CN102303083A - 制备难变形合金饼坯的快速等温锻造方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种制备难变形高温合金饼坯的快速等温锻造方法和装置。装置包括加热设备、自动送料装置、卧式液压锻造设备、坯料的定位装置、火焰加热装置。所用的模具材料是一种在相应的锻造温度和变形速率下蠕变强度高于锻造高温合金流变应力的镍基合金。该方法可以选用经均匀化处理的电渣重熔连续定向凝固技术或其它任何具有可操作性的工艺制备高合金化难变形合金定向凝固坯锭，也可以是采用粉末冶金等工艺制备的细晶坯锭，本发明优点在于，生产周期短，控制方便、成本低廉，适用于大批量生产大尺寸、高洁净、组织均匀的高合金化难变形合金饼坯件。
Description
技术领域
本发明属于锻造技术领域，特别是提供了一种制备难变形合金饼坯的快速等温锻造方法和装置，采用电渣重熔连续定向凝固技术或其它任何具有可操作性的工艺制备的具有良好热加工塑性的坯料在空气中完成快速等温锻造过程并获得具有均匀等轴晶组织饼坯，该饼坯可直接使用，也可作为下一步模锻的坯料。
背景技术
涡轮盘是航空发动机最重要的热端零部件之一，被称为航空发动机的心脏。由于涡轮盘在高温工作环境下承受高的载荷，且本身在高速旋转的同时还起到传送扭矩的作用，工作条件非常苛刻，对材料性能的要求极高。本发明与涡轮盘的制备技术有关。
目前制备涡轮盘的工艺为：棒坯+镦压成饼坯+模锻+热处理+机加工。其中棒坯的制备工艺有两种，一是传统的铸锻工艺(Cast/Wrought，C/W)，该工艺利用真空感应熔炼+电渣重熔+真空电弧重熔三联工艺制备铸锭，经开坯锻造获得棒坯，然而对于650℃以上使用的涡轮盘(例如FGH96、FGH98等合金涡轮盘)，由于材料合金化程度高而无法采用传统工艺实现铸锭开坯；第二种工艺是上世纪六十年代出现的粉末冶金工艺(Powder Metallurgy，P/M)+等静压或挤压得到棒坯，该工艺能够获得组织均匀，偏析程度较低的棒坯。然而粉末冶金工艺存在着热诱导空洞(TIP)、原始颗粒边界(PPB)和夹杂物超标等问题，而且粉末冶金工艺生产周期长、材料成材率低、生产设备昂贵，导致粉末冶金涡轮盘的成本非常高。
钢铁研究总院针对我国先进航空发动机涡轮盘制备过程存在的问题，开发成功了真空/气体保护电渣重熔连续定向凝固(ESR-CDS)技术，并成功申报了国家发明专利(申请号：201010614036.0)。利用该项技术可制备大尺寸、高纯净、低偏析的定向凝固难变形高温合金坯锭，通过等温锻造可以生产航空发动机用涡轮盘，克服了传统变形工艺无法制备更高合金化水平(使用温度超过650℃)涡轮盘的问题，同时解决了粉末冶金工艺生产涡轮盘存在的热诱导空洞(TIP)、原始颗粒边界(PPB)和夹杂物超标，特别是价格昂贵等问题。
棒坯锻造工艺是制备组织均匀饼坯的关键，锻造条件的选择依据主要有以下两点：一是锻造镍基高温合金的性能和冶金特征；二是锻压模具材料的性能。锻压模具材料的强度应该足够高从而使工件在它们之间发生变形，而且锻造合金在锻造结束后必须具有良好的性能。
目前常用的锻造工艺有热模锻造和等温锻造两种工艺，其中热模锻是将上下模具加热到400℃～600℃之间，而坯料加热到较高的温度然后将坯料包裹上保温用的纤维毡后进行锻造的工艺，由于模具的加热温度较低，对模具材料的要求不是很高，但是，该工艺往往因为上下模具温度过低从而造成坯锭锻压失稳或组织不均匀，因此，对于650℃以上使用的高合金化高温合金涡轮盘通常不同这种锻压工艺；另一种锻压工艺是等温锻造工艺，该工艺是将模具与棒坯加热到大致相同的温度，然后以一定的速率锻造成饼坯的工艺，它消除了冷模对锻造过程的影响，有利于获得组织均匀的饼坯。然而，像FGH96和FGH98这样的难变形高温合金的等温锻造温度一般在1050℃以上，对模具材料的要求非常高，目前通常使用的模具材料是较为昂贵的钼合金，且这种模具材料在大气环境下极易氧化，因此锻造过程必须在真空或惰性气体保护环境下进行。真空或惰性气体保护条件必然会增加工艺的复杂性和成本。
