專利名稱：雙組織渦輪盤的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種渦輪盤的制造方法，特別涉及一種雙組織渦輪盤的制造方法。
背景技術(shù)：
文獻(xiàn)1“劉建濤，陶宇，張義文，張國(guó)星.FGH96合金雙性能盤的組織與力學(xué)性能.材料熱處理學(xué)報(bào)，2010，31 :71-74”公開(kāi)了一種采用“粉末制備一熱等靜壓制坯一等溫鍛造成形一雙組織熱處理”制造雙性能盤的方法。此渦輪盤的盤緣部位為ASTM 5-6級(jí)晶粒度的粗晶組織，盤轂部位為ASTM 10-11級(jí)晶粒度的細(xì)晶組織。盤緣和盤轂部位得到了晶粒度梯 度，但雙性能未完全達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。原因在于盤緣不具有ASTM 3級(jí)或者更粗的晶粒度、盤轂不具備ASTM 12級(jí)或者更細(xì)的晶粒度。參照?qǐng)D6。文獻(xiàn)2公開(kāi)號(hào)是CN101845541A的中國(guó)發(fā)明專利公開(kāi)了一種雙合金盤類件梯度熱處理裝置，該裝置由梯度熱處理爐和水冷裝置組成。梯度熱處理爐由兩個(gè)半圓爐體構(gòu)成，依靠電阻帶對(duì)盤件進(jìn)行輻射加熱；通過(guò)一個(gè)固定在爐體上端的冷卻箱，依靠冷卻水帶走熱量，獲得溫度梯度。受到爐體結(jié)構(gòu)和水冷裝置冷卻效率低的限制，此裝置不能再更高的溫度上獲得更大的溫度梯度。僅能對(duì)壓氣機(jī)盤(通常由鈦合金制造)進(jìn)行梯度熱處理(處理時(shí)盤緣加熱溫度在900°C左右)，而無(wú)法對(duì)渦輪盤(通常由高溫合金制造)進(jìn)行梯度熱處理(處理時(shí)盤緣溫度在1100°C以上)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的盤緣與盤轂晶粒度梯度小的不足，本發(fā)明提供一種雙組織渦輪盤的制造方法。該方法采用細(xì)晶熱處理工藝、加大梯度熱處理時(shí)的溫度梯度，可以使盤心部位晶粒度更細(xì)、盤緣部位晶粒度更粗，進(jìn)而增大盤心與盤緣部位的晶粒度梯度。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是一種雙組織渦輪盤的制造方法，其特點(diǎn)是包括以下步驟(a)將以下組分的Ni基粉末高溫合金進(jìn)行真空熔煉，等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法制粉，真空脫氣、包套、封焊后，在1150-120(TC下進(jìn)行熱等靜壓成型，成型壓力100-200MPa，成型時(shí)間為 3-5h ;其組分為 0. 02 0. 05C ；2. 0 2. 4A1 ；3. 8 4. 2W ；0. 6 I. ONb ；3. 8 4. 2Mo ；3. 5 3. 9Ti ;15. 5 16. 5Cr ;12. 5 13. 5Co ； < 0. 5Fe ；0. 006 0. 015B ；< 0. 15Mn ；0. 025 0. 05Zr ； ( 0. 20Si ； ( 0. 015P ； ( 0. 015S ； ( 0. OOlH ； ( 0. 005N ；(0. 0070 ；0. 005-0. OlCe ；Ta 0. 01-0. 