一种带轴颈中空涡轮盘惯性摩擦焊与扩散焊复合制造方法技术

本发明专利技术属于航空发动机涡轮盘制造技术领域，具体涉及一种带轴颈中空涡轮盘惯性摩擦焊与扩散焊复合制造方法，包括以下步骤：步骤1：摩擦焊单件制备；步骤2：清洗轴颈及前盘体；步骤3：惯性摩擦焊；步骤4：车飞边；步骤5：相控阵超声波检测；步骤6：后盘体及带轴颈的前盘体加工；步骤7：清洗带轴颈的前盘体及后盘体；步骤8：组配入炉；步骤9：扩散焊；步骤

【技术实现步骤摘要】
一种带轴颈中空涡轮盘惯性摩擦焊与扩散焊复合制造方法


[0001]本专利技术属于航空发动机涡轮盘制造
，具体涉及一种带轴颈中空涡轮盘惯性摩擦焊与扩散焊复合制造方法
。

技术介绍

[0002]涡轮盘是航空发动机的关键件，涡轮盘一般采用螺栓与前轴颈连接，为发动机压气机转子提供动力，该种螺栓连接结构在使用时存在着螺栓孔应力集中
、
温度应力等问题，极大的影响了结构的稳定性
。
带轴颈的中空涡轮盘是国际先进高性能发动机典型结构，如图1所示，是一种前轴颈与涡轮盘一体化结构，一方面取消了轴颈与涡轮盘的安装边连接结构，减轻了结构重量；同时也消除了螺栓连接区域的温度和结构应力，提高了密封性及可靠性；另一方面，特殊的中空结构的涡轮盘体，利用涡轮叶片内部通道收集冷却空气，经由涡轮盘外缘榫槽底部进气孔进入涡轮盘中的中空区域，实现涡轮叶片和盘体的内部冷却，从而改善了涡轮盘应力状态，延长涡轮盘使用寿命，是先进高性能发动机的重点发展方向之一
。
[0003]带轴颈的中空涡轮盘采用了粉末高温合金，轴颈长度达
200mm。
如图1所示，带轴颈的中空涡轮盘的空腔狭长，两腹板间最小距离不足
10mm
，车加工用的刀杆和刀具的最大外廓尺寸均大于
10mm
，采用车加工制造空腔时，靠近涡轮盘盘缘的空腔部位，无法进行加工
。
因此带轴颈的中空涡轮盘只能采用焊接方法制造
。
针对盘
‑
轴
、/>盘
‑
盘结构的焊接，惯性摩擦焊是最常用的高效率制造方法，采用惯性摩擦焊很容易实现轴颈与盘体的焊接，但在进行盘
‑
盘焊接时存在以下问题：（1）惯性摩擦焊为一种转动
‑
接触
‑
摩擦
‑
锻焊的工艺方法，在焊接过程中产生飞边，而中空涡轮盘的空腔狭长，焊后两腹板间最小距离不足
10mm
，内腔焊后无法加工，飞边无法去除
。
[0004]（2）中空涡轮盘盘缘部分焊接面积大，需专用的大吨位惯性摩擦焊设备，设备制造成本高
。
[0005]（3）惯性摩擦焊在接触摩擦过程中接头达到粘塑性状态，最高温度超过
1200℃
，从接头对接面到接头热影响区的温度等于或大于零件基体材料的固溶热处理处理温度，基体材料中原有的
γ
′
强化相将发生回溶或部分回溶，获得过饱和的
γ
基体
。
而惯性摩擦焊接头冷却速度极快，导致
γ
′
强化相无足够的时间析出，即使经过双重时效热处理，也无法进一步促使
γ
′
强化相长大，最终的结果就是惯性摩擦焊接头的
γ
′
强化相数量和尺寸均不足，惯性摩擦焊接头强韧机制由沉淀相强化转变为晶界强化，影响接头的持久和蠕变性能
。
[0006]因此惯性摩擦焊无法完全实现带轴径中空涡轮盘的制造
。
[0007]扩散焊也是一种高质量
、
高性能焊接方法，尤其适用于大面积连接
。
虽然采用扩散焊可以直接制造带轴颈的中空涡轮盘，但存在以下问题：（1）粉末高温合金坯料一般采用热等静压
+
