一种双性能涡轮盘的热旋转挤压成形装置及方法

1.本发明属于热旋转挤压相关技术领域，更具体地，涉及一种双性能涡轮盘的热旋转挤压成形装置及方法。


背景技术：

2.涡轮盘是航空发动机和燃气轮机的核心部件之一，涡轮盘在工作时承受的温度和应力沿径向具有较大的梯度，不同区域对材料的性能要求有差异，盘毂(涡轮盘的中心)区域承受的应力最大，涡轮盘承受的应力沿径向由内至外逐渐降低，涡轮盘承受的温度梯度分布趋势相反，是盘毂处温度低，盘缘处温度高。因此，高性能的涡轮盘要求盘毂部位具有较高的屈服强度和低周疲劳性能，而盘缘部位具有良好的持久、蠕变和疲劳裂纹扩展抗力。这就要求盘体在不同的区域具有不同的晶粒尺寸，以保证其在各自区域的工作需求，即盘缘粗晶、盘心细晶的双性能涡轮盘。
3.参照图7，文献1公开号是cn102497688b的中国发明专利公开了盘型件双面辗压成形感应加热技术，这项技术包括常规的感应加热电源、控温仪、水冷机和专门设计的感应圈，以及加热过程的控制方法。此装置未对盘心温度进行冷却控温，感应加热后的盘件边缘温度较高，不可避免的会向盘心进行热传导，进而导致盘心温度升高，使得盘件上难以获得较大的温度梯度。
4.参照图8，文献2公开号是cn103586378b的中国发明专利公开了一种高温合金双性能盘辗压成形工艺，该工艺的主要特征是采用双面辗压成形技术在高温状态下进行涡轮盘辗压成形，能够一次成形出盘件的外形和产生双性能的晶粒度分布。同样使得在盘件上难以获得较高的温度梯度，难以达到双性能涡轮盘的晶粒度梯度要求。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种双性能涡轮盘的热旋转挤压成形装置及方法，其能够同时成形涡轮盘的几何外形和双性能组织，无需进行双组织热处理，工艺简单稳定，成形载荷低，有利于工业应用。
6.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种双性能涡轮盘的热旋转挤压成形装置，所述装置包括上组件、芯轴、下组件及旋轮，所述上组件可分离地连接于所述芯轴的一端，所述下组件活动地连接于所述芯轴的另一端，所述旋轮邻近所述芯轴设置；所述上组件及所述下组件共同用于夹持待成形的环形盘坯，并对所述环形盘坯的边缘进行加热，同时对所述环形盘坯的中心进行冷却，以使得所述环形盘坯的边缘的温度高于所述环形盘坯中心的温度；所述旋轮用于对环形盘坯进行成形；
7.所述上组件通过朝向或者远离所述芯轴移动，以连接于所述芯轴或者与所述芯轴脱离，进而改变所述上组件与所述下组件之间的距离，实现所述环形盘坯的夹持或者安装与拆卸。
8.进一步地，所述下组件包括下主轴、下轴套、下压盘及下加热炉，所述下轴套套设
在所述下主轴的一端上，所述下压盘连接于所述下主轴，且其一端部分地收容于所述下加热炉内；所述下加热炉连接于所述下压盘及所述下主轴；所述下压盘及所述下主轴套设在所述芯轴上；所述下压盘的外径小于所述环形盘坯的外径。
9.进一步地，所述下主轴为阶梯状的圆柱体，其开设有第一通孔，所述第一通孔用于供所述芯轴穿过；所述下主轴相背的两端中直径大的一端称为第一大端；所述第一大端开设有进水孔及出水孔；所述下轴套开设有进水槽及排水槽，所述进水槽与所述排水槽分别与所述进水孔及所述出水孔相连通；所述下压盘用于夹持所述环形盘坯，其开设有螺旋型冷却水道，所述螺旋型冷却水道的两端分别与所述进水孔及所述出水孔相连通，所述螺旋型冷却水道绕所述芯轴的中心轴设置；工作时，所述环形盘坯套设在所述芯轴上。
10.进一步地，所述进水孔包括第一水平段及与所述第一水平段相连通的第一竖直段，所述第一水平段沿所述下主轴的径向设置，所述第一竖直段沿所述下主轴的轴向设置，且其贯穿所述第一大端；所述出水孔包括第二水平段及与所述第二水平段相连通的第二竖直段，所述第二竖直管贯穿所述第一大端。
