[發明專利]一種基于選區激光熔化的高熵合金渦輪發動機熱端部件的制造方法

有效

• 申請號: 201410583314.9
• 申請日: 2014-10-27
• 公開（公告）號: CN104308153A
• 公開（公告）日: 2015-01-28
• 發明（設計）人: 張航;魯中良;楊強;李滌塵
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B22F5/04;B22F5/10
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

技術領域

本發明屬于渦輪發動機熱端部件制造技術領域，具體涉及一種基于選區激光熔化的高熵合金渦輪發動機熱端部件的制造方法。

背景技術

渦輪發動機的熱端部件主要包括渦輪葉片和渦輪盤。渦輪葉片是航空發動機的核心部件之一，渦輪葉片由于處于溫度最高、應力最復雜、環境最惡劣的部位而被列為第一關鍵件，并被譽為“王冠上的明珠”，其設計與制造水平將對航空發動機的綜合性能產生直接影響。渦輪盤同樣是航空發動機具有關鍵特性的核心部件，它的質量和性能水平，對于發動機和飛機的可靠性、安全壽命和性能的提高具有決定性的影響。航空發動機熱端部件的工作環境溫度一般在1000℃以上，并且燃燒室中燃氣溫度越高，能源利用率越高、發動機產生的推力越大，因此在大推力要求下，渦輪發動機熱端部件的高溫性能成為了制約其發展的一個重要因素。

目前的渦輪發動機熱端部件主要采用傳統高溫合金通過熔模鑄造的方法加工成形：首先通過熱壓注等工藝制備出具有復雜形狀的陶瓷型芯；然后制造出葉片外形的金屬模具，將陶瓷型芯裝配在金屬模具中，用蠟將金屬模具和陶瓷型芯之間的間隙填充后將金屬模具去除，從而獲得具有內部陶瓷型芯的蠟模；最后，將蠟模進行多次掛漿、干燥等工藝操作，獲得一定厚度的葉片陶瓷型殼；在爐中將蠟熔化流出或蒸發，將型芯型殼一起燒結，從而獲得葉片的陶瓷鑄型。這種方法工藝周期長、難度大、成本高，不利于新產品的開發，并且型芯型殼通過裝配結合在一起，會引入裝配誤差導致葉片的偏芯、穿孔等缺陷。同時，傳統高溫合金在1400℃以上高溫力學性能變差，無法滿足渦輪發動機進一步提高燃氣溫度的要求。

高熵合金的高熵效應會抑制脆性金屬間化合物的出現，促進元素混合形成簡單的體心立方或面心立方結構，甚至附帶另一晶間化合物相或者形成非晶結構，提高合金了高溫性能。由多種高熔點金屬混合形成的高熵合金在1600℃時屈服強度超過了400MPa，遠高于傳統的高溫合金。同時也因為高熵合金的高熔點導致傳統的熔模鑄造手段很難對其進行加工制造，目前的陶瓷鑄型根本無法滿足如此高溫度的要求，因此用傳統加工方法很難獲得高熵合金的零部件。

發明內容

為了克服上述現有技術存在的缺陷，本發明的目的在于提供一種基于選區激光熔化的高熵合金渦輪發動機熱端部件的制造方法，該方法利用激光選區熔化技術將高熵合金粉末直接加工成形為渦輪發動機的熱端部件，并通過適當的熱處理、精加工以及表面處理等工藝使其滿足使用要求。

本發明是通過以下技術方案來實現：

一種基于選區激光熔化的高熵合金渦輪發動機熱端部件的制造方法，包括以下步驟：

1)從高熔點金屬粉末鎢、鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭及鉬中任意選取五種或五種以上，混合均勻后，制得適用于選區激光熔化工藝的高熵合金粉末；

2)對待制造的渦輪發動機熱端部件建立三維實體模型，然后通過軟件對三維模型進行切片分層，得到各個截面的輪廓數據，將得到的輪廓數據導入快速成形設備；

3)采用選區激光熔化法，快速成形出待制造的渦輪發動機熱端部件坯體；

4)對選區激光熔化快速成形得到的渦輪發動機熱端部件坯體在600℃～1000℃下進行退火處理；

5)將退火處理后的坯體進行后續精加工處理，最終制得結構致密、高溫性能良好、尺寸精度合格的高熵合金渦輪發動機熱端部件。

步驟1)所述的高熔點金屬粉末混合時，粉末配比采用全域均一比例，或者按照從選取的高熔點金屬粉末中部分元素比例隨生長高度梯度變化的方式進行配比；

選取的高熔點金屬粉末中部分元素比例隨生長高度梯度變化的方式進行配比是指根據待加工的渦輪發動機熱端部件的需求，在熱端部件的縱向或者橫向生長方向上通過線性增加某一種高熔點金屬粉末的含量增強局部性能。

高熔點金屬粉末混合時每種元素的原子百分比介于5％～30％之間。

步驟2)所述的軟件為UG、Pro-E、Catia或SolidWork軟件。

步驟3)所述的選區激光熔化法的具體操作是按照待制造的渦輪發動機熱端部件的形狀要求生成對應的掃描路徑，利用激光將均勻混合的高熵合金粉末熔化形成熔池，熔池快速冷卻凝固后形成金屬沉積層，通過激光的逐層掃描，金屬沉積層之間以冶金結合的形式實現逐層疊加，完成零件的增材制造。

所述利用激光將均勻混合的高熵合金粉末熔化形成熔池時所用激光器的功率為150W～250W。是根據不同的高熔點金屬粉末混合配比，調節選取激光熔化法快速成形處理過程中的激光器功率，以不使所選金屬中蒸發焓最低的金屬汽化為基準選取(一般為150W～250W)。