专利名称：一种钛合金整体叶片盘及其制造方法
技术领域：
本发明属于钛合金材料及其制造技术领域，特别涉及一种钛合金整体叶片盘及其 制造方法。
背景技术：
钛合金具有密度低、比强度高、屈强比高、耐蚀性及良好的高温力学性能，在现代 高推比航空发动机中用于制造压气机零件(如压气机机匣、轮盘及叶片等)，然而，在实际 工作的温度、压力和气流等作用下，钛合金叶片叶尖容易与机匣发生碰磨，导致钛合金被点 燃后持续燃烧，形成“钛火”事故，针对钛合金的“钛火”问题，目前主要通过防钛火涂层及采 用阻燃钛合金来加以解决。例如，通过双层辉光等离子渗技术，在钛合金表面渗Cr、Cu等， 形成阻燃合金层，但该技术存在高温处理时间长、渗层薄、影响基体力学性能等问题(见张 平则等撰写的文章“Ti-6A1-4V表面双层辉光离子渗Cr研究”，发表于“兵器材料科学与 工程”，2005年，第28卷第1期，17-20页；张平则等撰写的文章“Ti-Cu表面阻燃钛合金研 究”，发表于“稀有金属材料与工程”，2005年，第34卷第1期，162-165页)；美国研制了基于 Ti-V-Cr系的Alloy C阻燃钛合金，俄罗斯研制了 Ti-Cu-ΑΙ系BTT-1、BTT-3合金，我国研 制了 Ti-V-Cr系的Ti40阻燃钛合金(见辛社伟、赵永庆等撰写的文章“Al元素对Ti-V-Cr 系阻燃钛合金热强性影响的研究”，发表于“稀有金属材料与工程”，2007年，第36卷第9期， 1613-1616页)；Ti-V-Cr系合金具有良好的阻燃性能和力学性能，但由于合金含有大量昂 贵的V元素并且合金的可锻性较差而导致成本很高，Ti-Cu-Al系存在综合力学性能较差， 工作温度较低的问题，而钛铝金属间化合物合金(TiAl或Ti3Al)具有良好的阻燃性能，但 由于室温塑性很低，很难实现应用(见雷力明等撰写的文章“阻燃钛合金的研究和发展”， 发表于“材料导报”，2003年，第17卷第5期，21-23页)。随着近年来整体叶片盘结构的采用，航空发动机的性能得到显著提高，压气机的 级数逐渐减少，压气机叶片的工作温度不断提高(目前已达到600°C )，因此对钛合金整体 叶片盘的防“钛火”性能及高温强度提出了更高的要求。钛合金整体叶片盘在使用过程中 轮盘承受着转子叶片及轮盘高速运转所产生的离心力，要求轮盘具有高的室温塑性、强度 和低周疲劳性能，而叶片需要更高的高温强度、刚性及阻燃性能等。目前钛合金的最高使 用温度在550-600°C之间，在600°C以上，钛合金的蠕变抗力和高温抗氧化性急剧下降以及 “钛火”问题是限制其向更高温度发展的主要障碍。而TiAl金属间化合物合金，特别是双相 Y-TiAl金属间化合物具有优异的高温强度、刚性、蠕变抗力、抗氧化性以及高的弹性模量 和阻燃性能，在压气机叶片上具有很好的应用前景。目前，已有的TiAl基合金熔焊及固态 连接技术还不能很好地解决连接界面强度低的问题(见陈国庆等撰写的文章“TiAl基合金 及其连接技术的研究进展”，发表于“焊接”，2007年，第1期，17-20页)。综上所述，为满足未来高性能航空发动机的发展需要，研制轮盘具有高的室温塑 性、强度及低周疲劳性能而叶片具有良好阻燃性能和高温强度的钛合金整体叶片盘十分必 要，而已有技术很难实现。
发明内容
