一种合金盘件热处理装置以及合金盘件热处理方法与流程

1.本发明涉及航空发动机涡轮盘领域，尤其涉及一种合金盘件热处理装置以及合金盘件热处理方法。


背景技术：

2.航空发动机涡轮盘又称为盘件或者涡轮盘，需要在复杂的应力与温度条件下工作，盘芯受到的应力最大，应力沿径向盘外缘逐步减小，盘外缘工作温度最高，工作温度沿径向，朝着盘芯逐步降低。镍基粉末高温合金，由于具有优异的高温强度、蠕变抗力、疲劳抗力、组织稳定性，成为制造高推重比航空发动机涡轮盘的首选材料。
3.现有的涡轮盘处理装置，盘芯、盘缘之间的温差不足，即温度梯度不够合理，力学性能方面不容易满足高标准航空发动机的技术参数要求；此外，现有的涡轮盘处理装置需要定制具有上下炉体的设备，设备形式固定，只能针对固定形状的盘件，在对盘件加热后冷却速度有要求的情况下，盘件转运不方便，导致需要高度自动化设备进行辅助，即兼容性不佳且成本极高。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是：如何设计出一种技术方案，该技术方案能够实现更大的温度梯度，针对不同规格的盘件都可以兼容且成本较低。
5.为解决上述问题，本发明实施例提出一种合金盘件热处理装置以及合金盘件热处理方法，该装置当中隔热工装和水冷块之间的结构设计独特，能够实现更大的温度梯度，针对不同规格的盘件都可以兼容且成本较低。
6.第一方面，本发明实施例提出一种合金盘件热处理装置，应用于涡轮盘，所述涡轮盘包括盘外缘以及盘内缘，所述合金盘件热处理装置包括：上隔热工装、上水冷块、下隔热工装以及下水冷块；所述上隔热工装包括上隔热盘、上隔热套筒，所述上隔热盘与所述上隔热套筒连接，所述上隔热盘直径小于所述涡轮盘直径；所述下隔热工装包括下隔热盘、下隔热套筒，所述下隔热盘与所述下隔热套筒连接，所述下隔热盘直径小于所述涡轮盘直径；所述上水冷块设于所述上隔热工装以及所述盘内缘之间；所述下水冷块设于所述下隔热工装以及所述盘内缘之间；所述盘外缘设于所述上隔热套筒以及所述下隔热套筒之间。
7.其进一步的技术方案为，所述上隔热工装还包括上开口，所述上开口设于所述上隔热盘的中心位置；所述上水冷块还包括上通水管道，所述上通水管道设于所述上水冷块的中心位置；所述下隔热工装还包括下开口，所述下开口设于所述下隔热盘的中心位置；所述下水冷块还包括下通水管道，所述下通水管道设于所述下水冷块的中心位置。
8.其进一步的技术方案为，还包括装置料架，所述装置料架设于所述下隔热工装的下方。
9.其进一步的技术方案为，还包括盘件托架，所述盘件托架沿水平方向包围所述下隔热工装。
10.其进一步的技术方案为，所述盘件托架与所述涡轮盘紧密贴合。
11.其进一步的技术方案为，所述盘件托架包括上框架、下框架以及支撑架；所述上框架与所述下框架平行设置；所述支撑架设于所述上框架与所述下框架之间。
12.其进一步的技术方案为，所述盘件托架还包括多个上握持架以及多个下握持架，多个所述上握持架均与所述上框架连接，多个所述下握持架均与所述下框架连接；多个所述上握持架相对于所述上框架中心对称，多个所述下握持架相对于所述下框架中心对称。
13.其进一步的技术方案为，所述下握持架的长度大于所述上握持架的长度。
14.其进一步的技术方案为，所述上隔热盘半径与所述下隔热盘半径相等；所述上隔热盘半径与所述上隔热套筒半径相等；所述下隔热盘半径与所述下隔热套筒半径相等。
15.第二方面，本发明实施例提出一种合金盘件热处理方法，所述方法应用于如第一方面任一项所述的合金盘件热处理装置，所述方法包括：将下水冷块、下隔热工装、涡轮盘、装置料架以及盘件托架进行组装并放置在台车上；将下水冷块、下隔热工装、涡轮盘、装置料架、盘件托架以及台车共同放入台车炉；安装上隔热工装以及上水冷块，以使上隔热工装和上水冷块均与涡轮盘接触，组成合金盘件热处理装置；对合金盘件热处理装置进行通水冷却；对合金盘件热处理装置、台车以及台车炉进行加热处理；提起上隔热工装以及上水冷块，以使上隔热工装和上水冷块均与涡轮盘脱离；将下水冷块、下隔热工装、涡轮盘、装置料架、盘件托架以及台车共同移出台车炉；通过盘件托架托举涡轮盘并对盘件托架和涡轮盘进行冷却。
