本發(fā)明涉及塑性成形熱加工領(lǐng)域，具體是一種鎳基合金雙性能空心渦輪盤及其制備方法和空心渦輪盤鍛造模具。

背景技術(shù)：

1、渦輪盤是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵熱端部件，在工作狀態(tài)下，整個(gè)盤件的工作溫度從盤緣到盤轂沿著直徑方向逐漸降低，工況特點(diǎn)對盤件提出了剪裁性能要求：盤緣與葉片相連，受氣流摩擦工作溫度高，但承受應(yīng)力小，要求材料具有高的蠕變性能和斷裂韌性；盤轂與軸相連，工作溫度較低，但承受著輪盤旋轉(zhuǎn)帶來的較大的離心力，要求材料具有高的強(qiáng)度、塑性和低周疲勞強(qiáng)度。

2、早期的雙性能盤采用異種合金材料制備而成，即盤轂部位選用高強(qiáng)度的合金，而盤緣部位選用抗蠕變的另外一種合金，兩種合金采用連接方式（如焊接、熱等靜壓復(fù)合等）結(jié)合起來。這種連接方式存在材料可焊性差、接頭缺陷難控制與微觀組織不理想等問題，盤件的連接界面是盤體最薄弱環(huán)節(jié)，嚴(yán)重制約盤件的研制與應(yīng)用。目前，采用一種合金制備出盤轂和盤緣部位具有不同顯微組織的雙組織/雙性能盤成為大家關(guān)注的熱點(diǎn)，即在盤件的盤轂部位獲得細(xì)晶組織來保證高強(qiáng)度，盤緣部位獲得粗晶組織來保證良好的持久和蠕變性能，盤轂和盤緣部位之間的過渡區(qū)域（幅板位置）要求晶粒組織過渡平緩，這種盤件避免了因異種金屬之間的連接而可能造成的安全隱患，完全符合高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)的工況要求，整個(gè)盤件安全系數(shù)顯著提高。

3、對于雙性能高溫合金渦輪盤而言，獲得具有單一合金結(jié)構(gòu)的雙性能盤主要包括超細(xì)晶高強(qiáng)度棒坯制備和梯度熱處理兩個(gè)工藝過程，首先采用超細(xì)晶棒坯制備鍛件毛坯，再對鍛件毛坯進(jìn)行梯度熱處理兩個(gè)工藝過程，即對細(xì)晶坯料進(jìn)行梯度熱處理使盤緣部分晶粒長大，獲得粗晶組織，滿足持久、蠕變及抗裂紋擴(kuò)展性能。研究表明，在顯微組織方面，鎳基高溫合金雙性能盤件不僅體現(xiàn)在晶粒度方面的差異，而且體現(xiàn)在γ'相的尺寸形貌差異。即雙性能盤的力學(xué)性能不僅與晶粒度有關(guān)，而且與γ'相的尺寸形貌也有著重要關(guān)系，要同時(shí)滿足盤轂和盤緣的雙性能要求，這對熱加工技術(shù)是一個(gè)大的挑戰(zhàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種鎳基合金雙性能空心渦輪盤及其制備方法和空心渦輪盤鍛造模具，本發(fā)明提供的制備方法能夠制備得到同時(shí)滿足盤轂和盤緣的雙性能空心渦輪盤，不僅機(jī)械性能高，而且能夠在一套工裝模具中進(jìn)行制備，成形后無需在特制熱處理工裝中進(jìn)行梯度熱處理，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2、本發(fā)明提供了一種鎳基合金雙性能空心渦輪盤的制備方法，包括以下步驟：

3、s1）對盤轂厚度大于盤緣厚度的渦輪盤餅坯在模具中進(jìn)行大變形量閉式終鍛，得到渦輪盤鍛坯；所述大變形量閉式終鍛的變形量為所述渦輪盤餅坯的盤轂厚度和盤緣厚度之差；

