[發明專利]一種難變形材料的空心渦輪葉片的多功能場輔助制造方法

在審

• 申請號: 202210798975.8
• 申請日: 2022-07-12
• 公開（公告）號: CN115194314A
• 公開（公告）日: 2022-10-18
• 發明（設計）人: 湯澤軍;顧鑫;陶克梅
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: B23K20/10
• 分類號: B23K20/10;B23P15/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供了一種難變形材料的空心渦輪葉片的多功能場輔助制造方法，用于解決傳統的鑄造空心渦輪葉片的方法工藝過程復雜、成形難度大的問題，其技術要點在于：包括如下步驟，第一步，材料準備；第二步，電輔助超聲固結成形；第三步，磨削、銑削；第四步，沖壓成形；第五步，熱等靜壓燒結；第六步，熱處理，第七步，表面修形，得到空心渦輪葉片。本發明的空心渦輪葉片的制造方法簡化了工藝流程，降低了成形難度并降低加工成本。

技術領域

本發明涉及渦輪葉片加工技術領域，尤其涉及空心渦輪葉片的一種電輔助超聲增材制造方法。

背景技術

超聲固結增材制造技術是一種新型的固態制造工藝，該技術利用超聲波金屬塑性加工原理，以金屬箔材為原材料，使用超聲波的高頻振動，使箔材層與層之間的接觸界面在靜壓力和高頻振動的共同作用下，通過摩擦、溫升等作用促進界面之間金屬原子無限接近、產生結合與擴散，實現層與層之間的固態冶金結合。與傳統制造技術相比，超聲固結的可設計性較好，可以通過層間箔材的分布和形貌設計，制造具有復雜內部通道、空腔的復雜零件。此外，通過不同材料箔材的匹配，能夠制備出單一材料無法實現的高性能材料。

空心渦輪葉片是航空發動機和燃氣輪機的核心部件，對國家經濟發展和國防安全具有深遠的意義。因其結構復雜、精度要求高而難以制造。制備空心渦輪葉片的工藝主要為熔模精鑄工藝。在傳統的鑄造空心渦輪葉片的方法中，首先需要制造型芯，然后在型芯表面制作葉片的蠟模，繼而采用多次涂掛的方法在葉片的蠟模表面形成型殼，最后，熔化葉片的蠟模得到空心蝸輪葉片的鑄型。此外，鑄造葉片的顯微組織較為粗大，葉片不同部位的組織差別較大，且鑄造葉片的材料性能分散性較大、性能相對較低。該工藝具有制造周期長、工藝復雜、成品率低等問題。

鎳鋁基高溫合金具有良好抗氧化性能與抗腐蝕性能，并且在溫度達1000℃的情況下仍然能夠保持比較高的強度，蠕變強度和持久強度。但是鎳鋁基合金一般具有較大摩擦系數、較低的導熱系數、較小的刀屑面積，并且強度大，因此在對其進行加工時，很容易出現加工硬化的現象，并且對加工刀具傷害較大、需要高的加工溫度和大的加工切削力，因此限制了它的應用。鎳鋁基高溫合金之所以難以加工，其加工時主要存在這幾方面的難題：塑性變形很大、不容易保證精度、表面質量差、硬化現象嚴重以及加工刀具磨損快。

經檢索，發現中國發明專利：航空發動機渦輪葉片熱等靜壓近凈成型方法，公開號：CN 113664199A，申請號：202110959791.0，該發明公開一種航空發動機渦輪葉片的熱等靜壓凈成型方法：“所述航空發動機渦輪葉片的制造方法包括設計包套；向包套中填充金屬粉末，并對金屬粉末進行充分振實，直至凹腔和半腔體中均填充滿金屬粉末；對包套進行加熱抽真空處理，之后再對主體凸和主體凹之間進行焊接密封；包套放入熱等靜壓爐內進行熱等靜壓致密處理；對包套進行酸腐去除，得到葉片毛坯；對葉片毛坯進行真空熱處理；對葉片毛坯的兩端進行榫頭和葉冠加工，得到航空發動機渦輪葉片。”該發明采用的是難變形金屬合金的粉末進行渦輪葉片的制造，為粉體燒結形成整體結構的過程，不是由異種單質金屬材料通過冶金反應形成難變形合金材料的過程。此外，該方法在加工之前還要進行金屬合金粉末的制備，并且對合金化渦輪葉片坯料的葉片和榫頭加工難度較大。

經檢索，發現中國發明專利：3D打印渦輪葉片的制備方法和渦輪導向葉片，公開號：CN110918987B，申請號：201911042078.9，該發明公開了一種3D打印渦輪葉片的制備方法和渦輪導向葉片：“所述3D打印渦輪葉片的制備方法和渦輪導向葉片包括通過三維建模軟件建立導向葉片模型；將導向葉片模型導入3D打印設備中，通過選區激光熔化鎳基合金粉末，鎳基合金粉末的粒度為20μm～50μm，獲得導向葉片；將導向葉片進行至少三次熱處理，第一次熱處理采用加熱溫度1100℃～1200℃保溫2h～3h后空冷；第二次熱處理采用加熱溫度850℃～950℃保溫7h～8h后空冷；第三次熱處理采用加熱溫度700℃～850℃保溫20h～30h后空冷，獲得渦輪導向葉片。”該發明同樣使用的原材料為合金粉末，不存在箔材形成合金材料的過程，并且制備工藝復雜且耗時，后面的熱處理雖然能夠改善渦輪導向葉片的強度，但步驟繁瑣，能量消耗大。