因此，需要一种改进的方法，一方面能得到性能良好的锻件，另一方面能降低饼坯的制备成本。本发明采用真空/气体保护电渣重熔连续定向凝固技术或其它任何具有可操作性的工艺制备具有良好热加工塑性的坯料，通过大气下的快速等温锻造技术获得组织均匀的饼坯件，可大幅度降低饼坯的制备成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备难变形合金饼坯的快速等温锻造方法和装置，能明显降低难变形高温合金(例如FGH96或FGH98等)涡轮盘用饼坯成本的制备技术。锻造后合金具有理想的晶粒组织可以满足合金饼坯后续的模锻、热处理工艺对组织的要求。
本发明提供的饼坯制备方法包括以下几步：
1、准备坯料：采用电渣重熔连续定向凝固技术或其它任何具有可操作性的工艺制备具有良好热加工塑性的坯料；
2、选用镍基高温合金锻压模具，所选用的模具材料是一种在相应的锻造温度(1050℃～1150℃)和锻造变形速率(0.001～1s-1)下的蠕变强度高于锻造合金流变应力的镍基高温合金；
3、确定锻压温度为1050℃～1150℃，控制变形量50％～90％，变形速率0.001s-1～1s-1；
4、利用纤维毡和不锈钢对锻压坯料进行包套；
5、将包套好的锻造坯料和模具以升温-保温-升温-保温的加热曲线，加热至锻造温度，升温速度为100～300℃/h，保温温度分两段，一段是700～900℃，另一段为1000～1100℃，保温时间控制在1～8h，具体值根据锻压材料的成分和坯料尺寸确定；
6、将步骤(5)得到的坯料和模具通过自动送料装置转移至卧式液压锻造设备；
7、以0.001s-1～1s-1应变速率下锻压合金坯料获得饼坯；
8、将锻压获得的锻件进行静态再结晶热处理获得具有均匀等轴晶组织的饼坯件。所述的静态再结晶热处理是锻造合金γ′全溶温度以下进行再结晶热处理，其中FGH96合金的热处理温度在1050℃～1120℃之间选择，FGH98合金的热处理温度在1050℃～1150℃之间选择；保温时间为1～2小时。
本发明适合制备FGH96和FGH98等时效强化型镍基高温合金。锻造坯料用FGH96合金的化学成分为：C：0.03wt％，Co：13wt％，Cr：16wt％，Mo：4wt％，W：4wt％，Ti：3.7wt％，Al：2.2wt％，Nb：0.77wt％，B：0.015wt％，Zr：0.05wt％，Fe：≤0.5wt％，Ni：余。FGH98合金的化学成分为：C：0.03wt％，Co：18wt％，Cr：13wt％，Mo：3.8wt％，W：2wt％，Ti：3.5wt％，Al：3.5wt％，Nb：1.5wt％，Ta：2.7wt％，B：0.03wt％，Zr：0.05wt％，Fe：≤0.5wt％，Ni：余。锻造镍基高温合金的坯料采用真空/气体保护电渣重熔连续定向凝固技术或其它任何具有可操作性的工艺制备的定向凝固铸锭，也可以是由粉末冶金等任何具有可操作性的工艺制备的细晶坯料，但要求坯料在锻造温度范围内表现为良好的塑性和较低的开裂倾向性。
锻压模具可由任何复合条件的镍基高温合金模具材料制造，但最好是具有以下主要化学成分的合金：C：0.05～0.15wt％，Cr：5～15wt％，Al：7～10wt％，Mo：0～8wt％，W：0～5wt％，Ta：0～3wt％，Hf：0～3wt％，Ti：0～2wt％，B：0.03～0.1wt％，Ni：余，该模具材料在相应的锻造温度和锻造变形速率下的蠕变强度高于锻造合金的流变应力且具有良好的抗氧化能力。