11.进一步地，所述进水槽包括第一进水口及与所述进水口相连通的第一环形水槽，所述第一环形水槽与所述进水孔相连通，所述第一进水口用于与进水管相连通；所述排水槽包括第一排水口及与所述第一排水口相连通的第二环形水槽，所述第二环形水槽与所述出水孔相连通，所述第一排水口用于与排水管相连通。
12.进一步地，所述下加热炉呈扇形，其端面开设有第一阶梯槽，所述第一阶梯槽的底面开设有第二通孔，所述第一阶梯槽用于收容所述下压盘及部分所述环形盘坯，所述第二通孔用于供所述第一大端穿过。
13.进一步地，所述下压盘设置在所述第一阶梯槽内，其端面开设有第一凹槽，所述第一凹槽的底面开设有第三通孔，所述第三通孔用于供所述芯轴穿过；所述螺旋型冷却水道开设在所述第一凹槽的底面，所述螺旋型冷却水道绕所述第三通孔设置，其邻近所述第三通孔的一端与所述进水孔相连通，另一端与所述出水孔相连通。
14.进一步地，所述上组件包括上主轴、设置在所述上主轴上的上轴套、连接于所述上主轴一端的上压盘及连接于所述上压盘及所述上主轴的上加热炉；所述下压盘的结构与所述上压盘的结构相同；所述下轴套的结构与所述上轴套的结构相同，所述下加热炉的结构与所述上加热炉的结构相同；所述下主轴的结构与所述上主轴的结构相同；所述上压盘及所述下压盘共同用于夹持环形盘坯。
15.进一步地，所述下压盘能够随所述下主轴进行旋转，所述下轴套不随所述下主轴进行旋转；所述上压盘能够随所述上主轴进行旋转运动及沿轴向上下运动，所述上轴套只能够随所述上主轴进行上下运动，不进行旋转运动；所述旋轮布置在在所述上组件及所述下组件形成的扇形缺口内，其外周开设有环形凹槽，所述环形凹槽横截面的形状及尺寸与目标涡轮盘的截面形状及尺寸分别相对应。
16.按照本发明的另一个方面，提供了一种双性能涡轮盘的热旋转挤压成形方法，所述方法采用如上所述的双性能涡轮盘的热旋转挤压成形装置进行热旋转挤压成形双性能涡轮盘，其中，所述上组件及所述下组件将环形盘坯的边缘加热到成形温度t1，同时将环形盘坯的中心处的温度冷却至(t1-200)℃。
17.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的双
性能涡轮盘的热旋转挤压成形装置及方法主要具有以下有益效果：
18.1.所述上组件及所述下组件共同用于夹持待成形的环形盘坯，并对所述环形盘坯的边缘进行加热，以使得所述环形盘坯边缘的温度接近强化相完全溶解温度，这样可以保证成形过程中边缘的晶粒充分长大，并用所述旋轮用于对环形盘坯边缘进行热旋转挤压成形，如此可以实现环形盘坯边缘的一道次旋转挤压成形和足够大的晶粒尺寸；同时对所述环形盘坯的中心进行循环冷却，所述环形盘坯中心的温度比强化相溶解温度低200℃以上，利用强化相阻碍环形盘坯中心初始晶粒的长大，保证环形盘坯中心保持初始的小晶粒尺寸，进而得到盘缘粗晶、盘心细晶、过渡区连续变化的晶粒梯度，且同时实现了成形涡轮轮盘的几何外形和双性能组织，无需进行双重组织热处理，工艺简单稳定，成形载荷低，有利于工业应用。
19.2.所述第一环形水槽与所述进水孔相连通，所述第一进水口用于与进水管相连通，所述第二环形水槽与所述出水孔相连通，所述第一排水口用于与排水管相连通，如此保证了压盘模具和环形盘坯中心的高效冷却，避免了环形盘坯中心的温度过高和强化相溶解导致的晶粒长大，保证了成形后的涡轮盘中心仍具有初始盘坯的细晶组织，进而保证了整个涡轮盘的晶粒梯度。
20.3.本发明通过一道次热旋压工艺制备出梯度组织的双性能涡轮盘，保证盘件晶粒尺寸连续变化，无明显突变。
