專利名稱：一種鈦合金轉(zhuǎn)子近凈制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及粉末冶金領(lǐng)域，鈦合金轉(zhuǎn)子近凈制造方法，具體涉及一種可應(yīng)用于新 一代大運(yùn)載液體火箭氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)用復(fù)雜、薄壁結(jié)構(gòu)鈦合金轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)件制造方法。
背景技術(shù)：
鈦合金轉(zhuǎn)子應(yīng)用于我國(guó)航天新一代運(yùn)載火箭高性能發(fā)動(dòng)機(jī)，是重要的高速旋轉(zhuǎn)零 部件之一，只有保證鈦合金轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度在最高轉(zhuǎn)速情況下仍具有較大的裕度，才能滿足發(fā) 動(dòng)機(jī)的使用要求。鈦合金轉(zhuǎn)子具有形狀非常復(fù)雜、工礦惡劣、對(duì)材料性能及產(chǎn)品可靠性要求極高等 特點(diǎn)。采用精密鑄造制備鈦合金轉(zhuǎn)子，由于鑄造工藝本身的因素，使得產(chǎn)品表面及內(nèi)部存在 大量氣孔、砂眼、粘砂、縮孔、夾雜、微裂紋等缺陷，內(nèi)部組織過(guò)分粗大，經(jīng)過(guò)高速旋轉(zhuǎn)以后， 在葉片的表面或內(nèi)部出現(xiàn)裂紋缺陷，嚴(yán)重時(shí)葉片會(huì)發(fā)生延遲斷裂，而且葉片的尺寸精度和 形位精度也達(dá)不到要求，表面粗糙度很差，產(chǎn)品具有各向異性，精密鑄造鈦合金轉(zhuǎn)子無(wú)法滿 足使用要求。精密鑄造鈦合金轉(zhuǎn)子已不能滿足高性能氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的使用需求，鈦合金粉末冶金 技術(shù)已成為制造此類產(chǎn)品的重要發(fā)展方向。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)粉末冶金鈦合金技術(shù)制備運(yùn)載 火箭用轉(zhuǎn)子的公開報(bào)道較少。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種滿足高性能氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的使用需求，鈦合金轉(zhuǎn)子性能 高，尺寸精度高，表面質(zhì)量高的鈦合金轉(zhuǎn)子近凈制造方法。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案在于一種鈦合金轉(zhuǎn)子近凈成形制造方法，該方法包 括如下步驟(a)加工芯模及包套采用低碳鋼機(jī)械加工芯模和包套；(b)制備鈦合金球形粉末采用等離子旋轉(zhuǎn)電極制備鈦合金球形粉末，其中鈦電 極直徑在Φ 40 60mm，轉(zhuǎn)速為13000 18000rpm，霧化形成鈦合金球形粉，篩取收集粒度 在45 150 μ m鈦合金球形粉；(c)裝配芯模和填粉、除氣將芯模裝配入包套內(nèi)，固定后均勻裝填步驟(b)所得 鈦合金球形粉，然后焊封包套蓋，并在包套上焊接除氣管；對(duì)包套抽取至真空度小于或等于 l(T3Pa，升溫至650 800°C，保溫5 8h ；(d)熱等靜壓處理將步驟(C)所得包套整體置于熱等靜壓爐內(nèi)，抽真空打壓，壓 力在60 80MPa ；然后開始升溫，溫度升至900 950°C，壓力彡120MPa，保溫保壓2 3h 后冷卻取出包套；(e)去除包套、化銑脫模機(jī)械加工去除包套，直至露出鈦合金與芯模界面；然后 與將化銑工裝連接，接通電源，以芯模為陽(yáng)極、鉛銻合金為陰極，采用濃度為3 25襯％的 硫酸溶液，溫度在10 35°C，電壓在3 20V，腐蝕掉芯模，得到鈦合金轉(zhuǎn)子。
