一种双级盘及其制造方法与流程

1.本发明提供一种双级盘及其制造方法。


背景技术：

2.大客发动机是典型的大涵道比风扇发动机，其研制是为了满足我国的民用大飞机的动力需求。与大运发动机相比，大客发动机具有更长寿命，更高可靠性与低成本性的要求，高压压气机盘是大客发动机的关键冷端部件之一，按适航要求应满足在全衰退同时满足达到红线温度和红线转速状态下可安全使用。
3.对于商业发动机，在低温下应力急速上升，高应力和温度转变交互作用，使保载现象较为严重。为了实现提高疲劳寿命及可靠性，大客发动机高压压气机各个盘件使用焊接或螺栓连接，各个盘件之间的螺栓连接方式会增加连接处的微动磨损，降低盘体的使用寿命。单级压气机盘件的主要锻造工艺为下料-墩饼-模锻-热处理-机加-探伤。而由于钛合金焊接性能中接头裂纹扩展性能较母材相差较多，冲击性能仅为母材1/2，合金焊接会存在热影响区域断裂韧性较差，裂纹拓展加速等问题，不能满足设计要求。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中盘件之间螺纹连接会降低使用寿命，盘件之间焊接的断裂韧性差的缺陷，提供一种双级盘的制造方法。
5.本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
6.一种双级盘的制造方法，所述双级盘包括上级叶盘和下级叶盘，所述双级盘的制造方法包括：
7.s1、通过模具对钛合金棒材进行预锻，得到预锻件；
8.s2、通过模具对预锻件进行模锻，得到模锻件；
9.s3、对模锻件中位于上级叶盘部分和下级叶盘部分之间的区域进行切除，切除至靠近上级叶盘和下级叶盘连接处的区域，切除后得到一体件；
10.s4、对一体件进行热处理；
11.s5、对完成热处理后的一体件进行机加工。
12.本技术方案中，双级盘整体锻造，减少工序的同时，降低成本与生产周期，同时防止因焊接残余应力造成的机加变形、焊缝处性能降低，组织差异等问题。预锻和模锻使得体积较大的一体件变形均匀，最大应变与最高温度控制良好，降低形成再结晶组织风险。而对锻造获得的一体件进行局部切除的方式，提高后续热处理时，上级叶盘和下级叶盘连接处的材料性能，因此，这种整体锻造方案能够在不改变盘件性能的情况下，降低制造成本与周期，同时规避惯性摩擦与螺栓连接带来的缺点。
13.较佳地，在步骤s3中，切除深度为探伤探头可伸入及探测的深度。
14.本技术方案中，将模锻件机加工成为特定形状，在不影响无损检测的同时，使盘体淬透，保证双级盘模锻件芯部的性能。
15.较佳地，所述双级盘包括叶盘级间鼓筒，在步骤s3中，在对模锻件进行切除时，对模锻件中位于所述叶盘级间鼓筒部分处，沿自芯部至轮缘、以及自轮缘至芯部的两个方向进行掏空。
16.本技术方案中，将模锻件沿叶盘级间鼓筒切除，使得模锻件能够得到淬透，同时也不会影响探伤探头伸入叶盘级间鼓筒探测。
17.较佳地，在步骤s4中，对一体件进行热处理包括依次进行的固溶处理和时效处理。
18.本技术方案中，对一体件进行热处理，消解基体内的碳化物，消除应力，时效处理增加硬度和强度，塑性韧性都增加，提高一体件使用寿命。
19.较佳地，固溶处理的加热温度为800℃，保温至少4小时。
20.本技术方案中，固溶处理保持较小的温度，增加保温时间，可以节约能源。
21.较佳地，时效处理的加热温度为630℃，保温至少8小时。
22.本技术方案中，将材料在较高温中存放较长时间，使之产生时效工艺。
23.较佳地，在步骤s1中，所述预锻件的等效塑性应变最大值为0.99，平均值为0.72。
24.较佳地，在步骤s2中，所述模锻件的等效塑性应变的最小值为0.8，最大值为1.4。