16.现有技术中的合金盘件热处理装置需要定制设备，因此设备形式相对固定，只能针对固定形状的盘件进行处理；面对盘件加热后冷却速度有要求的场景，这种设备的盘件转运不方便，兼容性不佳，运转成本极高。本技术所述方案的技术效果为，隔热工装和水冷块之间的结构设计独特，通过上水冷块以及下水冷块能够实现更大的温度梯度，且涡轮盘上下隔热工装夹持的结构使得工程师可以根据涡轮盘的形状灵活替换不同的隔热工装，即针对不同规格的盘件都可以兼容且成本较低。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明实施例提出的一种合金盘件热处理装置的剖面图。
19.图2为本发明实施例提出的一种合金盘件热处理装置的局部图。
20.图3为本发明实施例提出的一种合金盘件热处理装置的外观图。
21.附图标记
22.上隔热工装1、上水冷块10、上隔热盘11、上隔热套筒12、上开口1a、上通水管道10a、下隔热工装2、下水冷块20、下隔热盘21、下隔热套筒22、下开口2a、下通水管道20a、涡轮盘3、盘外缘31、盘内缘32、装置料架4、盘件托架5、上框架51、下框架52、支撑架53、上握持架51a、下握持架52a。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，附图中类似的组件标号代表类似的组件。显然，以下将描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.应当理解，在此本发明实施例说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明实施例。如在本发明实施例说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
25.实施例
26.参见图1-图3，为本发明实施例提出的一种合金盘件热处理装置，该合金盘件热处理装置应用于涡轮盘3，所述涡轮盘3包括盘外缘31以及盘内缘32，所述合金盘件热处理装置包括：上隔热工装1、上水冷块10、下隔热工装2以及下水冷块20；所述上隔热工装1包括上隔热盘11、上隔热套筒12，所述上隔热盘11与所述上隔热套筒12连接，所述上隔热盘11直径小于所述涡轮盘3直径；所述下隔热工装2包括下隔热盘21、下隔热套筒22，所述下隔热盘21与所述下隔热套筒22连接，所述下隔热盘21直径小于所述涡轮盘3直径；所述上水冷块10设于所述上隔热工装1以及所述盘内缘32之间；所述下水冷块20设于所述下隔热工装2以及所述盘内缘32之间；所述盘外缘31设于所述上隔热套筒12以及所述下隔热套筒22之间。
27.上述方案中，所述涡轮盘3即孔式涡轮盘，其中央设有通孔，技术参数优异的涡轮盘可用于航空发动机等工业领域，所述盘外缘31即盘缘，所述盘内缘32即盘芯，所述涡轮盘的心部中空，所述盘内缘32可以相对于所述盘外缘31凸起，所述盘内缘32可以相对于所述涡轮盘3凸起；所述上隔热盘11与所述上隔热套筒12连接且一体成型，所述下隔热盘21与所述下隔热套筒22连接且一体成型；所述上隔热工装1材质为隔热材料且可以为开口式圆筒，所述上水冷块10可以为不锈钢材质，其作用为降温，所述上隔热盘11可以为圆形，所述上隔热套筒12可以为相向贯穿的圆筒；所述下隔热工装2材质为隔热材料且可以为开口式圆筒，所述下水冷块20可以为不锈钢材质，其作用为降温，所述下隔热盘21可以为圆形，所述下隔热套筒22可以为相向贯穿的圆筒；所述上隔热套筒12以及所述下隔热套筒22共同夹持所述涡轮盘3，即所述上隔热工装1以及所述下隔热工装2从上下两个方向罩住所述涡轮盘3的中央部分，所述盘内缘32亦被从上下两个方向罩住，所述涡轮盘3当中未被罩住的部分呈环状，所述盘外缘31亦呈环状，所述盘外缘31内侧设于所述上隔热套筒12以及所述下隔热套筒22之间，即盘外缘31内侧被所述上隔热套筒12以及所述下隔热套筒22共同夹持。