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如上所述的一種鈦合金轉(zhuǎn)子近凈成形制造方法，其在步驟(b)中，均勻裝填鈦合 金球形粉是在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行2 3次的振實(shí)，每次持續(xù)時(shí)間10 30s。如上所述的一種鈦合金轉(zhuǎn)子近凈成形制造方法，其在步驟(e)化銑過(guò)程中施加機(jī) 械攪拌，以加速脫芯模進(jìn)程。本發(fā)明的效果在于本發(fā)明采用等離子旋轉(zhuǎn)電極制備低溫鈦合金球形粉末，以金屬材質(zhì)加工芯模及包 套，優(yōu)化熱等靜壓工藝參數(shù)，機(jī)械去除包套，化銑脫除芯模，可制造出復(fù)雜、薄壁、半封閉結(jié) 構(gòu)高性能鈦合金轉(zhuǎn)子。本發(fā)明制造的鈦合金轉(zhuǎn)子，材料性能高(σ b彡795MPa, δ5 ^ 11.5% ),已達(dá)到鍛 件的性能水平，成品率高，凈成形葉片尺寸精度高(壁厚4士0. 2mm)，表面質(zhì)量高(表面粗糙 度>1^3.2)，產(chǎn)品具有各向同性。并且采用本發(fā)明方案，工序簡(jiǎn)單，熱等靜壓設(shè)備爐腔直徑 ^ 360mm即可，不需要大型電阻爐。本發(fā)明制造的鈦合金轉(zhuǎn)子在真空環(huán)境下已順利通過(guò)超轉(zhuǎn)試驗(yàn)，35000rpm、持續(xù) 30min,經(jīng)檢測(cè)葉片表面及內(nèi)部均未發(fā)現(xiàn)任何缺陷(精密鑄造件在28000rpm時(shí)，葉片根部就 出現(xiàn)裂紋)。


圖1為制造鈦合金轉(zhuǎn)子裝配圖；圖中1.包套；2.除氣管；3.芯模；4.低溫鈦合金球形粉末。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所述的一種鈦合金轉(zhuǎn)子近凈成形制造方法 作進(jìn)一步描述。實(shí)施例1本發(fā)明所述的鈦合金轉(zhuǎn)子近凈成形制造方法步驟如下(a)加工芯模及包套采用低碳鋼、依據(jù)待制得的鈦合金轉(zhuǎn)子流道腔機(jī)械加工芯 模3和包套1 ；考慮到后續(xù)鈦合金粉末的收縮致密化，包套的內(nèi)徑和高度要留有一定余量。(b)制備鈦合金球形粉末采用等離子旋轉(zhuǎn)電極制備鈦合金球形粉末，其中鈦電 極直徑在Φ40πιπι，轉(zhuǎn)速為18000rpm，霧化形成鈦合金球形粉，篩取收集粒度在45 150 μ m 鈦合金球形粉；(c)裝配芯模和填粉、除氣如圖1所示，將芯模3裝配入包套1內(nèi)，固定后均勻裝 填步驟(b)所得鈦合金球形粉4，在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行2次的振實(shí)，每次持續(xù)時(shí)間30s。然后焊 封包套蓋，并在包套上焊接除氣管2。將包套放置在電阻爐內(nèi)，除氣管2接入真空機(jī)組，抽取 至真空度小于或等于10_3Pa，將包套升溫至650°C，保溫8h ；在除氣管2根部進(jìn)行人工鍛封。