4、s2）對步驟s1）得到的渦輪盤鍛坯進(jìn)行從盤轂向盤緣冷卻效果遞減的冷卻，然后進(jìn)行熱處理，得到鎳基合金雙性能空心渦輪盤。

5、本發(fā)明提供的鎳基合金雙性能空心渦輪盤的制備方法，適用于坯料采用鎳基合金的渦輪盤，具體適用于坯料采用的固溶熱處理溫度低于強(qiáng)化相完全回溶溫度的亞固溶熱處理鎳基合金，防止渦輪盤內(nèi)部組織特別是盤轂部分晶粒組織粗化嚴(yán)重。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，所述鎳基合金為gh4151鎳基合金，其元素組成包括：c、co、cr、w、mo、al、ti、nb和ni等。

6、本技術(shù)發(fā)明人創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)，在雙性能空心渦輪盤的鍛造成形過程中，通過合理匹配盤轂和盤緣不同區(qū)域變形量及梯度冷卻，能夠制備得到同時(shí)滿足盤轂和盤緣的雙性能空心渦輪盤，機(jī)械性能高，且后續(xù)無需進(jìn)行梯度熱處理。

7、本發(fā)明首先對盤轂厚度大于盤緣厚度的渦輪盤餅坯在模具中進(jìn)行大變形量閉式終鍛，得到渦輪盤鍛坯。本發(fā)明所述渦輪盤餅坯是一種“陀螺形”渦輪盤預(yù)制餅坯，其盤轂厚度大于盤緣厚度的渦輪盤餅坯，呈現(xiàn)中間厚邊緣薄的形狀。本發(fā)明所述盤轂厚度大于盤緣厚度的渦輪盤餅坯還在其盤轂位置設(shè)置有中心孔。本發(fā)明所述渦輪盤餅坯的盤轂厚度和盤緣厚度之差為所述渦輪盤餅坯的盤轂厚度的50~80%。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，所述盤轂厚度大于盤緣厚度的渦輪盤餅坯的盤轂厚度為140~160?mm，盤緣厚度為30~50?mm。

8、在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，所述盤轂厚度大于盤緣厚度的渦輪盤餅坯由以下方法制備：根據(jù)所需要制備的渦輪盤鍛坯的形狀和體積對高溫合金棒材進(jìn)行下料，采用等溫鍛造方法制備出圓柱形渦輪盤預(yù)制餅坯，然后將所述圓柱形渦輪盤預(yù)制餅坯進(jìn)一步加工為盤轂厚度大于盤緣厚度的渦輪盤餅坯；其中，所選用的高溫合金棒材組織的平均晶粒度為6~7級。

9、本發(fā)明對所述渦輪盤餅坯進(jìn)行大變形量閉式終鍛之前，包括對所述渦輪盤餅坯進(jìn)行加熱，加熱溫度與同種牌號合金固溶熱處理溫度保持一致。在本發(fā)明中，對所述渦輪盤餅坯進(jìn)行加熱具體是加熱至750~850℃進(jìn)行保溫，升溫至900~1000℃進(jìn)行保溫，升溫至終鍛加熱溫度進(jìn)行保溫，所述終鍛加熱溫度為鎳基合金γ’強(qiáng)化相完全回溶溫度以下30℃~80℃，本發(fā)明中的終鍛加熱溫度為1100~1150℃；所述升溫的速率為50~200℃/h；所述保溫的時(shí)間以所述渦輪盤餅坯的盤轂厚度計(jì)為1~2?min/mm。

10、本發(fā)明對所述渦輪盤餅坯進(jìn)行所述大變形量閉式終鍛時(shí)，所述大變形量閉式終鍛的變形量為所述渦輪盤餅坯的盤轂厚度和盤緣厚度之差。本發(fā)明在模具中對所述渦輪盤餅坯進(jìn)行大變形量閉式終鍛，所述模具包括上模鑲塊和下模鑲塊。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，將所述渦輪盤餅坯置于模具的下模鑲塊中，保證所述渦輪盤餅坯和所述模具的下模鑲塊同軸，然后對所述渦輪盤餅坯沿軸向進(jìn)行大變形量閉式終鍛。本發(fā)明所述大變形量閉式終鍛的壓下速度為0.01~10?mm/s。本發(fā)明方法通過對盤轂部分大變形量變形獲得細(xì)晶組織，因此不需要采用多火次大變形量制備出超細(xì)晶棒材，減少成形火次。