等温锻造温度和变形速率的选择不仅要考虑到锻压合金和模具材料的性能还要使锻造合金锻造后经热处理得到理想的晶粒组织。对于选定的锻造合金，一方面要保证合金具有良好的塑性，另一方面还要使坯锭通过锻压获得足够的储能，确保锻造后经过热处理获得理想的再结晶组织。另外还要考虑锻造模具材料要具有足够的蠕变强度而使锻造合金在其之间顺利变形。
考虑到以上这些因素，对于时效强化型难变形高温合金FGH96合金和FGH98合金等温锻造温度选择在1050℃～1150℃之间。锻造变形速率控制在0.001s-1～1s-1之间，锻造变形量控制在50％～90％之间。实验表明，在锻造温度范围内，更小的变形速率和变形量会导致合金饼坯在随后的热处理过程中不能获得均匀的再结晶组织；而更大的变形速率和变形量会导致坯锭在锻造过程中容易开裂。
锻造后的锻件要经过静态再结晶热处理得到组织均匀的饼坯件，为避免再结晶处理过程中发生晶粒异常长大，要在锻造合金γ′全溶温度以下进行再结晶热处理，例如FGH96合金可在1050℃～1120℃之间选择某一温度热处理，而FGH98合金可在1050℃～1150℃之间选择某一温度热处理。
实现本发明方法的装置包括加热设备9、导轨10、自动送料装置11、卧式液压锻造设备12，加热设备、导轨、自动送料装置和卧式液压锻造设备安装在同一轴线上，自动送料装置安装在导轨上，可沿导轨前后滑动并置于加热设备和卧式液压锻造设备之间；加热设备的放料床、自动送料装置以及卧式液压锻造装置的模具和坯料的定位装置等高，以便于实现模具和坯料的快速转移过程；卧式液压锻造设备的模具定位滑块附近配置火焰加热装置用于保持模具的温度，满足等温锻造的要求
本发明所述的卧式液压锻造设备(结构见图3)主要包括预应力钢丝缠绕结构承力框架13、液压缸14、滑轨15、活塞定位装置16、模具定位滑块17、坯料定位装置18等，液压缸连接在预应力钢丝缠绕结构承力框架左梁或右梁的内侧，在预应力钢丝缠绕结构承力框架的上梁和下梁上分别装有2条滑轨，活塞定位装置沿四条滑轨滑动，模具定位滑块沿下滑轨滑动，坯料定位装置在预应力钢丝缠绕结构承力框架内可沿上、下、前、后、左、右六个方向移动；卧式液压锻造设备的模具定位滑块附近配置火焰加热装置用于保持模具的温度，满足等温锻造的要求。
锻造坯料由真空/气体保护电渣重熔连续定向凝固技术或其它任何具有可操作性的工艺制备，加热和等温锻造过程是在空气中进行而且在锻压设备上不必安装昂贵的加热系统。一方面大大降低了坯锭的制备成本，另一方面显著降低了因使用Mo合金模具时的真空或惰性气体保护环境造成的锻造工艺成本。
本发明提供一种难变形合金饼坯的制备技术，利用该技术制备的高温合金饼坯具有理想的组织，可作为模锻涡轮盘的坯料或直接使用，更重要的是由于该技术可以采用较为低廉的真空/气体保护电渣重熔连续定向凝固技术制备高纯净、低偏析的定向凝固坯锭可提高坯锭的冶金质量并降低制备成本，另外该技术的锻造过程在大气下完成并使用价格较为低廉的镍基合金作为模具，而且在锻压设备上不必安装昂贵的加热系统，可以大大降低工艺成本。本发明其它的特点将在后面对实例的详细介绍中体现，但本发明的范围不局限于此优选实施例。
附图说明
图1为本发明的锻造工艺流程图。
图2为快速等温锻造设备示意图。
图3卧式液压锻造设备示意图。
图4为采用本发明获得的饼坯实物图。
图5为采用本发明获得的饼坯截面的低倍组织。
图6为材料本发明获得的饼坯的微观组织。
附图标号
坯料和模具加热装置9、导轨10、自动送料装置11、卧式液压锻造设备12、预应力钢丝缠绕结构承力框架13、液压缸14、滑轨15、活塞定位装置16、模具定位滑块17、坯料定位装置18。
具体实施方式
优选实施例详述：制备φ200mm的FGH96合金和FGH98合金饼坯件