(d)熱等靜壓處理將步驟(C)所得包套1整體置于熱等靜壓爐內(nèi)，抽真空打壓， 真空度在10_2，壓力在60MPa ；然后開始升溫，溫度升至900°C，壓力彡120MPa，保溫保壓3h， 爐冷至300°C以下取出包套1 ；(e)去除包套、化銑脫模機(jī)械加工去除包套1，直至露出鈦合金與芯模界面；然后 與將化銑工裝連接，接通電源，以芯模3為陽(yáng)極、鉛銻合金為陰極，采用濃度為3wt%的硫酸溶液，溫度在35°C，電壓在20V，腐蝕掉芯模，得到鈦合金轉(zhuǎn)子?；姼g過(guò)程中施加機(jī)械攪 拌，以加速脫芯模進(jìn)程。對(duì)所得鈦合金轉(zhuǎn)子，由于葉片和流道是凈成形，不需再加工。實(shí)施例2本發(fā)明所述的鈦合金轉(zhuǎn)子近凈成形制造方法步驟如下(a)加工芯模及包套采用低碳鋼、依據(jù)待制得的鈦合金轉(zhuǎn)子流道機(jī)械加工芯模3 和包套1 ；考慮到后續(xù)鈦合金粉末的收縮致密化，包套的內(nèi)徑和高度要留有一定余量。(b)制備鈦合金球形粉末采用等離子旋轉(zhuǎn)電極制備鈦合金球形粉末，其中鈦電 極直徑在Φ60πιπι，轉(zhuǎn)速為13000rpm，霧化形成鈦合金球形粉，篩取收集粒度在45 150 μ m 鈦合金球形粉；(c)裝配芯模和填粉、除氣如圖1所示，將芯模3裝配入包套1內(nèi)，固定后均勻裝 填步驟(b)所得鈦合金球形粉4，在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行3次的振實(shí)，每次持續(xù)時(shí)間10s。然后焊 封包套蓋，并在包套上焊接除氣管2。將包套放置在電阻爐內(nèi)，除氣管2接入真空機(jī)組，抽取 至真空度小于或等于10_3Pa，將包套升溫至800°C，保溫5h ；在除氣管2根部進(jìn)行人工鍛封。(d)熱等靜壓處理將步驟(C)所得包套1整體置于熱等靜壓爐內(nèi)，抽真空打壓， 壓力在80MPa ；然后開始升溫，溫度升至950°C，壓力彡120MPa，保溫保壓2h，爐冷至300°C 以下取出包套1 ；(e)去除包套、化銑脫模機(jī)械加工去除包套1，直至露出鈦合金與芯模界面；然后 與將化銑工裝連接，接通電源，以芯模3為陽(yáng)極、鉛銻合金為陰極，采用濃度為25wt%的硫 酸溶液，溫度在10°C，電壓在3V，腐蝕掉芯模，得到鈦合金轉(zhuǎn)子?；姼g過(guò)程中施加機(jī)械 攪拌，以加速脫芯模進(jìn)程。對(duì)所得鈦合金轉(zhuǎn)子，由于葉片和流道是凈成形，不需再加工。實(shí)施例3本發(fā)明所述的鈦合金轉(zhuǎn)子近凈成形制造方法步驟如下(a)加工芯模及包套采用低碳鋼、依據(jù)待制得的鈦合金轉(zhuǎn)子流道機(jī)械加工芯模3 和包套1 ；考慮到后續(xù)鈦合金粉末的收縮致密化，包套的內(nèi)徑和高度要留有一定余量。(b)制備鈦合金球形粉末采用等離子旋轉(zhuǎn)電極制備鈦合金球形粉末，其中鈦電 極直徑在Φ 50mm，轉(zhuǎn)速為15000rpm，霧化形成鈦合金球形粉，篩取收集粒度在45 150 μ m 鈦合金球形粉；(c)裝配芯模和填粉、除氣如圖1所示，將芯模3裝配入包套1內(nèi)，固定后均勻裝 填步驟(b)所得鈦合金球形粉4，在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行3次的振實(shí)，每次持續(xù)時(shí)間20s。然后焊 封包套蓋，并在包套上焊接除氣管2。將包套放置在電阻爐內(nèi)，除氣管2接入真空機(jī)組，抽取 至真空度小于或等于10_3Pa，將包套升溫至700°C，保溫6h ；在除氣管2根部進(jìn)行人工鍛封。