CN101391278B - 锻造模和锻造工艺 - Google Patents

Abstract

一种适合于使用通过粉末冶金所形成的坯锭(40)来生产包括发电燃气涡轮发动机的涡轮盘和其它旋转构件的大锻件的锻造模(10)和锻造工艺。该锻造模(10)包括背板(12)和围绕背板(12)的表面上的区域(16)呈放射状布置的区段(14)。每个区段(14)具有面向背板(12)的背面(30)和背向背板(12)的分界面(18)，其中该分界面(18)适于在锻造期间接合坯锭(40)。这些区段(14)以如下方式物理地联接至背板(12)的表面，该方式使得区段(14)能够相对于背板(12)径向移动。

Description

锻造模和锻造工艺

技术领域

本发明大体涉及锻造设备和锻造工艺，包括用于利用金属粉末生产大锻件的锻造设备和锻造工艺。更具体地，本发明涉及配备有径向区段的锻造模，该径向区段通过在锻造期间促进径向生长而减小在粉末冶金坯锭的锻造期间的裂纹发生率。

背景技术

用于发电涡轮的转子构件典型地由铁和具有低合金含量的镍基合金形成，即三种或四种主要元素，其允许相对容易地对它们进行熔炼和处理且具有极小的化学或微结构偏析。近来，在发电业中使用的较为先进的陆基燃气涡轮发动机(诸如本发明的受让人的H和FB类燃气涡轮)的轮子、隔离件以及其它转子构件由高强度合金形成，诸如伽马双引号(γ″)沉淀强化镍基超级合金，包括合金718和合金706。典型地，这些构件的处理包括通过三重熔炼(真空感应熔炼(VIM)/电渣重熔(ESR)/真空电弧重熔(VAR))以具有很大直径(例如，高达大约90cm)而形成铸锭，其然后形成坯锭且经受锻造。相反，用于飞机燃气涡轮发动机的转子构件常常通过粉末冶金(PM)工艺形成，已知这种工艺提供良好的蠕变、拉伸和疲劳裂纹生长性质的平衡，以满足飞机燃气涡轮发动机的性能要求。粉末金属构件典型地通过以某种形式固结金属粉末而生产，诸如挤出固结，然后将所固结的材料等温锻造或热模锻造至所希望的轮廓。

使用粉末冶金工艺来生产适合于发电燃气涡轮发动机的转子构件的大锻件提供了生产更接近终型锻件的能力，从而减少了材料损失。随着诸如合金718及以上的更多复合合金变为优选的并且锻件的尺寸不断增加，对化学和微结构偏析、与将大晶锭转换成终锻件相关联的高材料损失以及处理较大高强度锻件的有限的工业能力的关注使得PM合金基础成本越高，则潜在的成本效益就越高。然而，在锻造粉末冶金坯锭时遭遇的问题包括在锻造模-坯锭界面形成并且阻碍坯锭的自由径向生长而导致锻件裂纹的高摩擦力。被认为是由切向应力驱动的这些裂纹观察到在镦锻工艺期间有规则地间隔开且在径向方向上处于锻件中的泊松感应点(poisson induced bugle)处。对于这个问题所提出的解决方案，包括改变锻造模温度、镦锻水平以及锻造应变速度，仅获得了很有限的成功。

发明内容

本发明提供一种适合于生产锻件，包括发电燃气涡轮发动机的涡轮盘和其它大旋转构件的锻造模和锻造工艺。本发明特别适合于利用通过粉末冶金技术所形成的坯锭来生产大锻件。

根据本发明的第一方面，锻造模包括具有第一表面的背板，和围绕背板的第一表面上的区域呈放射状布置的多个区段。这些区段中的每个区段具有面向背板的背面并且限定背向背板的分界面，其中该分界面适于在利用锻造模锻造坯锭期间接合坯锭。这些区段以如下方式物理地联接到背板的第一表面，该方式使得这些区段能够相对于背板的区域径向移动。

根据本发明的第二方面，锻造工艺需要通过围绕背板的第一表面上的区域呈放射状地布置多个区段并且将这些区段物理地联接到第一表面以使这些区段能够相对于背板的区域径向移动而组装锻造模。这些区段被布置且联接到背板，使得每个区段具有面向背板的背面并且限定背向背板的分界面，其中该分界面适于在利用锻造模锻造坯锭期间接合坯锭。然后，通过使坯锭与区段的分界面接合并且利用区段的分界面加工坯锭而锻造坯锭。

本发明的锻造模和锻造工艺的显著优点包括锻造粉末冶金坯锭来生产具有较低的裂纹发生率的较大盘和其它大物件的能力和在这种物件中实现更均匀的性质的能力。减小的裂纹发生率能够实现报废率的相应减小，同时减小的性质差异导致更高的设计容许性质，因此导致更有效的产品设计。该锻造模和锻造工艺也能够利用先前原本可能不适于或原本难于锻造的合金来锻造大物件。