21.4.本发明具有制备方法简单，制备流程短，设备吨位小的优点，有效的解决了现有技术难以制备高品质双性能涡轮盘，提高了生产效率，同时保证产品质量。
附图说明
22.图1是本发明提供的双性能涡轮盘的热旋转挤压成形装置的局部剖视图；
23.图2是图1中的双性能涡轮盘的热旋转挤压成形装置的上压盘的示意图；
24.图3是图1中的双性能涡轮盘的热旋转挤压成形装置的上主轴的示意图；
25.图4是图1中的双性能涡轮盘的热旋转挤压成形装置的上轴套的示意图；
26.图5是环形盘坯的剖视图；
27.图6是目标涡轮盘的剖视图；
28.图7是本发明背景技术部分的文献1的盘形件双面压成形感应加热示意图；
29.图8是是本发明背景技术部分的文献2的高温合金双性能成形示意图。
30.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-旋轮，2-上压盘，3-上主轴，4-上轴套，5-上加热炉，6-下加热炉，7-环形盘坯，8-下轴套，9-芯轴，10-下主轴，11-下压盘。
具体实施方式
31.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
32.请参阅图1及图2，本发明提供了一种双性能涡轮盘的热旋转挤压成形装置，所述
装置包括旋轮1、上压盘2、上主轴3、上轴套4、上加热炉5、下加热炉6、下轴套8、芯轴9、下主轴10及下压盘11，所述上轴套4套设在所述上主轴3上，所述上压盘2连接于所述上主轴3的一端。所述上主轴3及所述上压盘2可分离地连接于所述芯轴9的一端。所述下轴套8套设在所述下主轴10上，所述下压盘11连接于所述下主轴10的一端。所述下压盘11及所述下主轴10活动地连接于所述芯轴9的另一端。所述上加热炉5及所述下加热炉6分别连接于所述上压盘2及所述下压盘11，两者共同用于夹持环形盘坯7。
33.请参阅图3，所述下主轴10为阶梯状的圆柱体，其开设有第一通孔，所述第一通孔用于供所述芯轴9穿过。本实施方式中，所述第一通孔的中心轴与所述下主轴10的中心轴重合。所述下主轴10相背的两端中直径大的一端开设有进水孔及出水孔，所述进水孔包括第一水平段及与所述第一水平段相连通的第一竖直段，所述第一水平段沿所述下主轴10的径向设置，所述第一竖直段沿所述下主轴10的轴向设置，且其贯穿所述下主轴10相背的两端中直径大的一端。所述出水孔包括第二水平段及与所述第二水平段相连通的第二竖直段，所述第二竖直管贯穿所述下主轴10相背的两端中直径大的一端。其中，所述下主轴10相背的两端中直径大的一端称为第一大端。
34.请参阅图4，所述下轴套8套设在所述第一大端上远离所述下加热炉6的区域，其开设有进水槽及排水槽，所述进水槽及所述排水槽分别与所述进水孔及所述出水孔相连通，两者还分别用于与进水管及排水管相连通，以进行进水及排水。所述进水槽包括第一进水口及与所述进水口相连通的第一环形水槽，所述第一环形水槽与所述进水孔相连通，所述第一进水口用于与进水管相连通。所述排水槽包括第一排水口及与所述第一排水口相连通的第二环形水槽，所述第二环形水槽与所述出水孔相连通，所述第一排水口用于与排水管相连通。
35.所述下加热炉6呈扇形，其端面开设有第一阶梯槽，所述第一阶梯槽的底面开设有第二通孔，所述第一阶梯槽用于收容所述下压盘11及部分所述环形盘坯7，所述第二通孔用于供所述第一大端穿过。
36.请参阅图2，所述下压盘11设置在所述第一阶梯槽内，其端面开设有第一凹槽，所述第一凹槽的底面开设有第三通孔，所述第三通孔用于供所述芯轴9穿过。所述第一凹槽的底面还开设有螺旋型冷却水道，所述螺旋型冷却水道绕所述第三通孔设置，其邻近所述第三通孔的一端与所述进水孔相连通，另一端与所述出水孔相连通。其中，所述下压盘11抵靠在所述第一阶梯槽的底面上，所述第一大端部分地设置在所述第一凹槽内，且抵靠在所述第一凹槽的底面上。
