一种空心风扇叶片粉末热等静压近净成形制备方法与流程

本发明属于航空发动机材料制备技术领域，具体涉及一种空心风扇叶片粉末热等静压近净成形制备方法。

背景技术：

风扇叶片是商用涡扇发动机的重要转动件，其重量和性能对发动机有重要影响。风扇叶片的重量过大不仅让自身承受的离心载荷增加，也会增加连接风扇叶片的风扇盘的载荷，从而增加风扇盘及整机的重量。另外，为满足风扇机匣在风扇叶片飞脱情况下的包容性设计要求，过重的在风扇叶片会导致风扇机匣的设计重量增加。风扇叶片还需要满足抗外物损伤(如抗鸟撞)的能力。因此，选用轻质、具有抗外物损伤能力的材料及其制备工艺一直是发动机风扇叶片制备追求的目标。

目前，风扇叶片的制备工艺有三种。第一种是实心的钛合金风扇叶片，这种工艺和选材主要应用于早期的商用航空发动机，比如cfm56-3发动机等。第二种是空心的钛合金风扇叶片，这种工艺和选材主要应用于rr公司的trent系列发动机。第三种是树脂基复合材料风扇叶片，这种工艺和选材主要应用于ge公司的ge90、genx等系列发动机。

上述三种风扇叶片的制备工艺各有优劣。第一种的实心钛合金风扇叶片主要是采用传统的模锻或等温模锻工艺制备；该工艺所用原材料是棒坯，通过等温模锻或模锻成形，然后通过数控加工等到最终的成品叶片；该工艺的主要优点是：制备工艺相对简单；该工艺的主要缺点是：实心叶片的重量大导致风扇盘重量增加、风扇机匣为满足包容要求重量也要相应增加，从而不能够满足大涵道比发动机重量控制的要求。第二种的空心钛合金风扇叶片主要采用扩散连接+超塑成形工艺制造；空心钛合金风扇叶片的主要结构特点是叶片内部是具有空心结构的瓦伦结构；该工艺所用的原材料为钛合金板材，板材之间先扩散连接，然后超塑成形；该工艺的主要优点是：空心率可以达到50％左右，比实心叶片减重效果明显，已在成熟机型的应用。但该工艺的主要缺点是：一是对原材料的要求有限制：超塑成型的工艺还需要钛合金板材具有超塑成形的能力，因此目前只能选用tc4等具有这样能力的材料；二是原材料板材具有各向异性：钛合金板材采用轧制工艺制备，这样使得板材的轧制方向和垂直于轧制方向的力学性能不一致，垂直于轧制方向的力学性能较差；三是原材料制备及叶片成形过程复杂、工序多，叶片制备的成本高、生产效率低、质量一致性保障风险大；四是空心率进一步提升潜力受限：空心率再提升，叶片强度不足；五是空心结构可设计性不足：受超塑成型工艺的限制，该空心风扇叶片只能设计成瓦伦结构，很难实现结构强度设计所需的理想结构。第三种的树脂基复合材料风扇叶片主要采用铺层或三维编织工艺制造；铺层工艺的主要特点是从叶片根部到叶尖由预浸带逐层叠加，并逐渐减薄，最后在热压罐成型；三维编织工艺的主要特点是碳纤维编织成3d结构，然后采用rtm(树脂传递模塑成型)技术灌注树脂；该工艺的主要优点是：叶片重量轻，已在在成熟机型的应用；该工艺的主要缺点是：一是存在钛合金金属包边制造的技术难题，不管是采用铺层工艺还是三维编织工艺，树脂基复合材料的风扇叶片都要采用钛合金包边，以提高叶片的抗外物损伤能力。由于包边设计精度要求高，加工过程非常复杂，制备成本高、效率低；二是存在复合材料和金属包边的胶接的技术难点；三是和空心钛合金风扇叶片一样，树脂基复合材料风扇叶片的原材料制备及叶片成形过程复杂、工序多，叶片制备的成本高、生产效率低、质量一致性保障风险大。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种空心风扇叶片粉末热等静压近净成形制备方法，解决现有风扇叶片的制备工艺存在不能同时满足风扇叶片的重量小且抗外物损伤能力强的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种空心风扇叶片粉末热等静压近净成形制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，制备ta15钛合金粉末；