通过下文的详细描述，本发明的其它目的和优点将得到更好地理解。

附图说明

图1是示出根据本发明实施例的锻造模的平面图的示意图。

图2和图3是示出分别沿着图1的线2-2与3-3所获得的视图的示意图。

图4是与图2中的视图相对应的示意图，并且示出在启动对坯锭的锻造操作之前图1至图3的锻造模。

元件编号：

10     锻造模

12     背板

14     区段

16     区域

18     表面

20     表面

22     表面

24     表面

26     键

28     凹槽

30     背面

32     间隙

34     带

36     销

40     坯锭

具体实施方式

本发明针对于通过锻造所形成的构件的制造，具体实例为锻造大坯锭以形成陆基燃气涡轮发动机的转子构件，但其它应用是能预测到的并且也在本发明的范围内。在优选实施例中，坯锭通过粉末冶金工艺形成，诸如通过固结(例如，热等静压(HIP)或挤出固结)金属合金粉末而形成。多种合金可用于此目的，包括低合金铁和镍基合金，以及更高强度合金，诸如伽马双引号沉淀强化镍基超级合金，包括合金718和合金706。

图1至图4展示了由单独构件的组件构成的锻造模10，包括背板12和绕背板12的中央区域16呈放射状布置的区段14。区段14和中央区域16的表面20和22分别协作以限定分界面18，利用该分界面18使由锻造模10所锻造的材料变形。如图3所示，中央区域16的表面22基本上与单独区段14的周围表面20齐平，但可预测这些表面20和22可能不共面。在图1中可见区段14在尺寸上基本相同且具有基本上相同的楔形，但不同的尺寸和形状也在本发明的范围内。每个区段14的径向最内部的区域示出为邻接中央区域16，而每个区段14的径向最外部的区域示出为与背板12的径向最外部的区域重合。如图2清楚所示，在每个相邻区段14对的相邻径向边缘之间存在径向间隙32。

如图2和图3更清楚地所示，区段14联接至背板12，但由于背板12与区段14具有互补的引导特征而适于相对于背板12径向移动。在所示的实施例中，面向区段14的背板12的表面24具有径向定向的轨道或键26，轨道或键26在中央区域16与背板12的周边之间延伸。键26可为在背板12的表面24上整体形成的凸起特征，或者单独地制造且安装于背板12上。如图2清楚地所示，键26在尺寸和形状方面设置为单独地容纳于限定在每个区段14的背面30中的凹槽28。键26和凹槽28示出为具有互补形燕尾截面，其防止区段14在垂直于背板12的表面24的方向上从背板12移开，但仍允许区段14在背板12上自由地径向移动，使得键26作为区段14的径向引导件。虽然示出键26和凹槽28具有燕尾形截面，但也可使用其它联锁截面且也在本发明的范围内。

背板12还优选地由采用围绕背板12的中央区域16的同心带34的形式的单独构件所构成。利用穿过最外部带34中的孔、穿过(多个)内带34中的对准孔且插入到背板12的中央区域16内的径向销36，将带34固定在一起。虽然带34中的每个带被展示为环状或环形，但其它形状也在本发明的范围内。利用此构造，每个带34优选地制造为或另外地配备为携带每个键26的一部分，并且带34的适当周向对准导致单独的对准的键26，每个键26由在带34上的键部分构成。

利用上文所述的构造，区段14在径向方向上自由地移动(相对于区域16)，以与在使用锻造模10的锻造工艺期间变形的材料的径向运动一致并且适应该径向运动。换言之，在诸如坯锭(在图4中的40)的材料由于锻造模10而变形的锻造周期期间，变形材料的径向向外流动由区段12的同时径向向外行进自动地辅助，结果，可通过在锻造期间促进坯锭材料的径向生长而不是摩擦地抑制坯锭材料的径向生长而减小锻件的裂纹发生率。由于锻造操作典型地分阶段执行(即，部分镦锻/阶段)，并且每个连续阶段还使材料进一步变形以增加其宽度或直径，故可根据需要来添加和移除背板12的同心带34，以适应锻件增加的尺寸。可提供多组区段14来匹配通过改变带34的数目所实现的背板12的不同直径。

通过前文描述，应了解的是，锻造模10并不限于安装在任何特定类型的锻造冲头上，但是一般预期适于安装在很多种锻造设备上。在使用中，锻造模10首先被组装成包含用于背板12的所希望的数目的带34和用于待锻造的特定材料的适当数目和尺寸的区段14。如本领域技术人员清楚地了解，锻造模10及其构件所需的尺寸和物理及机械性质也将取决于被锻造的材料。一般而言，背板12和区段14的适合材料包括常规工具钢和镍合金用于改进耐用性，但其它的材料也是可能的。当锻造镍基合金以生产涡轮盘锻件时，工具钢和镍合金均适合用作用于背板12和区段14的材料。