28.现有技术中的合金盘件热处理装置需要定制设备，因此设备形式相对固定，只能针对固定形状的盘件进行处理；面对盘件加热后冷却速度有要求的场景，这种设备的盘件转运不方便，兼容性不佳，运转成本极高。上述方案的技术效果为，隔热工装和水冷块之间的结构设计独特，通过上水冷块以及下水冷块能够实现更大的温度梯度，且涡轮盘上下隔热工装夹持的结构使得工程师可以根据涡轮盘的形状灵活替换不同的隔热工装，即针对不同规格的盘件都可以兼容且成本较低。
29.进一步地，该合金盘件热处理装置的所述上隔热工装1还包括上开口1a，所述上开口1a设于所述上隔热盘11的中心位置；所述上水冷块10还包括上通水管道10a，所述上通水
管道10a设于所述上水冷块10的中心位置；所述下隔热工装2还包括下开口2a，所述下开口2a设于所述下隔热盘21的中心位置；所述下水冷块20还包括下通水管道20a，所述下通水管道20a设于所述下水冷块20的中心位置。其中，涡轮盘3可以包括圆孔、所述上开口1a、所述上通水管道10a、所述涡轮盘3的圆孔、所述下开口2a以及所述下通水管道20a可以贯穿设置，以确保冷却处理的良好效果；所述上开口1a直径可以为所述上隔热盘11直径的五分之一至十分之一，以实现更加合理的降温速率，优化涡轮盘3成品性能；所述下开口2a直径可以为所述下隔热盘21直径的五分之一至十分之一，以实现更加合理的降温速率，优化涡轮盘3成品性能。其技术效果为，可以通过开口和通水管道相配合，实现合金盘件热处理装置的的水冷效果，进而获得更合理的温度梯度。
30.进一步地，该合金盘件热处理装置还包括装置料架4，所述装置料架4设于所述下隔热工装2的下方。其中，所述装置料架4可以为热处理炉料架，用于支撑所述下隔热工装2；所述装置料架4优选具有良好耐热性能的材料制成。其技术效果为，所述装置料架4可以与该合金盘件热处理装置共同加热，而且在加热完成后可以通过移动所述装置料架4来实现该合金盘件热处理装置移出加热用的台车炉。
31.进一步地，该合金盘件热处理装置还包括盘件托架5，所述盘件托架5沿水平方向包围所述下隔热工装2。其中，所述盘件托架5与所述涡轮盘3之间可以接触，以实现对所述涡轮盘3；在所述下隔热工装2抗压参数较强的情况下，所述盘件托架5与所述涡轮盘3之间也可以不接触；所述盘件托架5的形状可以为矩形托架，所述盘件托架5的长和宽均大于所述下隔热工装2的半径。其技术效果为，在移动所述涡轮盘3时，可以通过所述盘件托架5对所述涡轮盘3进行托举，由于所述盘件托架5与所述涡轮盘3共同进行热处理，因此该结构可以有效避免其它部件影响涡轮盘3的性能。
32.进一步地，该合金盘件热处理装置的所述盘件托架5与所述涡轮盘3紧密贴合。其中，所述盘件托架5用于所述涡轮盘3，避免所述下隔热工装2受压力过大而导致破损；所述盘件托架5优选为刚性材质，所述盘件托架5高度可以等于所述下隔热工装2高度。其技术效果为，可以有效保护下隔热工装2，避免涡轮盘3的重量对下隔热工装2造成过度压迫。
33.进一步地，该合金盘件热处理装置的所述盘件托架5包括上框架51、下框架52以及支撑架53；所述上框架51与所述下框架52平行设置；所述支撑架53设于所述上框架51与所述下框架52之间。其中，所述上框架51可以为矩形框架，所述下框架52可以为与所述上框架51形状相同的另一矩形框架；所述上框架51与所述下框架52的作用存在区别，所述上框架51用于在托举时与所述涡轮盘3接触，所述下框架52用于与地面接触，并支撑所述支撑架53，而所述支撑架53又与所述上框架51连接，使得上框架51、下框架52以及支撑架53共同构成一个矩形框架。其技术效果为，这种盘件托架5的支撑结构牢固，且在进行热处理时的散热效果良好。