2，余量為鎳；(b)將經(jīng)過(guò)步驟(a)制備的熱等靜壓態(tài)粉末高溫合金利用壁厚S = 3-5mm的GH4133B高溫合金進(jìn)行硬包套；(c)在1080-1140°C下，對(duì)硬包套后的坯料進(jìn)行退火處理，時(shí)間是30_90min，爐冷；(d)以5_15°C /s的加熱速度將經(jīng)過(guò)退火處理后的坯料加熱至1100-1200°C，保溫30-90min ;在液壓機(jī)上對(duì)坯料進(jìn)行多方向鍛造，模具溫度為900_960°C ;橫梁速度為4_8mm/s，即先鐓粗，變形量20-40% ;再拔長(zhǎng)，變形量20-40% ;回爐加熱至1100-1200°C，保溫10-30min ;再鐓粗，變形量20-40%，再拔長(zhǎng)，變形量為20-40% ;回爐加熱至1100-1200°C，保溫10_30min ;終鍛鐓粗變形，變形量30-70% ;空冷；(e)對(duì)多方向鍛造后的坯料進(jìn)行細(xì)晶熱處理，具體工藝為以5_15°C /s加熱速度將坯料加熱至1080-1140°C，保溫30min-90min，隨爐冷卻；
(f)對(duì)經(jīng)過(guò)步驟(a)-(e)制備的細(xì)晶盤坯進(jìn)行梯度熱處理，具體工藝為盤緣部分溫度為1100-1200°C，盤心部分溫度為650-850°C，保溫60min-120min后，隨爐冷卻至室溫。本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是由于經(jīng)過(guò)步驟(e)細(xì)晶熱處理，使渦輪盤具備ASTM 13級(jí)晶粒度，優(yōu)先滿足了盤心部分對(duì)細(xì)晶粒度要求；經(jīng)過(guò)步驟(f)梯度熱后處理，使盤緣部位晶粒顯著長(zhǎng)大至ASTM 3級(jí)晶粒度，而后滿足盤緣部分對(duì)粗晶粒度的要求。與背景技術(shù)文獻(xiàn)I的制造方法相比，增加了細(xì)晶熱處理工藝、加大了梯度熱處理時(shí)的溫度梯度，顯著增大了盤心與盤緣部位的晶粒度梯度。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例I制備細(xì)晶盤坯的光學(xué)顯微鏡(OM)照片。圖2是本發(fā)明實(shí)施例I制備細(xì)晶盤坯的透射顯微鏡(TEM)照片。圖3是本發(fā)明實(shí)施例I制造雙組織渦輪盤過(guò)渡區(qū)的背散射電鏡(EBSD)照片。圖4是本發(fā)明實(shí)施例I制造雙組織渦輪盤過(guò)渡區(qū)的能譜線性掃描(EDS)分析。圖5是本發(fā)明實(shí)施例2盤形件梯度熱處理裝置示意圖。圖5中，I-電阻帶，2-熱電偶，3-上冷卻管道，4-循環(huán)泵，5-上冷卻箱，6_導(dǎo)熱鹽，7-上爐體，8-接線柱，9-下?tīng)t體，10-下冷卻管道，11-下冷卻箱。圖6是背景技術(shù)一種用于雙合金盤類件的電阻加熱梯度熱處理裝置的示意圖。
圖6中，I-爐蓋，2-熱電偶，3-硅酸鋁纖維，4-進(jìn)水管，6-出水管，7_熱電偶，8_保溫蓋，9-接線柱，10-接線柱，11-外保溫層，12-爐殼,13-爐底版，14-絕熱板，15-耐火爐襯，16-試樣，17-熱電偶固定塊，18-支承隔離墻，19-電阻帶，20-萬(wàn)向輪。
具體實(shí)施例方式以下實(shí)施例參照?qǐng)DI 5。實(shí)施例I :制備粉末高溫合金材料渦輪盤基體材料選擇Ni基粉末高溫合金，其成分為 0. 03C ；2. 2A1 ；4. Off ；0. 8Nb ；4. OMo ；3. 7Ti ；16. OCr ；13. OCo ；0. 2Fe ；0. OlOB ；0. 05Mn ；
