CN101279346B - 镍基高温合金异形环锻件的辗轧成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镍基高温合金异形环锻件的辗轧成形方法，为获得组织和性能优良的该合金异形环锻件和实现精确轧制，该方法包括以下步骤：合金棒料经加热镦粗变形60％～65％制成实心圆饼再冲孔使其孔径尺寸是其外径尺寸的30％～35％后制成空心圆饼；空心圆饼经加热被环轧变形20％～25％后得到矩形环坯，矩形环坯经加热再次被环轧变形20％～25％后得到矩形预轧坯；预轧坯经加热装进轧环机辗轧模具并在该模具的异形孔型内被辗轧变形40％～45％后成形为异形环锻件。辗轧时，上述预轧坯沿径向的展宽速度是2mm/s～15mm/s，受到的径向轧制力是40000kg～220000kg。该方法主要用于航空发动机或燃气轮机异形环锻件的成形，采用该方法可以获得沿零件外形呈流线分布的异形环锻件。

Description

镍基高温合金异形环锻件的辗轧成形方法

技术领域

本发明涉及一种环形锻件的轧制成形方法，特别是涉及了镍基高温合金异形环锻件的辗轧成形方法。

背景技术

采用镍基高温合金(如GH4169等材料牌号)制造的航空发动机或地面燃气轮机的异形环锻件，如机匣等零部件由于长期在恶劣的环境下工作，要求锻件具有较好的性能及组织稳定性。

2007年8月22日公开的中国发明专利说明书CN101020284A公开了一种高温合金大型异型截面环坯的制坯方法，该方法将高温合金棒材加热到变形温度后镦粗成实心饼坯，用冲头冲出实心饼坯的中心孔得到空心饼坯，加热空心饼坯到变形温度后辗轧成矩形截面环坯，再加热矩形截面环坯到变形温度后装进胀形模的外型模内置于模底板上，施加压力把胀形模的内型模和外形模挤压合模使矩形截面环坯变形并充满胀形模的型腔，脱模得到异型截面环坯。该方法解决了合金棒料从镦粗、冲孔到辗轧成矩形截面环坯的成形技术，但是采用该方法制取矩形截面环坯，如制取镍基高温合金矩形截面环坯的过程中，容易导致合金在轧环时温度升高产生组织变异、晶粒粗大和裂纹等缺陷，从而造成终轧异形环锻件的组织不均匀和性能降低，严重时甚至出现废品。

2005年3月2日公开的中国发明专利说明书CN 1586754A公开了一种外台阶截面环件轧制成形的方法，所述环件的纵向截面是一种非矩形的外台阶形状，即所述环件属于异形环锻件的一种特殊形状。该方法包括下料、制坯、轧制及后续加工，解决了异形环锻件从下料、制坯到轧制成形的技术问题。但采用该方法轧制镍基高温合金异形环锻件时，从合金棒料到最终轧制成异形环锻件，合金的变形量对环锻件的组织和性能影响很大，其变形量选择不准，将会造成环锻件晶粒粗大、轧伤、轧裂、易产生飞边等缺陷，从而影响锻件的交付和使用。

有鉴于此，本发明提供了一种镍基高温合金异形环锻件的辗轧成形方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种连续采用两次小变形量环轧制坯来实现镍基高温合金异形环锻件的辗轧成形的方法，该方法通过在各工艺步骤中控制准确的变形量，使轧制成形的异形环锻件具有优良的组织和性能。

为解决上述技术问题，本发明所述镍基高温合金异形环锻件的辗轧成形方法，其技术方案包括以下步骤：

把按规格下料的镍基高温合金棒料加热到1000℃～1050℃的变形温度，经镦粗使其变形60％～65％得到实心圆饼；把所述实心圆饼冲孔使其孔径尺寸是其外径尺寸的30％～35％后得到空心圆饼；

加热所述空心圆饼到上述变形温度后使其被轧环变形20％～25％后得到矩形环坯；把所述矩形环坯加热到上述变形温度后再次被轧环使其变形20％～25％后得到矩形预轧坯；

加热所述预轧坯到上述变形温度，把所述预轧坯装进轧环机辗轧模具，所述预轧坯的纵向截面在辗轧模具的异形孔型内被轧环机辗轧并按所述孔型产生连续局部塑性变形，所述预轧坯壁厚减小并沿径向展宽被辗轧变形40％～45％后成为异形环锻件。

当采用上述方法辗轧成形不同形状的异形环锻件时，只需把辗轧模具的孔型按环锻件的截面形状来调整，更换相应的模具模块便可。

辗轧时，上述预轧坯沿径向的展宽速度是2mm/s～15mm/s，受到的径向轧制力是40000kg～220000kg。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明把按规格下料的镍基高温合金棒料经加热、镦粗成实心圆饼再冲孔成空心圆饼，将所述空心圆饼加热轧环使其变形20％～25％后第一次被环轧成矩形环坯，再把所述矩形环坯加热轧环使其变形20％～25％后第二次被环轧成了具有均匀组织的矩形预轧坯；在连续两次环轧制坯过程中通过采取小变形量成形的方式，避免了该合金在轧环时温度升高产生组织变异、晶粒粗大和裂纹等缺陷，从而有利于使终轧异形环锻件获得良好的组织和性能。