25.本技术方案中，模锻件等效塑性应变的最小值为0.8，避免锻造过程中出现的人为及设备误差对变形量的影响，达到最小变形量，保证模锻后的中间体的显微组织和力学性能。
26.较佳地，模锻处理的温度始终高于钛合金棒材的相变温度。
27.本技术方案中，在相变温度之上进行模锻，使得铝合金棒材容易产生相变。
28.一种双级盘，所述双级盘由所述的双级盘的制造方法制成。
29.本技术方案中，采用一体化制造的双级盘避免了焊接或螺栓连接的缺点，降低了制造成本和周期。
30.本发明的积极进步效果在于：
31.双级盘整体锻造，减少工序的同时，降低成本与生产周期，同时防止因焊接残余应力造成的机加变形、焊缝处性能降低，组织差异等问题。预锻和模锻使得体积较大的一体件变形均匀，最大应变与最高温度控制良好，降低形成再结晶组织风险。而对锻造获得的一体件进行局部切除的方式，提高后续热处理时，上级叶盘和下级叶盘连接处的材料性能，因此，这种整体锻造方案能够在不改变盘件性能的情况下，降低制造成本与周期，同时规避惯性摩擦与螺栓连接带来的缺点。
附图说明
32.图1为本发明较佳实施例中的双级盘的制造方法的流程图。
33.图2为本发明较佳实施例中的双级盘的整体锻件图。
34.图3为本发明较佳实施例中的整体双级盘典型位置显微组织对比图。
35.附图标记说明
36.上级叶盘100
37.下级叶盘200
38.第三级叶盘法兰1
39.第三级叶盘鼓筒2
40.第三级叶盘叶片3
41.第四级叶盘叶片4
42.第四级叶盘鼓筒5
43.第四级叶盘法兰6
44.第四级叶盘腹板7
45.第四级叶盘轮毂8
46.叶盘级间鼓筒9
47.第三级叶盘腹板10
48.第三级叶盘轮毂11
具体实施方式
49.下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
50.如图1和图2所示，本发明提供一种双级盘及其制造方法，双级盘包括上级叶盘100和下级叶盘200，上级叶盘100和下级叶盘200一体成型且由钛合金制成。在本实施例中上级叶盘100为压气机第三级盘，下级叶盘200为压气机第四级盘。
51.双级盘的制造方法包括：
52.s1、通过模具对钛合金棒材进行预锻，得到预锻件；
53.s2、通过模具对预锻件进行模锻，得到模锻件；
54.s3、对模锻件中位于上级叶盘100部分和下级叶盘200部分之间的区域进行切除，切除至靠近上级叶盘100和下级叶盘200连接处的区域，切除后得到一体件；
55.s4、对一体件进行热处理；
56.s5、对完成热处理后的一体件进行机加工。
57.双级盘整体锻造，减少工序的同时，降低成本与生产周期，同时防止因焊接残余应力造成的机加变形、焊缝处性能降低，组织差异等问题。预锻和模锻使得体积较大的一体件变形均匀，最大应变与最高温度控制良好，降低形成再结晶组织风险。而对锻造获得的一体件进行局部切除的方式，提高后续热处理时，上级叶盘和下级叶盘连接处的材料性能，因此，这种整体锻造方案能够在不改变盘件性能的情况下，降低制造成本与周期，同时规避惯性摩擦与螺栓连接带来的缺点。
58.在步骤s1中，铝合金棒材采用φ300直径，620mm长的ti17棒材下料，坯料机加并端面腐蚀后，选取两相区温度tβ-30℃进行一火锻，至约φ400直径、350mm高，机加荒形去除毛边。预锻将材料放置在预锻使用的模具中，锻至一定形状，使材料流动有约束，比自由锻锻造变形更均匀。在步骤s1中的模具与步骤s2中的模具不同。
59.在步骤s1中，经预锻的预锻件的等效塑性应变最大为0.99，平均值为0.72。
60.在步骤s2中，选取相变点上温度t
β
+30℃进行一火模锻。模锻件平均等效塑性应变为1.08，最小值0.8，最大值1.4，可保证锻件变形充分均匀，实现组织控制。模锻的模具选取材料为h13及5crnimov。在步骤s2中，模锻温度始终高于相变温度t