本发明的目的是提供一种钛合金整体叶片盘及其制造方法。一种钛合金整体叶片盘，该整体叶片盘由轮盘和叶片组成，轮盘与叶片为一整体， 其特征在于所述轮盘由高强度钛合金组成，所述叶片由钛铝金属间化合物合金组成。所述轮盘与叶片之间的成分过渡为直接过渡。一种优选的技术方案为所述高强度钛合金选自牌号为TA11、TA12、TC4、TC11、或 TC17的钛合金。一种优选的技术方案为所述钛铝金属间化合物合金为双相Y-TiAl合 金，所述双相 Y-TiAl 合金优选 Ti-48Al-2Cr-2Nb、Ti-47Al-2Cr-2Nb-0. 2ff-0. 15B、 Τ -47Α1-2. 5Nb-2 (Cr+V)、或 Ti-47Al-2Mn-2Nb_0. 8TiB2，其中，元素前的数字代表该元素的 原子百分比，Ti为其余，TiB2为体积百分比。一种钛合金整体叶片盘的制造方法，其特征在于采用锻造方法制备出高强度钛 合金轮盘，然后采用激光熔化沉积方法在钛合金轮盘上制备出钛铝金属间化合物合金叶 片，该方法步骤如下，(1)将钛铝金属间化合物合金棒材制成预合金化球形粉末，筛选出粒度在50 150 μ m之间的预合金化球形粉末；(2)在保护气氛箱中，将锻造的高强度钛合金轮盘安装于四轴三联动数控工作台， 并预热，然后采用同步送粉激光熔化沉积方法，按照叶片的三维数学模型，将步骤(1)所得 的预合金化球形粉末用激光逐层往复沉积，使其逐层熔化堆积在高强度钛合金轮盘上，成 形出钛铝金属间化合物合金叶片；(3)沉积结束后将钛合金整体叶片盘置于空气炉或真空炉中进行去应力退火处 理，退火处理工艺为加热至600-700 0C，保温0. 5-4h，然后，空冷或炉冷至室温，最后通过 五轴数控加工，得到钛合金整体叶片盘。一种优选的技术方案为所述预合金化球形粉末通过惰性气体雾化或等离子旋转 电极雾化法制备。一种优选的技术方案为所述保护气氛箱充入高纯氩气，使得氧的体积含量低于 50ppmo一种优选的技术方案为所述三维数学模型为CAD模型。一种优选的技术方案为所述预热温度为200-300°C。本发明的有益效果为本发明针对复合高性能钛合金整体叶片盘制造中存在的问 题，提出采用高功率激光熔化同步输送的钛铝金属间化合物合金粉末，在锻造高强度钛合 金轮盘上直接沉积成形制备出具有阻燃和高温强度的钛铝金属间化合物合金叶片，所制备 整体叶片盘叶片的形状由其CAD模型经数据处理后生成的激光熔化沉积运动轨迹控制，最 终得到近终形、留有一定加工余量的具有阻燃和高温强度的钛合金整体叶片盘。本发明利用激光逐层熔化堆积材料直接制备出具有阻燃和高温强度的近终形钛 合金整体叶片盘，无需传统加工方法的多步热加工过程，显著减少加工量，提高材料的利用 率和结构效率；本发明通过激光熔化沉积在锻造高强度钛合金轮盘上直接制备出钛铝金属 间化合物合金叶片，轮盘具有高的塑性、强度及低周疲劳性能，叶片具有阻燃性能和高的高温强度和刚性，满足了压气机整体叶片盘在使用过程中对轮盘和叶片不同的性能要求。