等温锻造
/
挤压成形
+
热处理的方法制造
。
如轴颈与前盘体为一体成形的粉末高温合金坯料，如图2所示，后盘体为单独的粉末高
温合金坯料，采用扩散焊进行前
、
后盘体的焊接，那么在制备带轴颈的前盘体毛坯时：1）热等静压包套结构复杂
、
制造成本高及局部静压变形量不足；2）等温锻造或挤压成形时，成形模具复杂
、
寿命短，整体锻造变形量大
、
局部锻造变形量不足
。
最终导致带轴径前盘体毛坯的综合性能无法满足使用需求
。
[0008]（2）如轴颈与前盘体为分体结构，采用扩散焊实现轴颈
、
前盘体和后盘体连接，则存在：1）扩散焊用夹具结构复杂且热容量过大，零件高温停留时间过长而基体性能损伤增大；2）扩散焊是一种通过接触
、
原子扩散实现焊接的工艺方法，依靠热变形激活
、
塑性变形激活提高扩散焊接头焊合率，从而保证接头综合性能；对于该零件，轴颈与前盘体
、
前盘体与后盘体的两处扩散焊缝，轴向高度
、
焊接面积均不相同，两条焊缝采用同道工序扩散焊时，两处焊缝待焊表面接触时间
、
焊接接头蠕变变形时间和程度均不同，导致两处焊缝焊接质量和接头性能的一致性难以保证；两条焊缝采用两道工序分别扩散焊时，两道扩散焊工序热循环使得零件基体材料性能损伤加剧，最终的结果是零件性能无法满足使用要求；3）轴颈与前盘体焊缝承受轴向加压压力并向下传递，需要在前
、
后盘体的腹板间的空间沿圆周方向放置支撑块用于阻止前盘体向下变形，支撑块选材及整周放置困难
。
[0009]因此直接采用扩散焊制造带轴径的中空涡轮盘也并不是最佳选择
。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的在于提供一种带轴颈中空涡轮盘惯性摩擦焊与扩散焊复合制造方法，采用轴颈和前盘体惯性摩擦焊
→
惯性摩擦焊飞边车削去除
→
惯性摩擦焊缝相控阵超声检测
→
前盘体外形加工
→
带轴颈前盘体和后盘体扩散焊
→
扩散焊后车加工
→
扩散焊缝超声波检测
→
外形加工
→
时效处理的工艺路线，实现粉末高温合金带轴颈中空涡轮盘的低成本
、
高效率
、
高质量
、
高性能制造
。
[0011]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0012]一种带轴颈中空涡轮盘惯性摩擦焊与扩散焊复合制造方法，包括以下步骤：步骤1：摩擦焊单件制备轴颈
、
前盘体及后盘体单件由锻造态粉末高温合金制作而成，其中轴颈为带余量单件；步骤2：清洗先进行除油处理，而后将轴颈及前盘体放入清洗机内清洗；步骤3：惯性摩擦焊采用惯性摩擦焊机对轴颈和前盘体进行惯性摩擦焊，收缩量
2mm
～
6mm
；步骤4：车飞边采用车加工去除惯性摩擦焊后的前盘体侧摩擦焊接头和轴颈侧摩擦焊接头内外侧飞边；步骤5：相控阵超声波检测采用相控阵超声波检测焊缝的缺陷，检测探头由外侧检测整个焊缝的外圆面，检测焊缝内部的缺陷，焊缝内部缺陷若符合设计标准，则进行下一步；若焊缝内部缺陷不符合标准，则直接报废；步骤6：后盘体及带轴颈的前盘体加工
采用车加工对后盘体和带轴颈的前盘体外形面进行加工，在前盘体扩散焊待焊接面和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种带轴颈中空涡轮盘惯性摩擦焊与扩散焊复合制造方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：摩擦焊单件制备轴颈
