一种基于热等静压工艺的空心出口导向叶片的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于热等静压工艺的空心出口导向叶片的制备方法，步骤1）根据导向叶片设计导向叶片毛坯；步骤2）根据导向叶片毛坯设计包套；步骤3）制备TC4钛合金球形粉末；步骤4）将步骤3）制备的TC4钛合金球形粉末装入步骤2）所述包套中，并且除气封焊；步骤5）将装有TC4钛合金球形粉末的包套放置于热等静压炉内进行热等静压；步骤6）去除包套，得到导向叶片毛坯；步骤7）将步骤6）导向叶片毛坯进行热处理；步骤8）将步骤7）导向叶片毛坯粗机加，去除两端多余的坯料；步骤9）焊接导向叶片毛坯两端空洞；步骤10）将导向叶片毛坯进行精机加工得到导向叶片，并在导向叶片表面进行喷丸处理。

【技术实现步骤摘要】
一种基于热等静压工艺的空心出口导向叶片的制备方法
本专利技术属于航空发动机风扇零件
，尤其涉及一种基于热等静压工艺的空心出口导向叶片的制备方法。
技术介绍
出口导向叶片为航空发动机风扇部分主要的零件，位于风扇叶片之后，连接分流环和中介机匣外环，主要起导流的作用，并承受一定的气动力。采用空心出口导向叶片设计可以有效地降低航空发动机的重量，满足了商用航空发动机“低噪音、低成本”的要求，提高发动机市场竞争力。目前，航空发动机上出口导向叶片的结构设计主要有两种方式，一种是实心的结构设计，另一种是空心的结构设计。实心的出口导向叶片，无论是采用什么材料，主要是通过模锻工艺制备毛坯，然后采用数控加工和表面处理工艺最终成形。针对空心的出口导向叶片，目前主要有两种工艺，一种是采用搅拌摩擦焊工艺，一种是采用扩散连接/超塑性成形(SPF/DB)组合工艺。搅拌摩擦焊工艺主要采用CN103775136公布的方法，该方法是将空心出口导叶分为凹进部分和盖板两个零件，并将两部分通过搅拌摩擦焊工艺焊接而成，其中凹进部分可以设计和加工成空心结构。搅拌摩擦焊的主要优点：该工艺为固相连接，母材不熔化，焊接接头性能高；适用于铝合金，尤其是难熔焊铝合金的焊接。该工艺的主要缺点：焊前进行空腔加工，焊后进行组合加工，机加工变形控制难度大，主要适用于铝合金，材料适用性不强。针对扩散连接/超塑性成形(SPF/DB)组合工艺，该方法主要是借鉴钛合金空心风扇叶片的制备工艺，将钛合金板材之间先扩散连接，然后超塑成形。该工艺的主要优点：代替常规金属结构件，可实现最佳刚度重量比，减重10%～50%，经济效益可观；另外，材料扩散连接后界面基本消失，可达到母体材料性能。该工艺的主要缺点：一是扩散焊需要高精度对中控制，扩散焊后整形工艺复杂；二是原材料板材具有各向异性，钛合金板材由轧制成型而得，板材加工过程中，轧制方向和垂直于此方向的力学性能不一致，垂直于轧制方向的力学性能较差；三是内部空腔可设计性不足：受超塑成形工艺的限制，该出口导向叶片只能设计成Warren结构，很难实现结构强度设计所需的理想结构。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于热等静压工艺的空心出口导向叶片的制备方法，克服了现有技术中搅拌摩擦焊工艺下组件加工变形控制难度大、材料适用性不强，扩散连接/超塑性成形组合工艺下工艺复杂、叶片材料各向异性、内部空腔可设计性不强等问题。为了解决技术问题，本专利技术的技术方案是：一种基于热等静压工艺的空心出口导向叶片的制备方法，包括以下步骤：步骤1）根据导向叶片设计导向叶片毛坯；步骤2）根据导向叶片毛坯设计包套；步骤3）制备TC4钛合金球形粉末；步骤4）将步骤3）制备的TC4钛合金球形粉末装入步骤2）所述包套中，并且除气封焊；步骤5）将装有TC4钛合金球形粉末的包套放置于热等静压炉内进行热等静压；步骤6）去除包套，得到导向叶片毛坯；步骤7）将步骤6）导向叶片毛坯进行热处理；步骤8）将步骤7）导向叶片毛坯粗机加工，去除两端多余的坯料；步骤9）焊接导向叶片毛坯两端空洞；步骤10）将导向叶片毛坯进行精机加工得到导向叶片，并在导向叶片表面进行喷丸处理。优选的，所述步骤1）中导向叶片包括叶身、前端安装接头和后端安装接头，其中叶身一侧面为凹面，叶身另一侧面为凸面，所述导向叶片毛坯包括内部贯通的叶身毛坯和安装接头毛坯，其中叶身毛坯的轴向尺寸大于叶身的轴向尺寸，其中叶身毛坯与叶身径向尺寸及两侧面的凹面和凸面相同，所述叶身毛坯一端连接安装接头毛坯，其中安装接头毛坯为方形，安装接头毛坯用于机加工成后端安装接头，叶身毛坯远离安装接头毛坯的一侧用于机加工成前端安装接头。