图1是实施例1在TC4钛合金轮盘上激光熔化沉积Ti-48Al-2Cr-2Nb钛铝合金粉 末的光学显微镜组织照片，其中，(a)为垂直于轮盘，(b)为平行于轮盘；图2是实施例2在TA12钛合金轮盘上激光熔化沉积 Ti-47Al-2Cr-2Nb-0. 2ff-0. 15B钛铝合金粉末的室温拉伸断口的扫描电镜照片；图3是施例3在TCl 1钛合金轮盘上激光熔化沉积Ti-47Al-2Mn-2Nb_0. 8TiB2钛 铝合金的XRD分析结果；图4是施例3在TCl 1钛合金轮盘上激光熔化沉积Ti-47Al-2Mn-2Nb_0. 8TiB2钛 铝合金的扫描电镜组织照片；图5是本发明的具有阻燃和高温强度的钛合金整体叶片盘示意图；图中标号1-轮毂；2-轮辐；3-轮缘；4-叶片。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步说明一种钛合金整体叶片盘，如图5所示，该钛合金整体叶片盘的轮盘与叶片为一整 体，轮盘是由轮毂1、轮辐2和轮缘3组成，在轮缘3上直立若干个均勻分布的叶片4，其中， 轮盘(包括轮毂1、轮辐2和轮缘幻由锻造的高强度钛合金加工而成，叶片4由激光熔化沉 积钛铝金属间化合物合金粉末制备而成，所得钛合金整体叶片盘为具有阻燃和高温强度的 钛合金整体叶片盘。实施例1一种钛合金整体叶片盘，该整体叶片盘由轮盘和叶片组成，轮盘与叶片为一整体， 轮盘由TC4钛合金组成，叶片由Ti-48Al-2Cr-2Nb合金组成，轮盘与叶片之间的成分过渡为 直接过渡。上述钛合金整体叶片盘的制造方法，采用激光熔化沉积方法在TC4钛合金轮盘上 激光熔化沉积Ti-48Al-2Cr-2Nb合金叶片，步骤如下，(1)采用锻造方法制备出TC4钛合金轮盘；(2)将Ti-48Al-2Cr_2Nb合金棒材制成预合金化球形粉末，筛选出粒度在50 150 μ m之间的预合金化球形粉末，其中，预合金化球形粉末通过惰性气体雾化法制备；(3)在保护气氛箱中，通过机械泵预抽低真空，然后通入纯度大于99. 995 %的氩 气，直至保护气氛箱内的氧的体积含量低于50ppm，将步骤(1)的TC4钛合金轮盘安装于四 轴三联动数控工作台，并预热，预热温度为220°C，然后采用同步送粉激光熔化沉积方法，按 照叶片的CAD模型，将步骤( 所得的预合金化球形粉末用激光逐层往复沉积，使其逐层熔 化堆积在TC4钛合金轮盘上，成形出Ti-48Al-2Cr-2Nb合金叶片，叶片的形状由其CAD模 型经数据处理后生成的激光熔化沉积运动轨迹来控制，其中，激光熔化沉积所用激光功率 1. 8kff,扫描速度6. Omm/s,光班直径3. Omm,送粉速率4. 5g/min,粉末粒度为50 150 μ m， 每层沉积层厚度0. 2mm，所得叶片长度为45mm，厚度为3. 2mm ；(4)沉积结束后将钛合金整体叶片盘置于空气炉中进行去应力退火处理，退火处理工艺为加热至650°C，保温4h，然后，空冷或炉冷至室温，最后通过五轴数控加工，得到 钛合金整体叶片盘。图1为激光熔化沉积Ti-48Al-2Cr_2Nb合金的内部组织照片，可以看出，激光熔化 沉积的Ti-48Al-2Cr-2Nb具有均勻致密的组织。通过机械加工得到拉伸试样，进行室温静 载拉伸试验，测试结果如表1所示，表1中同时给出了其他成形工艺的拉伸力学性能，可见， 激光熔化沉积的Ti-48Al-2Cr-2Nb钛铝合金的力学性能与熔模铸造及粉末冶金制备材料 的性能相当。表1激光熔化沉积Ti-48Al-2Cr_2Nb钛铝合金的室温拉伸力学性能与粉末冶金、 熔模铸造态力学性能的比较
权利要求