、
前盘体及后盘体单件由锻造态粉末高温合金制作而成，其中轴颈为带余量单件；步骤2：清洗先进行除油处理，而后将轴颈及前盘体放入清洗机内清洗；步骤3：惯性摩擦焊采用惯性摩擦焊机对轴颈和前盘体进行惯性摩擦焊，收缩量
2mm
～
6mm
；步骤4：车飞边采用车加工去除惯性摩擦焊后的前盘体侧摩擦焊接头和轴颈侧摩擦焊接头内外侧飞边；步骤5：相控阵超声波检测采用相控阵超声波检测焊缝的缺陷，检测探头由外侧检测整个焊缝的外圆面，检测焊缝内部的缺陷，焊缝内部缺陷若符合设计标准，则进行下一步；若焊缝内部缺陷不符合标准，则直接报废；步骤6：后盘体和带轴颈的前盘体加工采用车加工对后盘体和带轴颈的前盘体外形面进行加工，在前盘体扩散焊待焊接面和后盘体扩散焊待焊接面处留
0.3mm~0.5mm
加工余量；采用磨加工对前盘体扩散焊待焊接面和后盘体扩散焊待焊接面进行加工，使前盘体基准面
、
后盘体基准面
、
前盘体扩散焊待焊接面以及后盘体扩散焊待焊接面的平面度及其平行度
≤0.03mm
；采用精密研磨对前盘体扩散焊待焊接面和后盘体扩散焊待焊接面进行终加工，使前盘体扩散焊待焊接面和后盘体扩散焊待焊接面表面粗糙度
≤0.4
μ
m
，前盘体扩散焊待焊接面以及后盘体扩散焊待焊接面无烧伤
、
烧蚀及其他异质；步骤7：清洗先进行除油处理，而后将后盘体及带轴颈的前盘体放入清洗机内清洗；步骤8：组配入炉将后盘体和带轴颈的前盘体两个待焊件对正贴合，而后采用定位销定位组合成待焊组件，检查前盘体扩散焊待焊接面和后盘体扩散焊待焊接面间的间隙
≤0.02mm
；将下模具放置在扩散焊设备平台上，其上放置待焊组件，随后在待焊组件周围布置石墨限位柱，然后使扩散焊设备压板带着上模具一同下降至压紧待焊组件；最后将扩散焊设备负载热电偶的端头放置在待焊组件的待焊接部位外面，保持接触；关闭炉门，对炉内进行抽真空处理；步骤9：扩散焊调整扩散焊设备压力并进行加热；而后不断调整扩散焊设备压力并保压，扩散焊结束后，使扩散焊设备压板带着上模具上升，直至上模具的下边缘高于轴颈的端面；充入高纯氩，开启风机使焊后组件冷却，随后关闭风机和充氩系统，使焊后组件随炉冷却，冷却后出炉；步骤
10
：扩散焊后车加工采用车加工对前盘体基准面和后盘体基准面进行加工，使前盘体基准面和后盘体基准面的表面粗糙度
≤1.6
μ
m
；
步骤
11
：扩散焊超声波检测采用高频超声波对扩散焊缝焊接质量进行检查，合格则进行下一步；不合格直接报废；步骤
12
：外形加工对焊后外形进行加工，使符合设计图纸；步骤
13
：时效处理采用二级时效真空热处理方法对焊后组件进行时效处理，炉冷至
80℃
以下出炉
。2.
根据权利要求1所述的一种带轴颈中空涡轮盘惯性摩擦焊与扩散焊复合制造方法，其特征在于：步骤2具体为：采用脱脂棉或白棉布进行除油处理；清洗时，清洗溶剂选用去离子水
、
蒸馏水
、
...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵伟，赵强，任慧娇，马广璐，刘悦，
申请(专利权)人：中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，
类型：发明
国别省市：