37.本实施方式中，所述下压盘11的中心轴、所述下主轴10的中心轴与所述下轴套8的中心轴重合；所述下压盘11的结构与所述上压盘2的结构相同；所述下轴套8的结构与所述上轴套4的结构相同，所述下加热炉6的结构与所述上加热炉5的结构相同；所述下主轴10的结构与所述上主轴3的结构相同；工作时，所述上加热炉5与所述下加热炉6相对设置，两个第一阶梯槽共同用于收容所述环形盘坯7，所述上压盘2与所述下压盘11组成夹具，以夹持所述环形盘坯7，且工作时所述下压盘11与所述上压盘2对称设置，所述下轴套8与所述上轴套4对称设置，所述下加热炉6与所述上加热炉5对称设置，所述下主轴10与所述上主轴3对称设置。
38.请参阅5及图6，其中，所述上主轴3可分离地连接于所述芯轴9的一端，其通过相对
于所述芯轴9移动以连接于所述芯轴9或者脱离所述芯轴9，进而以使得所述上压盘2及所述下压盘11夹持所述环形盘坯7或者安装环形盘坯7或/及拆卸目标涡轮盘。所述旋轮1设置在所述下加热炉6的扇形缺口内，其为阶梯状的圆柱体。所述旋轮1用于成形所述目标涡轮盘，其外周开设有环形凹槽，所述环形凹槽横截面的形状及尺寸与目标涡轮盘的截面形状及尺寸分别相对应。
39.本实施方式中，所述下压盘11能够随所述下主轴10进行旋转，所述下轴套8不随所述下主轴10进行旋转；所述上压盘2能够随所述上主轴3进行旋转运动及沿轴向上下运动，所述上轴套4只随所述上主轴3进行上下运动，不进行旋转运动；所述下加热炉6固定，所述上加热炉5能够随所述上主轴3进行上下移动；所述上加热炉5及所述下加热炉6留有的扇形缺口保证了所述旋轮1可以无干涉的沿所述环形盘坯7的径向进给。
40.本发明还提供了一种双性能涡轮盘的热旋转挤压成形方法，所述方法主要包括以下步骤：
41.步骤一，将环形盘坯装夹到上述的双性能涡轮盘的热旋转挤压成形装置上。具体地，启动数控旋压机，芯轴上升，且将待成形的环形盘坯的内孔套设在芯轴上，上压盘和下压盘一起将环形盘坯夹紧，该上压盘和下压盘共同组成盘坯夹具，同时上加热炉和下加热炉共同组成加热炉，加热炉的几何中心和环形盘坯的几何中心重合。
42.步骤二，预热盘坯：使盘坯夹具带动环形盘坯转动，开启上、下循环环形冷却水道，开启加热炉，将环形盘坯外缘加热至成形温度t1，在上、下循环环形冷却组件的冷却作用下，环形盘坯中心的温度比t1低200℃。
43.参考环形盘坯材料的等温锻造或者近等温锻造的锻造温度和应变速率，再以目标涡轮盘外缘的几何形状和晶粒度分布为目标，设计双性能涡轮盘的热旋转挤压工艺参数，包括盘坯外缘的成形温度t1、旋轮进给速度v；保证成形后的涡轮盘外缘的晶粒度为astm3～6级，涡轮盘中心的晶粒度为astm8～12级，与环形盘坯相同。
44.步骤三，旋转挤压成形：随后使用旋转挤压机数控系统控制旋轮运动，将旋轮中心移动至环形盘坯中心的右侧，然后旋轮沿转动的环形盘坯径向向左进给，进给速度为v，挤压环形盘坯的环形外缘，迫使盘坯边缘的材料向旋轮的环形凹槽流动和填充，旋轮在摩擦力的作用下绕自身旋转轴被动地旋转，当旋轮的外表面和盘坯夹具的外表面接触时，旋轮沿环形盘坯的径向快速向右退出。
45.所述旋轮进给速度式中为应变速率，r0和h0为环形盘坯的几何尺寸，r1和h1为目标涡轮盘的几何尺寸。
46.步骤四，坯料冷却：环形盘坯一边转动一边随炉冷却至出炉温度t2，冷却速率为c。关闭加热炉，关闭循环冷却组件，盘坯夹具停止转动，上压盘和上加热炉随上主轴上升，芯轴下降，取出盘坯并空冷至室温。
47.其中，出炉温度t2比成形温度t1低400～500℃，冷却速率c不高于10℃/min。
48.以下以几个具体实施例来对本发明进行进一步的详细说明。
49.实施例1