1.一种钛合金整体叶片盘，该整体叶片盘由轮盘和叶片组成，轮盘与叶片为一整体，其 特征在于所述轮盘由高强度钛合金组成，所述叶片由钛铝金属间化合物合金组成。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金整体叶片盘，其特征在于所述轮盘与叶片之间 的成分过渡为直接过渡。
3.根据权利要求1所述的一种钛合金整体叶片盘，其特征在于所述高强度钛合金选 自牌号为丁八11、了六12、1^4、1^11、或1^17的钛合金。
4.根据权利要求1所述的一种钛合金整体叶片盘，其特征在于所述钛铝金属间化合 物合金为双相Y-TiAl合金。
5.根据权利要求4所述的一种钛合金整体叶片盘，其特征在于所述双相Y-TiAl 合金为 Ti-48Al-2Cr-2Nb、Ti-47Al-2Cr-2Nb-0. 2ff-0. 15B、Τ -47Α1-2. 5Nb_2 (Cr+V)、或 Ti-47Al-2Mn-2Nb-0. 8TiB2，其中，元素前的数字代表该元素的原子百分比，Ti为其余，TiB2 为体积百分比。
6.一种钛合金整体叶片盘的制造方法，其特征在于采用锻造方法制备出高强度钛合 金轮盘，然后采用激光熔化沉积方法在钛合金轮盘上制备出钛铝金属间化合物合金叶片， 该方法步骤如下，(1)将钛铝金属间化合物合金棒材制成预合金化球形粉末，筛选出粒度在50 150μ m 之间的预合金化球形粉末；(2)在保护气氛箱中，将锻造的高强度钛合金轮盘安装于四轴三联动数控工作台，并预 热，然后采用同步送粉激光熔化沉积方法，按照叶片的三维数学模型，将步骤(1)所得的预 合金化球形粉末用激光逐层往复沉积，使其逐层熔化堆积在高强度钛合金轮盘上，成形出 钛铝金属间化合物合金叶片；(3)沉积结束后将钛合金整体叶片盘置于空气炉或真空炉中进行去应力退火处理，退 火处理工艺为加热至600-70(TC，保温0. 5-4h，然后，空冷或炉冷至室温，最后通过五轴数 控加工，得到钛合金整体叶片盘。
7.根据权利要求6所述的一种钛合金整体叶片盘的制造方法，其特征在于所述预合 金化球形粉末通过惰性气体雾化或等离子旋转电极雾化法制备。
8.根据权利要求6所述的一种钛合金整体叶片盘的制造方法，其特征在于所述保护 气氛箱充入高纯氩气，使得氧的体积含量低于50ppm。
9.根据权利要求6所述的一种钛合金整体叶片盘的制造方法，其特征在于所述三维 数学模型为CAD模型。
10.根据权利要求6所述的一种钛合金整体叶片盘的制造方法，其特征在于所述预热 温度为 200-300°C。
全文摘要
本发明公开了属于钛合金材料及其制造技术领域的一种钛合金整体叶片盘及其制造方法。该整体叶片盘由轮盘和叶片组成，轮盘与叶片为一整体，其特征在于所述轮盘由高强度钛合金组成，所述叶片由钛铝金属间化合物合金组成。所述轮盘与叶片之间的成分过渡为直接过渡。本发明利用激光逐层熔化堆积材料直接制备出具有阻燃和高温强度的近终形钛合金整体叶片盘，无需传统加工方法的多步热加工过程，显著减少加工量，提高材料的利用率和结构效率；轮盘具有高的塑性、强度及低周疲劳性能，叶片具有阻燃性能和高的高温强度和刚性，满足了压气机整体叶片盘在使用过程中对轮盘和叶片不同的性能要求。
文档编号F04D29/02GK102052342SQ200910236948
公开日2011年5月11日 申请日期2009年10月29日 优先权日2009年10月29日
发明者尹法章, 张习敏, 张永忠, 石力开, 郭宏, 黄灿 申请人:北京有色金属研究总院