34.进一步地，该合金盘件热处理装置的所述盘件托架5还包括多个上握持架51a以及多个下握持架52a，多个所述上握持架51a均与所述上框架51连接，多个所述下握持架52a均与所述下框架52连接；多个所述上握持架51a相对于所述上框架51中心对称，多个所述下握持架52a相对于所述下框架52中心对称。其中，多个所述上握持架51a可以分别设于所述上框架51的四个拐角处；多个所述下握持架52a可以分别设于所述下框架52的四个拐角处；所述上握持架51a的数量优选为四个，以便两个工作人员均可以用双手配合托举所述盘件托
架5；所述下握持架52a的数量优选为四个，以便两个工作人员均可以用双手配合托举所述盘件托架5。其技术效果为，通过多个所述上握持架51a以及多个所述下握持架52a可以灵活地托举盘件托架5以及涡轮盘3，显著提升了工作过程的便捷性。
35.进一步地，该合金盘件热处理装置的所述下握持架52a的长度大于所述上握持架51a的长度。其中，所述下握持架52a的长度略长于所述上握持架51a的长度，也可以远长于所述上握持架51a的长度；所述下握持架52a的长度可以为所述上握持架51a的长度的两倍、三倍、四倍或五倍；在一实施例中，所述下握持架52a的长度与所述上握持架51a的长度之差，可以容纳一个成年人侧身的厚度，即200毫米至300毫米；在盘件托架5以及涡轮盘3的重量之和较大的情况下，该结构可以实现第一个工作人员通过上握持架51a双手搬起盘件托架5以及涡轮盘3，接下来另一个工作人员通过下握持架52a双手搬起盘件托架5以及涡轮盘3来辅助第一个工作人员，第一个工作人员的侧身厚度不会影响另一个工作人员的搬起空间，两个人之间通过这种结构进行配合也不容易导致安全事故。其技术效果为，使得工作人员配合搬起盘件托架5以及涡轮盘3的时候更加便利且安全性强。
36.进一步地，该合金盘件热处理装置的所述上隔热盘11半径与所述下隔热盘21半径相等；所述上隔热盘11半径与所述上隔热套筒12半径相等；所述下隔热盘21半径与所述下隔热套筒22半径相等。其中，所述上隔热盘11半径与所述下隔热盘21半径，使得所述涡轮盘3上表面压痕以及所述涡轮盘3下表面压痕相同；所述上隔热盘11半径与所述上隔热套筒12半径相等，可以确保整个上隔热工装1的密封性；所述下隔热盘21半径与所述下隔热套筒22半径相等，可以确保整个下隔热工装2的密封性。其技术效果为，可以实现对涡轮盘3良好的压合效果，进一步实现合理的温度梯度。
37.本发明还提出一种合金盘件热处理方法，所述方法应用于如上述任一项实施例所述的合金盘件热处理装置，所述方法包括：
38.s1,将下水冷块20、下隔热工装2、涡轮盘3、装置料架4以及盘件托架5进行组装并放置在台车上。
39.其中，可以首先将下水冷块20和下隔热工装2一同放置在装置料架4上，然后将涡轮盘3放置在盘件托架5上，最后将涡轮盘3和盘件托架5对齐下水冷块20和下隔热工装2来进行装配，使得盘件托架5也放置在装置料架4上。
40.s2,将下水冷块20、下隔热工装2、涡轮盘3、装置料架4、盘件托架5以及台车共同放入台车炉。
41.其中，可以首先将台车炉当中的台车开出，然后将装置料架4吊装至台车炉的垫铁上，接下来上隔热工装1和上水冷块10通过台车炉上方开孔放置在合适位置等待，最后将台车开进台车炉当中。
42.s3,安装上隔热工装1以及上水冷块10，以使上隔热工装1和上水冷块10均与涡轮盘3接触，组成合金盘件热处理装置。
43.其中，可以将上隔热工装1以及上水冷块10下降至涡轮盘3上方，此时上隔热工装1和上水冷块10均与涡轮盘3接触，组成合金盘件热处理装置。
44.s4,对合金盘件热处理装置进行通水冷却。
45.其中，可以选择应用水冷装置进行通水冷却，水冷装置携带热量的多少，依靠调整水流的流速来实现调节。
46.s5,对合金盘件热处理装置、台车以及台车炉进行加热处理。
47.其中，合金盘件热处理装置、台车以及台车炉的温度一同提升，内部热电偶的温度也随之提升，到达预定温度后内部热电偶保温一定的时间。
48.s6,提起上隔热工装1以及上水冷块10，以使上隔热工装1和上水冷块10均与涡轮盘3脱离。
49.其中，上隔热工装1以及上水冷块10不仅与涡轮盘3脱离，而且与下隔热工装2以及下水冷块20脱离。