本发明把按规格下料的镍基高温合金棒料从镦粗、冲孔、制矩形预轧坯、到辗轧成异形环锻件的整个工艺过程，通过选用准确的变形量和使用辗轧模具来使异形环锻件成形，获得了组织均匀和性能优良的异形环锻件。以牌号为GH4169的镍基高温合金为例，经检测该合金异形环锻件不同部位的金相低倍组织，未发现有粗晶、裂纹、伤痕、缩孔等缺陷；经检测该合金异形环锻件的室温拉伸性能，其抗拉强度为1420MPa～1430MPa(大于使用要求的1275MPa)，其伸长率为0.2％时的屈服强度为1280MPa～1290MPa(大于使用要求的1035MPa)，断后伸长率为18％～25％(大于使用要求的12％)，断面收缩率为33％～36％(大于使用要求的15％)；经检测该异形环锻件在650℃的拉伸性能，其抗拉强度为1190MPa(大于使用要求的1000MPa)，其伸长率为0.2％时的屈服强度为1030MPa～1050MPa(大于使用要求的862MPa)，其断后伸长率为28％～29％(大于使用要求的15％)；经检测该合金异形环锻件的布氏硬度为409(大于使用要求的363)；经检测该合金异形环锻件的高温拉伸持久性能，该异形环锻件在试验温度为650℃、试验应力为690MPa、持续时间在67.2h～69.8h(大于使用要求的25h)内均增载三次，均断于光滑处，断后伸长率为26％～30％(大于使用要求的5％)。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是矩形预轧坯的制坯工艺流程图。

图2是预轧坯装进辗轧模具的结构图。

图3是预轧坯辗轧成异形环锻件的工艺过程图。

图4是图3所示的辗轧工艺过程的俯视方向示意图。

图5是辗轧成形的异形环锻件沿其中心线的纵剖面图。

图6(a)是图5所示a部位的金相低倍组织图。

图6(b)是图5所示b部位的金相低倍组织图。

图6(c)是图5所示c部位的金相低倍组织图。

具体实施方式

实施本发明所述的镍基高温合金异形环锻件的辗轧成形方法需要提供锻造加热炉、压力机、轧环机、机械手等设备。下面以牌号为GH4169的变形镍基高温合金为例来详细说明该方法的具体实施方式：

该合金的主要化学元素含量(重量百分比)为：含Cr量17.0％～21.0％、含Ni量50.0％～55.0％、含Mo量2.80％～330％、含Ti量0.75％～1.15％、含Al量0.30％～0.70％、含C量≤0.08％、含Co量≤1.0％、此外还含有其他微量元素、余量为Fe。

该合金从棒料到生产出合格的异形环锻件的工艺步骤如下：

步骤1：矩形预轧坯的制坯。如图1所示，把按规格下料的GH4169合金棒料1在锻造加热炉内加热到1000℃～1050℃的变形温度，在锻压机上镦粗使其变形60％～65％得到实心圆饼2，接着把实心圆饼2用冲头4冲出中心孔得到空心圆饼3，所述空心圆饼3的内径尺寸是其外径尺寸的30％～35％；把空心圆饼3再加热到上述温度后装进轧环机轧环使其变形20％～25％后第一次被环轧成矩形环坯5；把矩形环坯5再加热到上述温度后装进轧环机轧环使其变形20％～25％后第二次被环轧成矩形预轧坯10。

在上述步骤1中，采用上述变形方式制作的矩形预轧坯10能够获得均匀的组织，特别是两次环轧采取小变形量成形的方式，可以避免该合金在轧环时产生晶粒粗大和裂纹等缺陷，从而有利于使终轧异形环锻件获得良好的组织和性能。

步骤2：异形环锻件的辗轧成形：

先把预轧坯10在锻造加热炉内加热到1000℃～1050℃的变形温度后装进由主辊模和芯辊模组成的辗轧模具，如图2所示，把该预轧坯10用机械手装在芯辊模的内型模块16上并平放在轧环机的底盘上(图中未示出)，所述芯辊模由内型模块16、芯套21、压环22通过螺母23和芯辊键24固定在芯辊12上；启动轧环机使其主辊13按图2所示方向旋转，然后使芯辊12向主辊13方向平移靠近主辊13后芯辊模与主辊模合模，所述主辊模由下端盖19、外型模块17、上端盖18通过主辊套20和主辊键25固定在主辊13上，所述内型模块16和外型模块17的外周面与所述上、下端盖18和19围成异形孔型11，预轧坯10的纵向截面处于该异形孔型11内；同时由轧环机驱动上、下锥辊14和15按图2所示方向转动并准备夹持住预轧坯10的上、下端面，使轧环机的两个抱辊26(如图4所示)扶持住预轧坯10的外环周面；

