片进行至少三次热处理，第一次热处理采用加热温度1100℃～1200℃保温2h～3h后空冷；第二次热处理采用加热温度850℃～950℃保温7h～8h后空冷；第三次热处理采用加热温度700℃～850℃保温20h～30h后空冷，获得涡轮导向叶片。”该发明同样使用的原材料为合金粉末，不存在箔材形成合金材料的过程，并且制备工艺复杂且耗时，后面的热处理虽然能够改善涡轮导向叶片的强度，但步骤繁琐，能量消耗大。