步骤2，根据空心风扇叶片结构设计模具，所述模具由外包套以及位于外包套内的型芯组成；

步骤3，向步骤2设计的模具中填充步骤1制备的ta15钛合金粉末；

步骤4，将步骤3得到的模具进行抽真空后密封；

步骤5，将步骤4得到模具放在热等静压炉中进行热等静压处理；

步骤6，依次去除步骤5得到的模具的外包套和型芯，得到空心风扇叶片毛坯；

步骤7，对步骤6得到的空心风扇叶片毛坯的空隙部位进行焊接；

步骤8，对步骤7得到的空心风扇叶片毛坯进行热处理；

步骤9，对步骤8得到的空心风扇叶片毛坯进行表面处理，得到空心风扇叶片。

本发明的技术方案，还具有以下特点：

在所述步骤1中，采用旋转电极法或氩气雾化法制备ta15钛合金粉末。

在所述步骤2中，所述外包套由钢或钛合金制成，所述型芯由钢或钛合金或陶瓷材料制成。

在所述步骤3中，将模具放置在振动台上填充ta15钛合金粉末，振动频率为15hz-22hz。

在所述步骤4中，模具抽真空后的真空度不大于10^-2pa。

在所述步骤5中，热等静压处理的压力不小于120mpa，温度为920℃-930℃，保温时间为2h-4h。

在所述步骤6中，采用酸蚀或数控加工除去外包套。

在所述步骤6中，通过酸蚀或碱煮除去型芯。

在所述步骤7中，采用电子束工艺对空心风扇叶片毛坯的空隙部位进行焊接，其中焊接速度为2mm/s-12mm/s，电子束流12ma-70ma。

在所述步骤8中，热处理的温度为750℃-780℃，保温时间为2h。

与现有技术相比，本发明的一种空心风扇叶片粉末热等静压近净成形制备方法，制备得到的空心风扇叶片在满足设计对风扇叶片的重量、抗外物损伤能力等要求的前提下，可以满足空心风扇叶片中空心结构的优化设计，提高风扇叶片的整体强度，实现风扇叶片进一步减重的要求；也可以减轻目前空心钛合金风扇叶片和树脂基复合材料风扇叶片制备工艺的复杂性，降低空心风扇叶片的制备成本，并在简化工艺流程的同时提高风扇叶片制备过程的质量一致性。另外，相对于超塑成型工艺下的钛合金空心风扇叶片，热等静压工艺下风扇叶片的材料性能各向同性，还可以避免超塑成形所用钛合金板材所具有的材料各向异性；相对于树脂基复合材料的空心风扇叶片，热等静压工艺下的风扇叶片可以免去金属包边的的设计、加工制备及与叶片胶接的技术难题。

附图说明

图1是本发明制备方法制备中用到的模具的外包套的结构示意图；

图2是本发明制备方法制备中用到的模具的型芯的结构示意图；

图3是通过本发明制备方法制备得到的空心风扇叶片的结构示意图；

图4是图1截面图。

图中，1.空心风扇叶片，2.外包套，3.型芯。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施例对本发明的技术方案作进一步地详细说明。

本发明的一种空心风扇叶片粉末热等静压近净成形制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，采用旋转电极法或氩气雾化法制备ta15钛合金粉末，旋转电极法制备ta15球形粉末工艺条件如下：电极直径30mm-90mm，长度100mm-900mm，电极棒直线度偏差控制在≤0.1mm/m；电流1000a-1500a；电压40v-70v；转速15000r/min-30000r/min；pv值30mm-50mm。

氩气雾化法制备ta15球形粉末工艺条件如下：丝材或棒材直径0.2-1.2mm；冷态极限真空小于1ⅹ10^-4pa，热态极限真空小于1ⅹ10^-2pa，漏气率小于0.083pa/min；雾化气体压力1.0-10mpa，雾化气体量10-150l/s；功率为20-200kw。

步骤2，根据空心风扇叶片结构设计模具，模具由外包套2(见图1)以及位于外包套内的型芯3(见图2)组成；

步骤3，将向步骤2设计模具放置在振动台上填充ta15钛合金粉末，振动频率为15hz-22hz，持续时间为30min；

步骤4，将步骤3得到的模具进行抽真空至不大于10^-2pa后焊接密封；

步骤5，将步骤4得到模具放在热等静压炉中进行热等静压处理，热等静压处理的压力不小于120mpa，温度为920℃-930℃，保温时间为2h-4h；

步骤6，依次去除步骤5得到的模具的外包套和型芯，得到空心风扇叶片毛坯；

步骤7，针对空心风扇叶片毛坯的叶根和叶尖部位由型芯去除留下的空隙部位，采用t15的板材和叶片通过电子束工艺焊接起来，其中焊接速度为2mm/s-12mm/s，电子束流12ma-70ma；

步骤8，对步骤7得到的空心风扇叶片毛坯进行热处理，热处理的温度为750℃-780℃，保温时间为2h；

步骤9，对步骤8得到的空心风扇叶片毛坯进行表面处理，得到空心风扇叶片(见图3和图4)。

通过本发明的一种空心风扇叶片粉末热等静压近净成形制备方法，制备得到的钛合金空心风扇叶片的主要拉伸性能如下表。

相对扩散焊+超塑成型工艺的空心钛合金风扇叶片用tc4厚板，其抗拉强度和屈服强度在室温下分别提高2％和4％以上；相对于增材制造的tc4制件(ams4999)，其抗拉强度和屈服强度在室温下分别提高20％和20％。