11、本發(fā)明對所述渦輪盤餅坯進(jìn)行大變形量閉式終鍛時(shí)，所采用的鍛造方式為等溫鍛造，即模具溫度與所述渦輪盤餅坯的鍛造加熱溫度保持一致。本發(fā)明對所述渦輪盤餅坯進(jìn)行大變形量閉式終鍛時(shí)還需要噴灑潤滑劑，所噴灑的潤滑劑為導(dǎo)熱性能良好的石墨潤滑劑，防止影響終鍛結(jié)束后上、下模冷卻系統(tǒng)對渦輪盤鍛件的熱傳遞，影響冷卻效果。

12、本發(fā)明對所述渦輪盤餅坯進(jìn)行大變形量閉式終鍛之后，還包括進(jìn)行保壓5~30min。保壓過程中等溫鍛造模具溫度保持不變，促進(jìn)合金發(fā)生充分的靜態(tài)再結(jié)晶，有利于更多的強(qiáng)化相回溶到基體以便于后續(xù)冷卻過程中析出不同尺寸形貌的強(qiáng)化相。

13、本發(fā)明對所述渦輪盤餅坯進(jìn)行大變形量閉式終鍛得到渦輪盤鍛坯之后，對所得到的渦輪盤鍛坯進(jìn)行從盤轂向盤緣冷卻效果遞減的冷卻。具體而言，對所得到的渦輪盤鍛坯進(jìn)行從盤轂向幅板再向盤緣冷卻效果遞減的冷卻。更具體而言，對所得到的渦輪盤鍛坯進(jìn)行從盤轂心部向幅板再向盤緣冷卻效果遞減的冷卻。對所得到的渦輪盤鍛坯進(jìn)行冷卻時(shí)，對所述盤轂的冷卻效果大于對所述幅板的冷卻效果，對所述幅板的冷卻效果大于對所述盤緣的冷卻效果。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，采用渦旋狀冷卻管道通過冷卻介質(zhì)對所述渦輪盤鍛坯進(jìn)行從盤轂向盤緣冷卻效果遞減的冷卻；所述渦旋狀冷卻管道的圈數(shù)為3圈以上，所述渦旋狀冷卻管道的管道粗細(xì)從心部向邊緣每圈遞增5~15?mm。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，所述渦旋狀冷卻管道的圈數(shù)為3圈，所述渦旋狀冷卻管道的管道粗細(xì)從心部向邊緣每圈依次為25~35?mm、35~45?mm和45~55?mm。本發(fā)明所述冷卻介質(zhì)為水，通過水流速度控制冷卻效果，水流速度v=1?mm/s~15?mm/s。本發(fā)明通過渦旋狀的冷卻管道每一圈的管道粗細(xì)分布從心部向外緣逐漸增加，因此所述冷卻管道在心部排列相比邊緣更緊密，排列更加緊密的心部的單位面積帶走的熱量更多，冷卻速度較外緣區(qū)域更快，達(dá)到對所述渦輪盤鍛坯從心部向邊緣進(jìn)行冷卻效果遞減的梯度冷卻的效果。本發(fā)明中，所述渦輪盤鍛坯的邊緣部分冷卻至800℃以下后即可停止所述梯度冷卻。

14、本發(fā)明對所得到的渦輪盤鍛坯進(jìn)行從盤轂向盤緣冷卻效果遞減的冷卻之后，然后進(jìn)行熱處理，得到鎳基合金雙性能空心渦輪盤。本發(fā)明無需進(jìn)行從渦輪盤鍛坯盤轂向盤緣的梯度熱處理，只需進(jìn)行常規(guī)的該類合金鍛件的穩(wěn)定化或時(shí)效熱處理即可得到鎳基合金雙性能空心渦輪盤。

15、本發(fā)明提供了應(yīng)用上述任一所述的制備方法得到的鎳基合金雙性能空心渦輪盤。本發(fā)明提供的鎳基合金雙性能空心渦輪盤，盤轂部位為細(xì)晶組織和細(xì)小球狀γ'析出相，盤緣部位為粗晶組織和大尺寸塊狀γ'析出相，幅板過渡區(qū)域?yàn)橹械瘸叽绲木Я＝M織和γ'析出相，為同時(shí)滿足盤轂和盤緣的雙性能渦輪盤，機(jī)械性能高。