图1是本发明的具体实施方法。第1步是锻造坯料的准备，锻造坯料是由γ′相或其相关相强化的变形镍基高温合金。本优选实施例采用FGH96或FGH98高温合金，FGH96合金的主要化学成分为：C：0.03wt％，Co：13wt％，Cr：16wt％，Mo：4wt％，W：4wt％，Ti：3.7wt％，Al：2.2wt％，Nb：0.77wt％，B：0.015wt％，Zr：0.05wt％，Fe：≤0.5wt％，Ni：余。FGH98合金的主要化学成分为：C：0.03wt％，Co：18wt％，Cr：13wt％，Mo：3.8wt％，W：2wt％，Ti：3.5wt％，Al：3.5wt％，Nb：1.5wt％，Ta：2.7wt％，B：0.03wt％，Zr：0.05wt％，Fe：≤0.5wt％，Ni：余。
镍基高温合金锻造坯锭可以是由任何具有可操作性的工艺措施获得的高纯净、低偏析的定向凝固坯锭，但最好是通过真空/气体保护电渣重熔连续定向凝固(ESR-CDS)技术得到。坯锭要经过高温均匀化处理以消除微观偏析，处理温度要低于合金的固相线温度(Ts)并尽量高，对于FGH96合金和FGH98合金来说可选择1200℃，保温时间与铸锭尺寸有关。根据锻造后需要的锻件尺寸和形状选择锻造坯料的尺寸和形状，本实施例采用φ100mm×260mm的电渣重熔连续定向凝固坯锭。
第2步是选择锻压设备和锻压模具。图2描绘的是快速等温锻造装置的示意图，主要包括加热设备9、自动送料装置11、卧式液压锻造设备12等，其特征在于：加热设备的放料床、自动送料装置以及卧式液压锻造装置的模具和坯料的定位装置等高，以便于实现模具和坯料的快速转移过程。
锻压模具由镍基高温合金制作，其在1050℃～1150℃锻压温度范围和一定锻压变形速率内模具材料的蠕变强度不小于锻压合金的流变抗力且在空气中具有良好的抗高温氧化能力。模具最好使用具有以下主要化学成分的合金：C：0.05～0.15wt％，Cr：5～15wt％，Al：7～10wt％，Mo：0～8wt％，W：0～5wt％，Ta：0～3wt％，Hf：0～3wt％，Ti：0～2wt％，B：0.03～0.1wt％，Ni：余。
第3步是锻压温度、变形速率和变形量的选择。锻压合金在一定温度范围和变形速率下要表现出良好的塑性。首先可根据热模拟试验(Gleeble或MTS，优选MTS)结果绘制锻压合金的热加工图，然后根据热加工图确定变形温度和变形速率等热加工参数。但为了防止在锻压过程中再结晶晶粒异常长大，通常在合金的γ′全溶温度以下进行锻造。
FGH96合金和FGH98合金的锻造温度分别为1100℃和1120℃，锻造名义变形速率为0.05s-1左右。名义变形速率由模具的运动速度决定，通过测量单位时间内模具的移动距离换算为工件的高度变化，由此计算名义变形速率，它并不是严格等于实际的变形速率。为了确保通过锻压饼坯的各区域都获得足够的变形量，则锻压的总变形量应控制在50％～90％之间。
第4步，将锻造坯料采用纤维毡和不锈钢进行包套。
第5步，将锻造坯料和锻压模具以特定的加热曲线加热至1100℃和1120℃的等温锻造温度。具体加热曲线为：300℃以下装炉，以200℃/h的速度升温至750℃，保温2h，再以100℃/h的速度升温至1000℃，保温2小时，然后以50℃/h的速度升温至锻造温度，保温2h后开始锻造。
第6步，通过自动送料装置将坯料和锻压模具由加热设备转移至卧式锻造设备，并快速完成模具和坯料的定位操作。
第7步，以0.05s-1左右的变形速率完成锻压过程，变形量控制在80％左右，获得饼坯。
锻压完成后，饼坯在锻压设备中取出。为了获得更均匀的微观组织，需要对锻压件进行静态再结晶退火，为了避免晶粒异常长大，退火温度选择在合金γ′相全溶温度以下进行退火，例如FGH96合金可以选择1100℃，FGH98合金可以选择1130℃。保温时间控制在1h。其它的后续加工处理还包括清理，机加工等为下一步模锻涡轮盘做好准备。
本发明不局限于在本说明书中所列的特殊具体实施例，可以进行各种改变和修正，而不背离所附权利要求书中定义新概念的宗旨和范围。
Claims (6)
1.一种制备难变形合金饼坯的快速等温锻造方法，其特征在于：包括如下步骤：