β
，在相变温度上进行模锻，使得锻造体容易产生相变。
61.在步骤s3中，对模锻件的芯部采取部分掏空，在不影响无损检测的同时，使得盘件
淬透，最大限度降低模锻件的有效厚度，提高整体的双级盘的芯部热处理后的性能。切除深度为探伤探头可伸入及探测的深度，将模锻件机加工成为特定形状，在不影响无损检测的同时，使盘体淬透，保证双级盘模锻件芯部的性能。
62.双级盘包括叶盘级间鼓筒9，在步骤s3中，在对模锻进行切除时，对模锻件中位于所述叶盘级间鼓筒9部分处，沿自芯部至轮缘、以及自轮缘至芯部的两个方向进行掏空。将模锻件切除沿叶盘级间鼓筒9切除，使得模锻件能够得到淬透，同时也不会影响探伤探头伸入级间鼓膜探测。
63.在步骤s4中，热处理制度为：固溶加热温度800℃，保温至少240min；时效加热温度630℃，保温至少480min。固溶加热消解基体内的碳化物，消除应力，时效处理增加硬度和强度，塑性韧性都增加，提高一体件使用寿命。固溶处理保持较小的温度，增加保温时间，可以节约能源。时效处理将材料在较高温中存放较长时间，使之产生时效工艺。
64.在步骤s5中，对完成热处理后的一体件进行机加工，加工出上级叶盘100和下级叶盘200。
65.本发明还公开了一种双级盘，双级盘由双级盘的制造方法制成。采用一体化制造的双级盘避免了焊接或螺栓连接的缺点，降低了制造成本和周期。
66.表1显示了双级盘整体锻件与单级盘件锻件重点区域力学性能重点关注方向的室温及高温拉伸性能结果。叶片弦向、叶片径向、腹板径向、级间鼓筒弦向、轮毂弦向室温拉伸性能均相近。双级盘锻件腹板径向的200℃高温拉伸强度高于单级盘锻件。因此双级盘锻件拉伸性能等同或高于单级盘锻件。
67.表1单级盘与双级盘锻件各位置与方向室温拉伸性能对比
68.[0069][0070]
如表2所示，双级盘腹板位置c-r与r-c向的断裂韧性性能均高于单级盘腹板相应位置与方向的断裂韧性，满足技术要求。
[0071]
表2单级盘与双级盘锻件各位置与方向断裂韧性性能对比
[0072][0073]
如图2和3所示，图3中包括第三级叶盘法兰1、第三级叶盘鼓筒2、第三级叶盘叶片3、第四级叶盘叶片4、第四级叶盘鼓筒5、第四级叶盘法兰6、第四级叶盘腹板7、第四级叶盘轮毂8、叶盘级间鼓筒9、第三级叶盘腹板10、第三级叶盘轮毂11。
[0074]
特别需要关注图2中叶盘级间鼓筒9位置，处于整体锻件的芯部，即盘件截面厚度中心处，热处理后性能理论上最差，是本专利中着重解决力学性能需满足设计要求的区域。对应的力学性能为表2中的级间鼓筒-弦向位置。室温力学性能为1145mpa，相比于单级盘鼓筒位置强度稍低，但塑性较高，满足标准要求与设计需求。说明了此方案的优势。
[0075]
综上，双级盘锻件的力学性能等同或高于单级盘锻件性能。
[0076]
双级盘整体锻锻件与单级盘件锻件重点区域显微组织对比分析(图2所示锻件形态)：
[0077]
从六个重点区域显微组织：叶尖、叶根、鼓筒、腹板、轮毂、级间鼓筒六个位置，盘轴整体锻锻件与单级盘件锻件十二处显微组织均为锻造和热处理后形成的网篮组织，β晶粒内部针状α相明显，所有原始β晶界已破碎，未见粗大、平直连续的晶界α相。显微组织均一致，满足设计性能需求。图2中特别需要关注的9位置(级间鼓筒)，处于盘件截面厚度中心处，其显微组织(参见图3(l))与单级盘同位置(参见图3(i))相比，显微组织一致，网篮编织状态良好。
[0078]
因此，双级盘锻件显微组织与单级盘锻件显微组织一致。
[0079]
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅
是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。