[發(fā)明專利]一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)雙合金雙性能渦輪盤及其制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310681920.X
• 申請日: 2013-12-12
• 公開（公告）號: CN104712371A
• 公開（公告）日: 2015-06-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 白國娟;韓品連;侯乃先;周超羨
• 申請（專利權(quán)）人: 中航商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司
• 主分類號: F01D5/02
• 分類號: F01D5/02;B22F3/105;B22F5/08
• 代理公司: 中國國際貿(mào)易促進(jìn)委員會(huì)專利商標(biāo)事務(wù)所 11038
• 代理人: 顏鏑

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域，尤其是關(guān)于一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)雙合金雙性能渦輪盤及其制備方法。

背景技術(shù)

渦輪盤是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件之一，承擔(dān)著將燃?xì)馔苿?dòng)渦輪葉片所做的功傳遞至軸以帶風(fēng)扇、壓氣機(jī)等部件工作的任務(wù)。其固有的工作環(huán)境和工作特點(diǎn)可概括如下：

1）渦輪盤位于燃燒室之后，其熱環(huán)境及其嚴(yán)峻，目前的高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤上的溫度已經(jīng)超過了1000K，在這種溫度環(huán)境下，渦輪盤材料的強(qiáng)度性能急劇下降，從而不能滿足壽命及可靠性的要求，所以往往需要對渦輪盤加以冷卻。

2）渦輪盤的工作轉(zhuǎn)速一般超過10000rpm，因此承受極大的離心載荷；由于對渦輪盤的冷卻和熱環(huán)境的分布不均，因此渦輪盤上受到復(fù)雜且隨運(yùn)行工況不斷變化的熱應(yīng)力載荷。所以，渦輪盤上收到的總應(yīng)力水平非常高。

正因?yàn)橐陨咸攸c(diǎn)，渦輪盤是航空發(fā)動(dòng)機(jī)最危險(xiǎn)的部件之一。通常，降低渦輪盤所受應(yīng)力的方法是，通過增大危險(xiǎn)區(qū)域的幾何尺寸以控制渦輪盤上的應(yīng)力水平來保證可靠的強(qiáng)度需求。因此，目前典型的渦輪盤結(jié)構(gòu)形式是：渦輪盤應(yīng)力水平最大的盤心區(qū)域采用幾何尺寸的加厚；由于渦輪盤上的應(yīng)力水平分布特點(diǎn)是沿徑向逐漸降低的，因此渦輪盤輻板區(qū)域的厚度沿徑向逐漸變薄以減輕質(zhì)量；由于渦輪盤的盤緣必須承受葉片的拉力作用，因此渦輪盤的盤緣區(qū)域的厚度再次逐漸加厚。需要注意的是，增大幾何尺寸將直接導(dǎo)致渦輪盤質(zhì)量的增加和發(fā)動(dòng)機(jī)性能的降低，所以增加幾何尺寸并不被鼓勵(lì)。為盡量緩解由于保證強(qiáng)度帶來的渦輪盤質(zhì)量的增加，在渦輪盤的結(jié)合形狀大致確定后，還需通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)做進(jìn)一步的調(diào)整。

而且航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤在工作過程中不同部位承受的溫度和應(yīng)力載荷不同。航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤的輪轂部位承受較高應(yīng)力和較低溫度，航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤的輪緣部位承受較低應(yīng)力和較高溫度。這就要求航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤的輪緣部位在較高溫下具有高的持久、蠕變強(qiáng)度和損傷容限，航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤的輪轂部位在較低溫度下具有高的屈服強(qiáng)度和低周疲勞性能。雙性能渦輪盤（dual?property?disk）是一種在處于較高溫度下工作時(shí)，其輪緣部位具有高的持久、蠕變強(qiáng)度，在處于較低溫度下工作時(shí)，其輪轂部位具有高的屈服和低周疲勞性能的渦輪盤。但是普通的雙性能渦輪盤是通過改變不同部位的晶粒度來提高不同部位的耐溫或者屈服強(qiáng)度。改變不同部位的晶粒度是為了獲得細(xì)晶組織和粗晶組織，但是改變不同部位晶粒度的工藝控制過程十分復(fù)雜，難度大，制造成本高。并且單一合金雙組織產(chǎn)生的雙性能必然受到合金自身性能的約束，并不能完全發(fā)揮雙性能渦輪盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述問題，本發(fā)明的目的在于提出一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)雙合金雙性能渦輪盤及其制備方法，其無需增加航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤的厚度，且制備工藝相對簡單，成本低，能夠在很大程度上降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤上的最大應(yīng)力，從而提高渦輪盤壽命。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)雙合金雙性能渦輪盤，它包括盤心區(qū)域和輻板區(qū)域，所述盤心區(qū)域靠近中軸的部位采用的材料為第一合金材料，所述盤心區(qū)域其他部位以及所述輻板區(qū)域采用的材料為第二合金材料，所述第一合金材料的線膨脹系數(shù)大于所述第二合金材料的線膨脹系數(shù)。

進(jìn)一步的，所述盤心區(qū)域靠近中軸的部位中采用所述第一合金材料的區(qū)域占所述盤心區(qū)域的比例，以及所述盤心區(qū)域靠近中軸的部位中采用所述第一合金材料的區(qū)域的具體位置，由采用的所述第一合金材料的線膨脹系數(shù)及所述盤心區(qū)域所受應(yīng)力最大的區(qū)域確定。

進(jìn)一步的，所述盤心區(qū)域靠近中軸的部位中采用所述第一合金材料的區(qū)域占所述盤心區(qū)域的比例為5%-50%。

進(jìn)一步的，所述第一合金材料的線膨脹系數(shù)由所述盤心區(qū)域靠近中軸的部位中采用所述第一合金材料的區(qū)域的大小確定，且滿足所述第一合金材料與所述第二合金材料的接觸面之間的集中應(yīng)力小于所述盤心區(qū)域所受的最大應(yīng)力的條件。

進(jìn)一步的，所述第一合金材料的線膨脹系數(shù)比所述第二合金材料的線膨脹系數(shù)提高了5%-80%。

進(jìn)一步的，所述第二合金材料采用的是FGH96合金，所述第一合金材料的線膨脹系數(shù)比所述第二合金材料的線膨脹系數(shù)提高了10%，所述盤心區(qū)域靠近中軸的部位中采用所述第一合金材料的區(qū)域占所述盤心區(qū)域的比例為30%。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了一種上述的航空發(fā)動(dòng)機(jī)雙合金雙性能渦輪盤的制備方法，其特征在于，它包括以下步驟：

1）通過有限元計(jì)算渦輪盤所受到的應(yīng)力，確定渦輪盤所受應(yīng)力最大的區(qū)域位于渦輪盤的盤心區(qū)域靠近中軸的部位內(nèi)；