实施例1

本发明的一种空心风扇叶片粉末热等静压近净成形制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，采用旋转电极法或氩气雾化法制备ta15钛合金粉末，旋转电极法制备ta15球形粉末工艺条件如下：电极直径30mm，长度100mm，电极棒直线度偏差控制在≤0.1mm/m；电流1000a；电压40v；转速15000r/min；pv值30mm；

步骤2，根据空心风扇叶片结构设计模具，模具由外包套2(见图1)以及位于外包套内的型芯3(见图2)组成；

步骤3，将向步骤2设计模具放置在振动台上填充ta15钛合金粉末，振动频率为15hz，持续时间为30min；

步骤4，将步骤3得到的模具进行抽真空至10^-2pa后焊接密封；

步骤5，将步骤4得到模具放在热等静压炉中进行热等静压处理，热等静压处理的压力不小于120mpa，温度为920℃，保温时间为2h；

步骤6，依次去除步骤5得到的模具的外包套和型芯，得到空心风扇叶片毛坯；

步骤7，针对空心风扇叶片毛坯的叶根和叶尖部位由型芯去除留下的空隙部位，采用t15的板材和叶片通过电子束工艺焊接起来，其中焊接速度为2mm/s，电子束流12ma；

步骤8，对步骤7得到的空心风扇叶片毛坯进行热处理，热处理的温度为750℃，保温时间为2h；

步骤9，对步骤8得到的空心风扇叶片毛坯进行表面处理，得到空心风扇叶片(见图3和图4)。

实施例2

本发明的一种空心风扇叶片粉末热等静压近净成形制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，采用旋转电极法或氩气雾化法制备ta15钛合金粉末，旋转电极法制备ta15球形粉末工艺条件如下：电极直径60mm，长度500mm，电极棒直线度偏差控制在≤0.1mm/m；电流1300a；电压55v；转速23000r/min；pv值40mm；

步骤2，根据空心风扇叶片结构设计模具，模具由外包套2(见图1)以及位于外包套内的型芯3(见图2)组成；

步骤3，将向步骤2设计模具放置在振动台上填充ta15钛合金粉末，振动频率为18hz，持续时间为30min；

步骤4，将步骤3得到的模具进行抽真空至10^-2pa后焊接密封；

步骤5，将步骤4得到模具放在热等静压炉中进行热等静压处理，热等静压处理的压力为140mpa，温度为930℃，保温时间为4h；

步骤6，依次去除步骤5得到的模具的外包套和型芯，得到空心风扇叶片毛坯；

步骤7，针对空心风扇叶片毛坯的叶根和叶尖部位由型芯去除留下的空隙部位，采用t15的板材和叶片通过电子束工艺焊接起来，其中焊接速度为12mm/s，电子束流70ma；

步骤8，对步骤7得到的空心风扇叶片毛坯进行热处理，热处理的温度为750℃-780℃，保温时间为2h；

步骤9，对步骤8得到的空心风扇叶片毛坯进行表面处理，得到空心风扇叶片(见图3和图4)。

实施例3

本发明的一种空心风扇叶片粉末热等静压近净成形制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，采用旋转电极法或氩气雾化法制备ta15钛合金粉末，旋转电极法制备ta15球形粉末工艺条件如下：电极直径90mm，长度900mm，电极棒直线度偏差控制在≤0.1mm/m；电流1500a；电压70v；转速30000r/min；pv值50mm；

步骤2，根据空心风扇叶片结构设计模具，模具由外包套2(见图1)以及位于外包套内的型芯3(见图2)组成；

步骤3，将向步骤2设计模具放置在振动台上填充ta15钛合金粉末，振动频率为22hz，持续时间为30min；

步骤4，将步骤3得到的模具进行抽真空至10^-2pa后焊接密封；

步骤5，将步骤4得到模具放在热等静压炉中进行热等静压处理，热等静压处理的压力180mpa，温度为930℃，保温时间为4h；

步骤6，依次去除步骤5得到的模具的外包套和型芯，得到空心风扇叶片毛坯；

步骤7，针对空心风扇叶片毛坯的叶根和叶尖部位由型芯去除留下的空隙部位，采用t15的板材和叶片通过电子束工艺焊接起来，其中焊接速度为12mm/s，电子束流70ma；

步骤8，对步骤7得到的空心风扇叶片毛坯进行热处理，热处理的温度为750℃-780℃，保温时间为2h；

步骤9，对步骤8得到的空心风扇叶片毛坯进行表面处理，得到空心风扇叶片(见图3和图4)。