优选的，所述步骤2）中根据导向叶片毛坯设计包套，其中包套包括主体凹结构、型芯、主体凸结构、盖板和进粉管，所述主体凹结构与主体凸结构设有挖空腔的端面相焊接，其中型芯设置于主体凹结构与主体凸结构的挖空腔内，并且型芯一端与主体凹结构与主体凸结构连接处相焊接并密封，其中主体凹结构、型芯和主体凸结构装配在一起后形成的腔体结构与导向叶片毛坯相同，所述盖板尺寸大的一端与主体凹结构和主体凸结构相接的另一端面连接，其中进粉管穿过盖板尺寸小一端的中心位置，其中进粉管与腔体结构贯通。优选的，所述主体凹结构为长方体结构，主体凹结构一侧面中间位置设置有与导向叶片毛坯相同的凹型挖空腔，并且凹型挖空腔端部设置有与安装接头毛坯结构相同的腔体，主体凹结构另一端设置有与型芯相适配的槽体；所述主体凸结构为长方体结构，其中主体凸结构一侧面中间位置设置有与导向叶片毛坯相同的凸型挖空腔，并且凸型挖空腔端部设置有与安装接头毛坯结构相同的腔体，所述型芯为“T”型结构，将主体凹结构的凹型挖空腔、型芯和主体凸结构的凸型挖空腔扣合焊接后，形成的腔体结构与导向叶片毛坯相同。优选的，所述步骤3）TC4钛合金球形粉末制备具体为：采用旋转电极法制备TC4钛合金球形粉末，其中电极直径为Φ40～80mm，长度为100～800mm，熔炼电流1000～1500A，转速15000～30000rpm。优选的，所述步骤4）具体为：将TC4钛合金球形粉末从包套的进粉端填充入包套空腔内，并振实TC4钛合金球形粉末，其中电机振动频率15~22HZ，持续振动30min，确保粉末不下粉为止，将装有TC4钛合金球形粉末的包套整体抽空，真空度达到小于1×10-2Pa后焊接密封。优选的，所述步骤5）具体为：将装有TC4钛合金球形粉末的包套整体置于热等静压炉内，抽空后充入氩气，其中热等静压炉的压力为120～200MPa，温度为910～930℃，保温2.5～3.5h。优选的，所述步骤6）具体为：先采用机加工去除大量多余的包套，留少量余量采用8～30wt%硫酸/5～20wt%硝酸酸蚀，保持常温下酸洗，直至完全腐蚀包套材料，获得空心的导向叶片毛坯。优选的，所述步骤7）具体为：将导向叶片毛坯放置于加热炉中，热处理温度为840～860℃，保温2h后随炉冷却。优选的，所述步骤8）具体为：采用数控机床粗机加工，去除导向叶片毛坯两端多余的坯料，并预留3mm余量；优选的，步骤9）在氩气保护环境下，采用等离子焊，封堵导向叶片毛坯两端的空洞，其中焊丝直径为Φ1.2mmTC4焊丝，等离子电流160A，电压22~25V，氩气流量3.1L/min；步骤10）采用数控机床进行导向叶片两端安装接头的机加，将导向叶片毛坯小尺寸端机加工成前端安装接头，将导向叶片毛坯大尺寸端机加工成后端安装接头。相对于现有技术，本专利技术的优点在于：（1）本专利技术提出了一种基于热等静压工艺的空心出口导向叶片的制备方法，该方法制备的空心出口导向叶片在满足轻质、强抗外击损伤能力条件下，可以满足大尺寸出口导向叶片对不同内部空腔的设计要求，无需设计复杂模具，数控机床机加即可，加工工艺简单，加工自由度高，零件的尺寸精度可控，获得的材料性能更优异；相对于扩散连接/超塑性成形组合工艺下的钛合金出口导本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于热等静压工艺的空心出口导向叶片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1）根据导向叶片设计导向叶片毛坯；/n步骤2）根据导向叶片毛坯设计包套；/n步骤3）制备TC4钛合金球形粉末；/n步骤4）将步骤3）制备的TC4钛合金球形粉末装入步骤2）所述包套中，并且除气封焊；/n步骤5）将装有TC4钛合金球形粉末的包套放置于热等静压炉内进行热等静压；/n步骤6）去除包套，得到导向叶片毛坯；/n步骤7）将步骤6）导向叶片毛坯进行热处理；/n步骤8）将步骤7）导向叶片毛坯粗机加工，去除两端多余的坯料；/n步骤9）焊接导向叶片毛坯两端空洞；/n步骤10）将导向叶片毛坯进行精机加工得到导向叶片，并在导向叶片表面进行喷丸处理。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于热等静压工艺的空心出口导向叶片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1）根据导向叶片设计导向叶片毛坯；
步骤2）根据导向叶片毛坯设计包套；
步骤3）制备TC4钛合金球形粉末；
步骤4）将步骤3）制备的TC4钛合金球形粉末装入步骤2）所述包套中，并且除气封焊；
步骤5）将装有TC4钛合金球形粉末的包套放置于热等静压炉内进行热等静压；
步骤6）去除包套，得到导向叶片毛坯；
步骤7）将步骤6）导向叶片毛坯进行热处理；
步骤8）将步骤7）导向叶片毛坯粗机加工，去除两端多余的坯料；
步骤9）焊接导向叶片毛坯两端空洞；
步骤10）将导向叶片毛坯进行精机加工得到导向叶片，并在导向叶片表面进行喷丸处理。