(d)熱等靜壓處理將步驟(C)所得包套1整體置于熱等靜壓爐內(nèi)，抽真空打壓， 壓力在70MPa ；然后開始升溫，溫度升至950°C，壓力彡120MPa，保溫保壓3h，爐冷至300°C 以下取出包套1 ；(e)去除包套、化銑脫模機(jī)械加工去除包套1，直至露出鈦合金與芯模界面；然后 與將化銑工裝連接，接通電源，以芯模3為陽(yáng)極、鉛銻合金為陰極，采用濃度為15wt%的硫 酸溶液，溫度在30°C，電壓在15V，腐蝕掉芯模，得到鈦合金轉(zhuǎn)子?；姼g過(guò)程中施加機(jī)械 攪拌，以加速脫芯模進(jìn)程。對(duì)所得鈦合金轉(zhuǎn)子，由于葉片和流道是凈成形，不需再加工。
權(quán)利要求
一種鈦合金轉(zhuǎn)子近凈成形制造方法，其特征在于該方法包括如下步驟(a)加工芯模及包套采用低碳鋼機(jī)械加工芯模(3)和包套(1)；(b)制備鈦合金球形粉末采用等離子旋轉(zhuǎn)電極制備鈦合金球形粉末，其中鈦電極直徑在Φ40～60mm，轉(zhuǎn)速為13000～18000rpm，霧化形成鈦合金球形粉，篩取收集粒度在45～150μm鈦合金球形粉；(c)裝配芯模和填粉、除氣將芯模(3)裝配入包套(1)內(nèi)，固定后均勻裝填步驟(b)所得鈦合金球形粉(4)，然后焊封包套蓋，并在包套上焊接除氣管(2)；對(duì)包套抽取至真空度小于或等于10 3Pa，升溫至650～800℃，保溫5～8h；(d)熱等靜壓處理將步驟(c)所得包套(1)整體置于熱等靜壓爐內(nèi)，抽真空打壓，壓力在60～80MPa；然后開始升溫，溫度升至900～950℃，壓力≥120MPa，保溫保壓2～3h后隨爐冷卻至300℃以下取出包套(1)；(e)去除包套、化銑脫模機(jī)械加工去除包套(1)，直至露出鈦合金與芯模界面；然后與將化銑工裝連接，接通電源，以芯模(3)為陽(yáng)極、鉛銻合金為陰極，采用濃度為3～25wt％的硫酸溶液，溫度在10～35℃，電壓在3～20V，腐蝕掉芯模，得到鈦合金轉(zhuǎn)子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金轉(zhuǎn)子近凈成形制造方法，其特征在于在步驟(b) 中，均勻裝填鈦合金球形粉(4)是在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行2 3次的振實(shí)，每次持續(xù)時(shí)間10 30s。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金轉(zhuǎn)子近凈成形制造方法，其特征在于在步驟(e) 化銑過(guò)程中施加機(jī)械攪拌，以加速脫芯模進(jìn)程。
全文摘要
本發(fā)明提供一種鈦合金轉(zhuǎn)子近凈成形制造方法，該方法包括如下步驟(a)加工芯模及包套；(b)制備鈦合金球形粉末；(c)裝配芯模和填粉、除氣；(d)熱等靜壓處理；(e)去除包套、化銑脫模。本發(fā)明采用等離子旋轉(zhuǎn)電極制備低溫鈦合金球形粉末，以金屬材質(zhì)加工芯模及包套，優(yōu)化熱等靜壓工藝參數(shù)，機(jī)械去除包套，化銑脫除芯模，可制造出復(fù)雜、薄壁、半封閉結(jié)構(gòu)高性能鈦合金轉(zhuǎn)子。本發(fā)明制造的鈦合金轉(zhuǎn)子，材料性能高，已達(dá)到鍛件的性能水平，成品率高，凈成形葉片尺寸精度高，表面質(zhì)量高，產(chǎn)品具有各向同性。
文檔編號(hào)B22F3/04GK101954481SQ201010219020
公開日2011年1月26日 申請(qǐng)日期2010年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月7日
發(fā)明者呂宏軍, 李圣剛, 王琪 申請(qǐng)人:航天材料及工藝研究所