16、本發(fā)明還提供了一種空心渦輪盤鍛造模具，包括：上模和下模；所述上模和下模均設(shè)置有從所述空心渦輪盤鍛造模具的心部向邊緣渦旋的渦旋狀冷卻管道。

17、本發(fā)明所述渦旋狀冷卻管道的圈數(shù)為3圈以上，所述渦旋狀冷卻管道的管道粗細(xì)從心部向邊緣每圈遞增5~15?mm。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，所述渦旋狀冷卻管道的圈數(shù)為3圈，所述渦旋狀冷卻管道的管道粗細(xì)從心部向邊緣每圈依次為25~35?mm、35~45?mm和45~55?mm。本發(fā)明通過限定所述渦旋狀冷卻管道的管道粗細(xì)從心部向邊緣每圈遞增，使得所述空心渦輪盤鍛造模具所設(shè)置的冷卻管道在心部排列相比邊緣更緊密，排列更加緊密的心部的單位面積帶走的熱量更多，冷卻速度較外緣區(qū)域更快，達(dá)到對所述渦輪盤鍛坯從心部向邊緣進(jìn)行冷卻效果遞減的梯度冷卻的效果。本發(fā)明所述空心渦輪盤鍛造模具的上模和下模所設(shè)置的渦旋狀冷卻管道的分布形式保持一致，呈逆時(shí)針或順時(shí)針周向分布，有助于空心渦輪盤鍛坯獲得均勻的冷卻效果。

18、本發(fā)明所述渦旋狀冷卻管道的心部位置的管道上設(shè)置有冷卻介質(zhì)入口，邊緣位置的管道上設(shè)置有冷卻介質(zhì)出口，能夠供冷卻介質(zhì)依次冷卻所述空心渦輪盤鍛造模具的心部和邊緣。本發(fā)明所述空心渦輪盤鍛造模具的上模冷卻管道和下模冷卻管道的入口均設(shè)置于模具心部和出口均設(shè)置于模具外緣，因此流經(jīng)加熱模具后出口處冷卻介質(zhì)溫度高于入口處冷卻介質(zhì)溫度，從而有利于渦輪盤心部較外緣區(qū)域獲得更快的冷卻效果，進(jìn)而構(gòu)建從盤轂心部向盤緣部位冷卻效果逐漸遞減的冷卻系統(tǒng)。

19、本發(fā)明所述空心渦輪盤鍛造模具的下模的心部位置還設(shè)置有一條專門穿過空心渦輪盤鍛坯的中心孔的軸向冷卻管道，保證渦輪盤盤轂部分在終鍛結(jié)束后的固溶熱處理過程中獲得更快的冷卻效果，建立盤轂向盤緣部位冷卻速度依次遞減的冷卻梯度，保證盤件不同區(qū)域析出不同形貌尺寸的強(qiáng)化相。

20、本發(fā)明提供了一種鎳基合金雙性能空心渦輪盤及其制備方法和空心渦輪盤鍛造模具。本發(fā)明提供的制備方法通過采用一套帶有冷卻系統(tǒng)的工裝模具即實(shí)現(xiàn)了雙性能渦輪盤成形控性，在鍛造成形過程中通過將渦輪盤盤轂局部變形、保壓并對不同部位分區(qū)進(jìn)行漸變控冷固溶熱處理技術(shù)的巧妙結(jié)合，獲得盤轂部位平均晶粒度10~12級的細(xì)晶組織和細(xì)小球狀γ'析出相、盤緣部位平均晶粒度6~7級的粗晶組織和大尺寸塊狀γ'析出相及幅板過渡區(qū)域中等尺寸的晶粒組織和γ'析出相。在本發(fā)明的成形方法過程中，通過合理匹配盤轂和盤緣不同區(qū)域變形量及梯度冷卻，渦輪盤成形后無需在特制熱處理工裝中進(jìn)行梯度熱處理，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。