2.根据权利要求1所述的一种基于热等静压工艺的空心出口导向叶片的制备方法，其特征在于：所述步骤1）中导向叶片包括叶身（1）、前端安装接头（2）和后端安装接头（3），其中叶身（1）一侧面为凹面，叶身（1）另一侧面为凸面，所述导向叶片毛坯包括内部贯通的叶身毛坯（4）和安装接头毛坯（5），其中叶身毛坯（4）的轴向尺寸大于叶身（1）的轴向尺寸，其中叶身毛坯（4）与叶身（1）径向尺寸及两侧面的凹面和凸面相同，所述叶身毛坯（4）一端连接安装接头毛坯（5），其中安装接头毛坯（5）为方形，安装接头毛坯（5）用于机加工成后端安装接头（3），叶身毛坯（4）远离安装接头毛坯（5）的一侧用于机加工成前端安装接头（2）。


3.根据权利要求2所述的一种基于热等静压工艺的空心出口导向叶片的制备方法，其特征在于：所述步骤2）中根据导向叶片毛坯设计包套，其中包套包括主体凹结构（6）、型芯（7）、主体凸结构（8）、盖板（9）和进粉管（10），所述主体凹结构（6）与主体凸结构（8）设有挖空腔的端面相焊接，其中型芯（7）设置于主体凹结构（6）与主体凸结构（8）的挖空腔内，并且型芯（7）一端与主体凹结构（6）与主体凸结构（8）连接处相焊接并密封，其中主体凹结构（6）、型芯（7）和主体凸结构（8）装配在一起后形成的腔体结构与导向叶片毛坯相同，所述盖板（9）尺寸大的一端与主体凹结构（6）和主体凸结构（8）相接的另一端面连接，其中进粉管（10）穿过盖板（9）尺寸小一端的中心位置，其中进粉管（10）与腔体结构贯通。


4.根据权利要求3所述的一种基于热等静压工艺的空心出口导向叶片的制备方法，其特征在于：所述主体凹结构（6）为长方体结构，主体凹结构（6）一侧面中间位置设置有与导向叶片毛坯相同的凹型挖空腔，并且凹型挖空腔端部设置有与安装接头毛坯（5）结构相同的腔体，主体凹结构（6）另一端设置有与型芯（7）相...

【专利技术属性】
技术研发人员：张国栋，唐洪奎，杨超，周林，卓君，罗成，赖运金，梁书锦，王庆相，瞿宗宏，
申请(专利权)人：西安欧中材料科技有限公司，中国航发商用航空发动机有限责任公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61