50.s7,将下水冷块20、下隔热工装2、涡轮盘3、装置料架4、盘件托架5以及台车共同移出台车炉。
51.其中，台车相对于台车炉移出，水冷块20、下隔热工装2、涡轮盘3、装置料架4以及盘件托架5随着台车共同移动。
52.s8,通过盘件托架5托举涡轮盘3并对盘件托架5和涡轮盘3进行冷却。
53.其中，对盘件托架5和涡轮盘3的冷却方式可以为入油冷却。
54.上述方案当中，最后一个步骤的涡轮盘3通过盘件托架5托举的方式进行移动，避免传统方法当中涡轮盘3与其它部件相接触，有利于维护涡轮盘3的温度性能或力学性能，提高涡轮盘3最终成品的品质。其技术效果为，能够实现更大的温度梯度，且针对不同规格的盘件都可以兼容，同时可以避免涡轮盘3与其它部件相接触而影响品质。
55.本技术所述方案可选镍基粉末高温合金，其特性为具有优异的高温强度、蠕变抗力、疲劳抗力以及良好的组织稳定性，已经成为制造高推重比航空发动机涡轮盘的首选材料。航空发动机涡轮盘需要在复杂的应力与温度条件下工作，盘芯受到的应力最大，应力沿径向盘缘逐步减小，盘缘工作温度最高，工作温度沿径向，朝着盘芯逐步降低。随着航空技术对航空发动机推重比性能的要求越来越高，发动机涡轮盘要承受更高的工作温度与应力。
56.传统涡轮盘的盘芯、盘缘，采用相同的材料并同时热处理，无法兼具盘芯优异的屈服强度及低周疲劳性能，以及盘缘优异的高温蠕变及持久性能。现有技术中粉末高温合金涡轮盘的核心，是通过材料和工艺方面的改进，使涡轮盘的盘芯、盘缘具有不同的性能，以满足盘缘、盘芯的工作要求。本方案的盘芯和盘缘采用相同的合金，粉末粒径也相同，在固溶热处理时抑制盘芯的升温，严格控制盘芯晶粒长大而使盘缘晶粒充分长大，最终获得不同的金相组织及力学性能的盘缘、盘芯，降低了设备成本，实现了理想的涡轮盘双性能组织。
57.本发明中所述方案中，盘件坯料采用同种合金，同种粉末粒度，通过热处理过程中控制盘缘、盘芯温度梯度的方法，使盘芯晶粒长大不明显而盘缘晶粒充分长大，最终实现盘芯、盘缘不同的性能。本发明中所述方案中，通过对现有的合金盘件热处理装置进行优化改进，不仅可以在热处理时控制盘缘、盘芯之间，实现较大的温度梯度，而且针对不同规格的盘件，仅需更换对应的工装即可，不影响其常规热处理的操作。
58.综上所述，现有技术中的合金盘件热处理装置需要定制设备，因此设备形式相对固定，只能针对固定形状的盘件进行处理；面对盘件加热后冷却速度有要求的场景，这种设备的盘件转运不方便，兼容性不佳，运转成本极高。本技术所述方案的技术效果为，隔热工装和水冷块之间的结构设计独特，通过上水冷块以及下水冷块能够实现更大的温度梯度，
且涡轮盘上下隔热工装夹持的结构使得工程师可以根据涡轮盘的形状灵活替换不同的隔热工装，即针对不同规格的盘件都可以兼容且成本较低。
59.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
60.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
61.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
62.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
63.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不应理解为必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行结合和组合。
64.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，尚且本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
65.以上所述，为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。