0.03Zr ；0. 05Si ；0. 005P ；0. 005S ；0. OOlH ；0. OOlN ；0. 0010 ；0. OlCe ；0. ITa ;余量為鎳。所述Ni基粉末高溫合金采用真空熔煉，等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法制粉(粉末尺寸為50-150 u m)，真空脫氣、包套、封焊后，在1170°C下進(jìn)行熱等靜壓成型(壓力150MPa，時(shí)間為4h)。包套鍛前采用壁厚5 = 5mm的GH4133B高溫合金進(jìn)行硬包套；鍛前熱處理在1100°C下，對(duì)包套后的坯料進(jìn)行退火處理，時(shí)間是lh，爐冷；近等溫鍛造以10°C /s加熱速度將坯料加熱至1150°C，保溫30min ;在THP-630A液壓機(jī)上對(duì)坯料進(jìn)行多方向鍛造(模具溫度為935°C ;橫梁速度為6mm/s)——具體為先鐓粗，變形量30% ;再拔長(zhǎng)，變形量30% ;回爐加熱至1150°C，保溫20min;再鐓粗，變形量30%，再拔長(zhǎng)，變形量為30%;回爐加熱至11501，保溫201^11 ;終鍛鐓粗變形，變形量50%;空冷。細(xì)晶熱處理對(duì)多方向鍛造后的還料進(jìn)行細(xì)晶熱處理，具體工藝為以10°C /s加熱速度將坯料加熱至1110°C，保溫lh，隨爐冷卻。從圖I光學(xué)顯微鏡照片以及圖2透射電鏡照片可以看出，本實(shí)施例制備的渦輪盤坯料具有ASTM13級(jí)晶粒度。梯度熱處理采用盤形件梯度熱處理裝置對(duì)細(xì)晶盤坯進(jìn)行梯度熱處理，其中盤緣部分溫度為1150°C，盤心部分溫度為750°C。從圖3雙組織渦輪盤的盤心與盤緣過(guò)渡區(qū)的背散射電鏡照片可以看出，細(xì)晶組織晶粒度為ASTM 13級(jí)，而粗晶組織晶粒度為ASTM 3級(jí)。從圖4過(guò)渡區(qū)的能譜分析結(jié)果可以看出，“粗-細(xì)晶”組織化學(xué)成分一致，說(shuō)明所述梯度熱處理并未引起渦輪盤成分突變。實(shí)施例2 制備粉末高溫合金材料將以下組分的Ni基粉末高溫合金進(jìn)行真空熔煉，等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法制粉，真空脫氣、包套、封焊后，在1150-120(TC下進(jìn)行熱等靜壓成型，成型壓力 100-200MPa，成型時(shí)間為 3-5h ;其組分為 0. 02 0. 05C ；2. 0 2. 4A1 ；3. 8 4. 2W ;
0.6 I. ONb ；3. 8 4. 2Mo ；3. 5 3. 9Ti ；15. 5 16. 5Cr ;12. 5 13. 5Co ； ( 0. 5Fe ；
0.006 0. 015B ；^0. 15Mn ；0. 025 0. 05Zr ；^0. 20Si ；^0. 015P 0. 015S ；^0. OOlH ；(0. 005N 0. 0070 ；0. 005-0. OlCe ；Ta 0. 01-0. 2，余量為鎳；包套將經(jīng)過(guò)上述步驟制備的熱等靜壓態(tài)粉末高溫合金利用壁厚5 =3_5mm的GH4133B高溫合金進(jìn)行硬包套；鍛前熱處理在1080-1140°C下，對(duì)硬包套后的坯料進(jìn)行退火處理，時(shí)間是30-90min，爐冷；近等溫鍛造以5-15 °C /s的加熱速度將經(jīng)過(guò)退火處理后的坯料加熱至1100-1200°C，保溫30-90min ;在液壓機(jī)上對(duì)坯料進(jìn)行多方向鍛造，模具溫度為900-960°C ；橫梁速度為4-8mm/s，即先鐓粗，變形量20-40% ;再拔長(zhǎng)，變形量20-40 % ;回爐加熱至1100-1200°C，保溫10-30min ;再鐓粗，變形量20-40%，再拔長(zhǎng)，變形量為20-40% ;回爐加熱至1100-1200°C，保溫10-30min ;終鍛鐓粗變形，變形量30-70% ;空冷；細(xì)晶熱處理對(duì)多方向鍛造后的坯料進(jìn)行細(xì)晶熱處理，具體工藝為以5_15°C /s加熱速度將坯料加熱至1080-1140°C，保溫30min-90min，隨爐冷卻；梯度熱處理對(duì)經(jīng)過(guò)前述步驟制備的細(xì)晶盤坯進(jìn)行梯度熱處理，具體工藝為盤緣部分溫度為1100-1200°C，盤心部分溫度為650-850°C，保溫60min-120min后，隨爐冷卻至室溫。實(shí)施例3 本發(fā)明盤形件梯度熱處理裝置包括電阻帶I、熱電偶2、上冷卻管道3、循環(huán)泵4、上 冷卻箱5、導(dǎo)熱鹽6、上爐體7、接線柱8、下?tīng)t體9、下冷卻管道10和下冷卻箱11。其中，上爐體7上布置熱電偶2、上冷卻箱5、上冷卻管道10、導(dǎo)熱鹽6和循環(huán)泵4 ;下?tīng)t體9上除了布置熱電偶2、下冷卻箱11、下冷卻管道10、導(dǎo)熱鹽6和循環(huán)泵4以外，還布置了高性能電阻帶I (0Cr27A17Mo2鐵鉻鋁電阻帶，額定加熱溫度1400°C，額定加熱率10°C /s)，對(duì)盤形件的盤緣部位進(jìn)行輻射加熱。上冷卻箱3和下冷卻箱11中均填充導(dǎo)熱鹽6，具體成分是質(zhì)量比50%的BaC12、30%的KCl和20%的NaCl，并布置冷卻管道、通以冷卻水。利用熱水循環(huán)泵4控制冷卻水流速度，范圍是100-1000L/H。鉬銠13-鉬熱電偶(R型)垂直布置于上爐體 7、水平布置于下?tīng)t體9上，上、下?tīng)t體各安裝三根。通過(guò)高性能電阻帶I對(duì)盤形件的盤緣部位進(jìn)行輻射加熱，通過(guò)上冷卻箱5、下冷卻箱11對(duì)盤心進(jìn)行充分冷卻，獲得盤緣與盤心部位的溫度梯度。梯度熱處理具體實(shí)施步驟裝爐移出上爐體7，裝入盤形件，移入上爐體7。要求盤心部分上、下兩端面與上爐體和下?tīng)t體緊密接觸。預(yù)冷卻以100L/H水流速度通水lOmin，預(yù)冷卻導(dǎo)熱鹽及冷卻箱。熱處理打開(kāi)加熱電源；溫度升至300 °C，關(guān)閉電源；調(diào)節(jié)循環(huán)泵4，增大水流速度至200L/H ；IOmin后，打開(kāi)加熱電源，溫度升至600°C，關(guān)閉電源；調(diào)節(jié)循環(huán)泵4，增大水流速度至400L/H ；15min后，打開(kāi)加熱電源，溫度升至900°C，關(guān)閉電源；調(diào)節(jié)循環(huán)泵4，增大水流速度至700L/H ；15min后，打開(kāi)加熱電源,溫度升至1050°C,關(guān)閉電源；調(diào)節(jié)循環(huán)泵4，增大水流速度至1000L/H ；15min后，打開(kāi)加熱電源,溫度升至1150°C ；60min后，關(guān)閉電源，常開(kāi)循環(huán)泵4。出爐盤形件冷卻至室溫后，關(guān)閉循環(huán)泵4，移出上爐體7，取出盤形件，移入上爐體7，完成對(duì)盤形件的梯度熱處理。
權(quán)利要求