50.本发明实施例采用热等静压+热挤压态的fgh96高温合金(该合金γ
′
相完全溶解温度为1116℃)圆柱状坯料为零件制备材料，其初始晶粒尺寸达到astm 12级，通过机加工
制备出环形盘坯，环形盘坯的几何尺寸为r0＝180mm和h0＝20mm，目标涡轮盘的几何尺寸为r1＝120mm和h1＝40mm。将该环形盘坯通过本发明提出的双性能涡轮盘的热旋转挤压成形装置及方法制造双性能涡轮盘类零件，其具体步骤如下：
51.步骤一、装夹盘坯：启动数控旋转挤压机，芯轴上升，将待成形的环形盘坯的内孔套在芯轴上，上压盘、上轴套和上加热炉随上主轴下行，上压盘和下压盘一起将环形盘坯夹紧，该上压盘和下压盘共同组成盘坯夹具，同时上加热炉和下加热炉共同组成加热炉，加热炉的几何中心和环形盘坯的几何中心重合。
52.步骤二、预热盘坯：使盘坯夹具带动环形盘坯转动，开启上、下循环冷却装置，开启加热炉，将环形盘坯外缘加热至成形温度t1＝1080
±
20℃，在上、下循环冷却装置的冷却作用下，环形盘坯中心的温度低于t1-200℃；
53.步骤三、旋转挤压成形：随后使用旋转挤压机数控系统控制旋轮运动，将旋轮中心移动至环形盘坯中心的右侧，然后旋轮沿转动的环形盘坯径向向左进给，进给速度为v＝1mm/s(平均应变速率为0.05s-1
)，挤压环形盘坯的环形外缘，迫使盘坯边缘的材料向旋轮的环形凹槽流动和填充，旋轮在摩擦力的作用下绕自身旋转轴被动地旋转，当旋轮的外表面和盘坯夹具的外表面接触时，旋轮沿环形盘坯7的径向快速向右退出。
54.步骤四、坯料冷却：环形盘坯一边转动一边随炉冷却至出炉温度t2＝600℃，冷却速率为c＝10℃/min。关闭加热炉，关闭循环冷却装置，盘坯夹具停止转动，上压盘和上加热炉随上主轴上升，芯轴下降，取出盘坯并空冷至室温。
55.实施例2
56.本发明实施例采用锻态的gh4720li高温合金(该合金γ
′
相完全溶解温度为1156℃)圆柱状坯料为零件制备材料，其初始晶粒尺寸达到astm 12级，通过机加工制备出环形盘坯，环形盘坯的几何尺寸为r0＝200mm和h0＝20mm，目标涡轮盘的几何尺寸为r1＝120mm和h1＝50mm。将该环形盘坯通过本发明提出的双性能涡轮盘的热旋转挤压成形装置及方法制造双性能涡轮盘类零件，其具体步骤如下：
57.步骤一、装夹盘坯：启动数控旋转挤压机，芯轴上升，将待成形的环形盘坯的内孔套在芯轴上，上压盘、上轴套和上加热炉随上主轴下行，上压盘和下压盘一起将环形盘坯夹紧，该上压盘和下压盘共同组成盘坯夹具，同时上加热炉和下加热炉共同组成加热炉，加热炉的几何中心和环形盘坯的几何中心重合。
58.步骤二、预热盘坯：使盘坯夹具带动环形盘坯转动，开启上、下循环冷却装置，开启加热炉，将环形盘坯外缘加热至成形温度t1＝1100
±
20℃，在上、下循环冷却装置的冷却作用下，环形盘坯中心的温度低于t1-200℃；
59.步骤三、旋转挤压成形：随后使用旋转挤压机数控系统控制旋轮运动，将旋轮中心移动至环形盘坯中心的右侧，然后旋轮沿转动的环形盘坯径向向左进给，进给速度为v＝0.4mm/s(平均应变速率为0.02s-1
),挤压环形盘坯的环形外缘，迫使盘坯边缘的材料向旋轮的环形凹槽流动和填充，旋轮在摩擦力的作用下绕自身旋转轴被动地旋转，当旋轮的外表面和盘坯夹具的外表面接触时，旋轮沿环形盘坯7的径向快速向右退出。
60.步骤四、坯料冷却：环形盘坯一边转动一边随炉冷却至出炉温度t2＝650℃，冷却速率为c＝10℃/min。关闭加热炉，关闭循环冷却装置，盘坯夹具停止转动，上压盘和上加热炉随上主轴上升，芯轴下降，取出盘坯并空冷至室温。
61.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。