主辊13驱动预轧坯10、芯辊12和两个抱辊26按图3和图4所示的方向转动，这时转动的上、下锥辊14和15夹持住转动的预轧坯10的上、下端面与其一起转动；芯辊12沿径向朝主辊13方向作进给运动使芯辊12和主辊13以40000kg～220000kg的轧制力在其异形孔型11内辗轧预轧坯10，预轧坯10以2mm/s～15mm/s的速度沿径向展宽，其壁厚逐渐减小，上、下锥辊14和15以及两个抱辊26随着预轧坯10的径向展宽而外移；

预轧坯10在异形孔型11内被辗轧产生连续局部塑性变形，最后预轧坯10在异形孔型11内变形40％～45％后成为异形环锻件27，所有转动部件停止后移开主辊13、锥辊14和15、两个抱辊26以及压在芯辊12顶部的轧环机悬臂，从芯辊顶部取出异形环锻件27。

在上述步骤1和步骤2中，该合金的终锻或终轧温度不小于930℃。

如图5所示，异形环锻件27的外环面是由其上部c的外环直面、中部b的外环圆弧面以及下部a的外环直面通过圆弧自然过渡连接在一起的曲面，其内环面是由其上部c的内环直面、中部b和下部c的内环直面通过圆弧自然过渡连接在一起的曲面。

按照GBn187.2-82《高温合金横向低倍组织酸浸试验法》检测，该异形环锻件的金相低倍组织如图6(a)、图6(b)和图6(c)所示，其中图6(a)、图6(b)和图6(c)的试样分别是取自图5中的a、b和c部位，在上述低倍组织图上均未发现有粗晶、裂纹、伤痕、缩孔等缺陷。

按照GB/T 228《金属材料室温拉伸试验方法》检测，该合金异形环锻件的室温抗拉强度为1420Mpa～1430MPa，其伸长率为0.2％时的屈服强度为1280MPa～1290MPa，断后伸长率为18％～25％，断面收缩率为33％～36％。

按照GB4338-84《金属高温拉伸试验方法》检测该异形环锻件在650℃的拉伸性能，其抗拉强度为1190MPa，其伸长率为0.2％时的屈服强度为1030MPa～1050MPa，断后伸长率为28％～29％。

按照GB231-84《金属布氏硬度试验方法》检测，该异形环锻件的布氏硬度为409。

按照GB6395《金属高温拉伸持久试验方法》检测，该异形环锻.件在试验温度为650℃、试验应力为690MPa、持续时间在67.2h～69.8h内均增载三次，均断于光滑处，断后伸长率为26％～30％。

上述理化检测结果表明，采用上述方法辗轧成形的GH4169异形环锻件具有优良的内部组织和性能，完全满足了该合金锻件的使用要求。

采用本发明提供的方法辗轧成形的异形环锻件并不限于上述实施方式，对于不同形状的异形环锻件，只需改变辗轧模具的内型模块16和外型模块17的外周面形状，按照上述方法便可辗轧出不同截面形状的异形环锻件。本发明所述的辗轧成形是把环锻件的预轧坯通过辗轧模具轧制成环锻件的成形方式。

Claims (4)

1.一种镍基高温合金异形环锻件的辗轧成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

把按规格下料的镍基高温合金棒料加热到1000℃～1050℃的变形温度，经镦粗使其变形60％～65％得到实心圆饼；把所述实心圆饼冲孔使其孔径尺寸是其外径尺寸的30％～35％后得到空心圆饼；

加热所述空心圆饼到上述变形温度后使其被轧环变形20％～25％后得到矩形环坯；把所述矩形环坯加热到上述变形温度后再次被轧环使其变形20％～25％后得到矩形预轧坯；

加热所述预轧坯到上述变形温度，把所述预轧坯装进轧环机辗轧模具，所述预轧坯的纵向截面在辗轧模具的异形孔型内被轧环机辗轧并按所述孔型产生连续局部塑性变形，所述预轧坯壁厚减小并沿径向展宽被辗轧变形40％～45％后成为异形环锻件。

2.按照权利要求1所述的辗轧成形方法，其特征在于：所述辗轧模具的异形孔型是可以依环锻件的截面形状来调整的。

3.按照权利要求1所述的辗轧成形方法，其特征在于；所述预轧坯沿径向的展宽速度是2mm/s～15mm/s。

4.按照权利要求1所述的辗轧成形方法，其特征在于：所述预轧坯受到的径向轧制力是40000kg～220000kg。

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