a.准备锻造坯料；
b.选用锻压设备和锻压模具，所选用的模具材料是一种在相应的锻造温度1050℃～1150℃和锻造变形速率下的蠕变强度高于锻造合金流变应力的镍基合金；
c.确定锻压温度为1050℃～1150℃，控制变形量50％～90％，变形速率0.001s-11s-1；
d.利用纤维毡和不锈钢对锻压坯料进行包套；
e.将包套好的锻造坯料和模具以升温-保温-升温-保温的加热曲线加热至锻造温度，升温速度控制在100～300℃/h，保温温度分两段，一段是700～900℃，另一段为1000～1100℃，保温时间控制在1～8h，根据锻压材料的成分和坯料尺寸确定；
f.将步骤(e)得到的坯料和锻压模具通过自动送料装置快速运送至卧式锻压设备并完成定位操作；
g.以0.001s-1～1s-1的变形速率锻压合金坯料获得饼坯；
h.将锻压获得的饼坯进行静态再结晶热处理，获得具有均匀等轴晶组织的饼坯件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的锻造坯料为FGH96合金或者FGH98合金，
FGH96合金的化学成分为：C：0.03wt％，Co：13wt％，Cr：16wt％，Mo：4wt％，W：4wt％，Ti：3.7wt％，Al：2.2wt％，Nb：0.77wt％，B：0.015wt％，Zr：0.05wt％，Fe：≤0.5wt％，Ni：余；
FGH98合金的化学成分为：C：0.03wt％，Co：18wt％，Cr：13wt％，Mo：3.8wt％，W：2wt％，Ti：3.5wt％，Al：3.5wt％，Nb：1.5wt％，Ta：2.7wt％，B：0.03wt％，Zr：0.05wt％，Fe：≤0.5wt％，Ni：余。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的静态再结晶热处理是锻造合金γ′全溶温度以下进行再结晶热处理，其中FGH96合金的热处理温度在1050℃～1120℃之间选择，FGH98合金的热处理温度在1050℃～1150℃之间选择；保温时间为1～2小时。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的模具材料选用一种镍基合金，化学成分为：C：0.05～0.15wt％，Cr：5～15wt％，Al：7～10wt％，Mo：0～8wt％，W：0～5wt％，Ta：0～3wt％，Hf：0～3wt％，Ti：0～2wt％，B：0.03～0.1wt％，Ni：余。
5.一种实现权利要求1所述方法的制备难变形合金饼坯的快速等温锻造装置，其特征在于：包括加热设备(9)、自动送料装置(11)、卧式液压锻造设备(12)，加热设备、导轨、自动送料装置和卧式液压锻造设备安装在同一轴线上，自动送料装置安装在导轨上，沿导轨前后滑动并置于加热设备和卧式液压锻造设备之间；加热设备的放料床、自动送料装置以及卧式液压锻造装置的模具和坯料的定位装置等高，以便于实现模具和坯料的快速转移过程。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述的卧式液压锻造设备包括预应力钢丝缠绕结构承力框架(13)、液压缸(14)、滑轨(15)、活塞定位装置(16)、模具定位滑块(17)、坯料定位装置(18)，液压缸连接在预应力钢丝缠绕结构承力框架左梁或右梁的内侧，在预应力钢丝缠绕结构承力框架的上梁和下梁上分别装有2条滑轨，活塞定位装置沿四条滑轨滑动，模具定位滑块沿下滑轨滑动，坯料定位装置在预应力钢丝缠绕结构承力框架内可沿上、下、前、后、左、右六个方向移动；卧式液压锻造设备的模具定位滑块附近配置火焰加热装置用于保持模具的温度，满足等温锻造的要求。
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