可根据各种已知的实践来生产适合于锻造涡轮盘的坯锭。在本发明的特定实施例中，其中通过粉末合金来生产坯锭40，可用化学性质为所希望的合金的化学性质的熔体来生产起始粉末材料。这个步骤典型地通过VIM工艺来实现，但也可通过采用ESR或VAR工艺执行。同时在熔融状态和化学规范内，通过雾化或另一适当工艺将合金转化成粉末，以产生大致球形的粉末颗粒。然后将粉末放置且密封于罐中，诸如软钢罐，罐的尺寸将满足固结后的坯锭尺寸要求。之后，罐及其内含物在足以生产致密固结坯锭40的温度、时间和压力下固结。可通过热等静压(HIP)、挤出或另一适当固结方法来实现固结。

在锻造之前，锻造模10的分界面18优选地利用高温润滑剂来润滑，该润滑剂诸如本领域中已知的一种玻璃浆液(glass slurry)，例如，含有二硫化钼(MoS₂)的浆液，以促进分界面18与坯块40之间的滑动。也可在键26与凹槽28之间施加相同或不同的润滑剂，以便于区段14在背板12上移动。然后可根据已知程序利用本发明的锻造模10来锻造坯锭40，诸如当前用于生产大工业涡轮的盘状锻件的程序，但也可经过修改以在每个锻造阶段期间利用区段14的径向移动，也可通过背板12的同心带34对锻造模10的尺寸做出任何调整。一般而言，优选地在允许完全填充终锻造模腔、避免破裂且产生或保持材料内均匀的所希望粒度的温度和负载条件下执行锻造操作。为此，锻造典型地在超塑成形条件下执行，以能够通过高几何应力的累积来填充锻造模腔。

虽然已经在特定工艺参数和组成方面描述了本发明，但本发明的范围并不限于此情况。相反，可由本领域技术人员做出修改，诸如更改锻造模10的构造，使用锻造模10来锻造通过各种工艺和利用各种合金所形成的坯块，代替其它工艺步骤，以及包括额外的工艺步骤。因此，本发明的范围仅受权利要求书的限制。

Claims (9)

1. 一种锻造模(10)，其包括：

具有第一表面(24)的背板(12)；

多个区段(14)，其围绕所述背板(12)的第一表面(24)上的区域(16)呈放射状布置，所述区段(14)中的每个区段具有面向所述背板(12)的背面(30)并且限定背向所述背板(12)的分界面(18)，所述分界面(18)适于在利用所述锻造模(10)锻造坯锭(40)期间接合所述坯锭(40)；以及

装置(26,28)，其用于将所述区段(14)物理地联接至所述背板(12)的第一表面(24)上，以使得所述区段(14)能够相对于所述背板(12)的区域(16)径向移动；

所述背板(12)包括所述区域(16)和多个同心部件(34)，所述多个同心部件(34)围绕所述区域(16)并且能够释放地彼此联接，所述同心部件(34)限定所述背板(12)的第一表面(24)。

2. 根据权利要求1所述的锻造模(10)，其特征在于，对于所述区段(14)中的每个区段，所述装置(26,28)包括在所述背板(12)的第一表面(24)上的第一径向引导特征(26)和在所述区段(14)的背面(30)上的互补的第二径向引导特征(28)。

3. 根据权利要求2所述的锻造模(10)，其特征在于，所述第一径向引导特征(26)中的每个特征是在所述背板(12)的第一表面(24)上的凸起表面特征(26)，所述第二径向引导特征(28)中的每个特征是在所述区段(14)的背面(30)上的凹槽(28)，所述凹槽(28)与所述凸起表面特征(26)联锁，以允许所述区段(14)在所述背板(12)上径向移动并且防止所述区段(14)在垂直于所述背板(12)的第一表面(24)的方向上从所述背板(12)脱开联接。

4. 根据权利要求1至3中的任一项所述的锻造模(10)，其特征在于，所述区段(14)围绕其布置的所述区域(16)居中地位于所述背板(12)上。

5. 根据权利要求1至3中的任一项所述的锻造模(10)，其特征在于，所有所述区段(14)均具有大致相同的尺寸和形状。

6. 根据权利要求1至3中的任一项所述的锻造模(10)，其特征在于，所述区段(14)是楔形的并且在宽度上沿远离所述背板(12)的区域(16)的径向方向增加。

7. 根据权利要求1至3中的任一项所述的锻造模(10)，其特征在于，所述背板(12)的区域(16)限定表面(22)，所述表面(22)与所述区段(14)的分界面(18)的紧邻部分(20)大致齐平。

8. 一种利用根据权利要求1至7中的任一项所述的锻造模的锻造工艺，所述工艺包括通过使所述坯锭(40)与所述区段(14)的分界面(18)接合并且利用所述区段(14)的分界面(18)加工所述坯锭(40)以利用所述锻造模(10)锻造所述坯锭(40)。

9. 根据权利要求8所述的锻造工艺，其特征在于，所述锻造步骤包括多个阶段，并且所述同心部件(34)中的至少一个在所述多个阶段的连续阶段之间联接至所述背板(12)或从所述背板(12)脱开联接。

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