[发明专利]一种激光金属直接成形高熵合金涡轮发动机热端部件的方法

说明书

技术领域

本发明属于涡轮发动机热端部件制造技术领域，具体涉及一种激光金属直接成形高熵合金涡轮发动机热端部件的方法。

背景技术

涡轮发动机的热端部件主要包括涡轮叶片和涡轮盘。涡轮叶片是航空发动机的核心部件之一，涡轮叶片由于处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位而被列为第一关键件，并被誉为“王冠上的明珠”，其设计与制造水平将对航空发动机的综合性能产生直接影响。涡轮盘同样是航空发动机具有关键特性的核心部件，它的质量和性能水平，对于发动机和飞机的可靠性、安全寿命和性能的提高具有决定性的影响。航空发动机热端部件的工作环境温度一般在1000℃以上，并且燃烧室中燃气温度越高，能源利用率越高、发动机产生的推力越大，因此在大推力要求下，涡轮发动机热端部件的高温性能成为了制约其发展的一个重要因素。

目前的涡轮发动机热端部件主要采用传统高温合金通过熔模铸造的方法加工成形：首先通过热压注等工艺制备出具有复杂形状的陶瓷型芯；然后制造出叶片或涡轮盘外形的金属模具，将陶瓷型芯装配在金属模具中，用蜡将金属模具和陶瓷型芯之间的间隙填充后将金属模具去除，从而获得具有内部陶瓷型芯的蜡模；最后，将蜡模进行多次挂浆、干燥等工艺操作，获得一定厚度的叶片或涡轮盘陶瓷型壳；在炉中将蜡熔化流出或蒸发，将型芯型壳一起烧结，从而获得叶片或涡轮盘的陶瓷铸型。这种方法工艺周期长、难度大、成本高，不利于新产品的开发，并且型芯型壳通过装配结合在一起，会引入装配误差导致叶片的偏芯、穿孔等缺陷。同时，传统高温合金在1400℃以上高温力学性能变差，无法满足涡轮发动机进一步提高燃气温度的要求。

高熵合金的高熵效应会抑制脆性金属间化合物的出现，促进元素混合形成简单的体心立方或面心立方结构，甚至附带另一晶间化合物相或者形成非晶结构，提高合金了高温性能。由多种高熔点金属混合形成的高熵合金在1600℃时屈服强度超过了400MPa，远高于传统的高温合金。同时也因为高熵合金的高熔点导致传统的熔模铸造手段很难对其进行加工制造，目前的陶瓷铸型根本无法满足如此高温度的要求，因此用传统加工方法很难获得高熵合金的零部件。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种激光金属直接成形高熵合金涡轮发动机热端部件的方法，该方法利用激光金属直接成形技术将高熵合金粉末直接加工成形为涡轮发动机的热端部件，并通过适当的热处理、精加工以及表面处理等工艺使其满足使用要求。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种激光金属直接成形高熵合金涡轮发动机热端部件的方法，包括如下步骤：

1)从高熔点金属粉末钨、钛、锆、铪、钒、铌、钽及钼中任意选取五种或五种以上，按照一定摩尔比混合均匀后，制得适用于激光金属直接成形工艺的高熵合金粉末；

2)对待制造的涡轮发动机热端部件建立三维实体模型，然后对三维模型进行切片分层，得到各个截面的轮廓数据；

3)将得到的轮廓数据导入Magics软件，对三维实体模型添加辅助支撑结构，得到stl格式文件并导入激光金属直接成形设备；

4)采用激光金属直接成形法快速成形出待制造的涡轮发动机热端部件坯体；

5)对激光金属直接成形制得的涡轮发动机热端部件坯体进行600℃～1000℃的退火处理；

6)将退火处理后的坯体进行精加工和表面处理，最终制得结构致密、高温性能良好、尺寸精度合格的高熵合金涡轮发动机热端部件。

步骤1)所述的高熔点金属粉末混合时，粉末配比采用全域均一比例，或者按照从选取的高熔点金属粉末中部分元素比例随生长高度梯度变化的方式进行配比；

选取的高熔点金属粉末中部分元素比例随生长高度梯度变化的方式进行配比是指根据待加工的涡轮发动机热端部件的需求，在热端部件的纵向或者横向生长方向上通过线性增加某一种高熔点金属粉末的含量增强局部性能。

高熔点金属粉末混合时每种元素的原子百分比介于5％～30％之间。

根据不同的高熔点金属粉末混合配比，由于这八种高熔点金属的蒸汽压不相同，因此需要根据不同的合金配比，调节LMDF中激光器的功率，以保证成形的高熵合金部件中各元素的配比和高熵合金的性能；根据不同的高熔点金属粉末混合配比，调节激光金属直接成形过程中的激光器功率，以不使所选金属中蒸发焓最低的金属汽化为基准选取，一般为150W～250W；