1.一種雙組織渦輪盤的制造方法，其特征在于包括以下步驟 (a)將以下組分的Ni基粉末高溫合金進(jìn)行真空熔煉，等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法制粉，真空脫氣、包套、封焊后，在1150-1200°C下進(jìn)行熱等靜壓成型，成型壓力100-200MPa，成型時(shí)間為 3-5h ;其組分為 0. 02 0. 05C ；2. 0 2. 4A1 ；3. 8 4. 2W ；0. 6 I. ONb ；3. 8 4. 2Mo ；.3.5 3. 9Ti ;15. 5 16. 5Cr ;12. 5 13. 5Co ； ( 0. 5Fe ；0. 006 0. 015B ； ( 0. 15Mn ；.0. 025 0. 05Zr ； ( 0. 20Si ； ( 0. 015P ； ( 0. 015S ； ( 0. OOlH ； ( 0. 005N ； ( 0. 0070 ；.0.005-0. OlCe ；Ta 0. 01-0. 2，余量為鎳； (b)將經(jīng)過(guò)步驟(a)制備的熱等靜壓態(tài)粉末高溫合金利用壁厚S= 3-5_的GH4133B高溫合金進(jìn)行硬包套； (c)在1080-1140°C下，對(duì)硬包套后的坯料進(jìn)行退火處理，時(shí)間是30-90min，爐冷； (d)以5-15°C/s的加熱速度將經(jīng)過(guò)退火處理后的坯料加熱至1100-1200°C，保溫.30-90min ;在液壓機(jī)上對(duì)坯料進(jìn)行多方向鍛造，模具溫度為900_960°C ;橫梁速度為4_8mm/s，即先鐓粗，變形量20-40% ;再拔長(zhǎng)，變形量20-40% ;回爐加熱至1100-1200°C，保溫10-30min ;再鐓粗，變形量20-40%，再拔長(zhǎng)，變形量為20-40% ;回爐加熱至1100-1200°C，保溫10_30min ;終鍛鐓粗變形，變形量30-70% ;空冷； (e)對(duì)多方向鍛造后的坯料進(jìn)行細(xì)晶熱處理，具體工藝為以5-15°C/s加熱速度將坯料加熱至1080-1140°C，保溫30min-90min，隨爐冷卻； (f)對(duì)經(jīng)過(guò)步驟(a)-(e)制備的細(xì)晶盤坯進(jìn)行梯度熱處理，具體工藝為盤緣部分溫度為1100-1200°C，盤心部分溫度為650-850°C，保溫60min-120min后，隨爐冷卻至室溫。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種雙組織渦輪盤的制造方法，用于解決現(xiàn)有的盤緣與盤轂晶粒度梯度小的技術(shù)問(wèn)題。技術(shù)方案是首先制備粉末高溫合金材料，再進(jìn)行包套、鍛前熱處理、近等溫鍛造、細(xì)晶熱處理和梯度熱處理，制造出雙組織渦輪盤。由于經(jīng)過(guò)鍛前熱處理，使渦輪盤具備ASTM 13級(jí)晶粒度，優(yōu)先滿足了盤心部分對(duì)細(xì)晶粒度要求；經(jīng)過(guò)梯度熱后處理，使盤緣部位晶粒顯著長(zhǎng)大至ASTM 3級(jí)晶粒度，而后滿足盤緣部分對(duì)粗晶粒度的要求。與背景技術(shù)文獻(xiàn)1的制造方法相比，增加了細(xì)晶熱處理工藝、加大了梯度熱處理時(shí)的溫度梯度，顯著增大了盤心與盤緣部位的晶粒度梯度。
文檔編號(hào)C22C19/03GK102615284SQ20121012470
公開(kāi)日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月26日
發(fā)明者姚澤坤, 寧永權(quán) 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)