CN103009018B - 一种超细晶、高强度合金叶片锻件制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超细晶、高强度合金叶片锻件的制造方法，制造过程包括，挤压、终锻、切毛边、热处理，其特征在于：所述挤压过程前采用钡盐炉加热；所述挤压模具采用“菱形叶身和榫头”对开式方形锥台结构，并对挤压模具喉部进行强化处理；本发明缩短了模具设计周期和生产工艺流程，降低了材料消耗，节约了成本；同时制备出的锻件性能组织平均晶粒度细于10级，性能达到高强锻件的水平。

Description

一种超细晶、高强度合金叶片锻件制造方法

技术领域

本发明涉及高温合金叶片精锻领域，特别涉及了一种超细晶、高强度GH4169合金转子叶片锻件的制造方法。

背景技术

压气机叶片是燃气轮机和航空发动机等机械的重要工作部件，尤其是高压压气机转子叶片，不但要随压气机盘做3000~10000rpm以上的长时间高速旋转，受热、力条件复杂，且其叶身又极单薄，进、排气边缘厚度甚至达0.2mm，因此对材质和组织性能要求十分苛刻；叶片精锻解决了薄型面材料难加工这一难题，显著提高了叶片加工的效率，由于叶片精锻技术是材料热加工、精密检测、表面优化等技术在发动机高精度叶片制造上的综合运用，具有流程短、高效、低耗、优质众多特点，但是由于工艺、设备原因，高温合金精锻叶片还存在很多困难。

现有技术中对GH4169合金转子叶片锻件的制造，为其榫头平均晶粒度细于5级，叶身平均晶粒度细于7级，抗拉强度、持久等力学性能达到“普通强度”水平，其工艺流程为：第一步，将坯料加热1000℃～1150℃，挤杆，变形量：20％～60％，清理；第二步，将挤杆后的坯料加热1000℃～1150℃，墩头，变形量：20％～60％，清理；第三步，将墩头后的坯料加热900℃～1200℃，墩头，变形量：20％～60％，清理；第四步，将预锻后的坯料加热900℃～1200℃，进行终锻，变形量：20％～60％，清理；第五步，热处理，锻件进行固溶，固溶温度为1000℃～1100℃，后理化检验。

采用传统工艺流程很难做到超细晶粒、高强度的高温合金精锻叶片，其工序和加热方式等已经没有调整空间，因此，需要对工艺流程中的工序和加热方式进行优化设计，以制造出榫头平均晶粒度细于8级，叶身平均晶粒度细于10级，抗拉强度、持久等力学性能达到“高强”水平的叶片锻件。

发明内容

本发明的目的：提供了一种超细晶、高强度合金叶片锻件制造方法，通过对加热条件和模具设计的控制，将三道工序合并为一道工序。

本发明的技术方案：一种超细晶、高强度合金叶片锻件的制造方法，通过对加热条件和模具设计的控制，确定了能够实现超细晶、高强度高温合金叶片锻件的精锻工艺流程和工艺参数，其特征在于：所述加热条件，采用钡盐炉加热，坯料转移时间≤5s，加热温度1020℃±10℃，坯料和叶片加热时间＞3min；所述模具设计，模具材料选为耐磨的4Cr₅W₂VSi，在半径R的转接处堆焊合金材料Co₆₀Cr₃₀W₅Si₂，厚度1.0～1.5mm，焊前模块预热300℃～400℃，保温30～50min，堆焊时用小锤轻敲打焊料，焊后保温冷却；所述工艺流程和工艺参数包括：步骤一，将圆柱坯料钡盐炉加热，挤压成型菱形叶身和榫头，加热温度为1000℃～1020℃，挤压比为5～6左右，清理；步骤二，将挤压件钡盐炉加热，终锻成形叶身和榫头，加热温度为1000℃～1020℃，叶身变形量为40％～60％，榫头变形量为20％～40％，清理；步骤三，热处理，真空固溶，加热温度为970℃～980℃，保温1～2小时后理化检测。

本发明的有益效果：与传统制造方法相比减少了三套工序，缩短了模具设计周期和生产工艺流程，降低了材料消耗，节约了成本；同时制备出的锻件性能组织平均晶粒度细于10级，性能达到高强锻件的水平。

附图说明

图1是传统合金叶片制造流程图。

图2是本发明合金叶片精锻制造流程图。

具体实施方式

下面结合附图1～2和实施例具体说明本发明的内容。

如图1所示，传统合金叶片精密锻造工艺流程是：1圆柱坯料―21挤压成型圆柱叶身―22墩头成型方形榫头―23预成型叶身和榫头―3终成形叶身和榫头―4切毛边―5热处理―6理化检测；该流程是目前国内外对不锈钢、钛合金叶片广泛采用的流程，但采用该流程很难做到超细晶粒、高强度的高温合金精锻叶片，其工序和加热方式等已经没有调整空间。

如图2所示，本发明合金叶片精锻制造流程图：1圆柱坯料―2挤压成型菱形叶身和榫头―3终锻成形叶身和榫头―4切毛边―5热处理―6理化检测；该流程将“21挤压成型圆柱叶身―22墩头成型方形榫头―23预成型叶身和榫头”三道工序合并为“2挤压成型菱形叶身和榫头”一道工序，因此缩短了流程，且该流程中“菱形叶身和榫头”结构较“圆柱叶身+圆形榫头”结构明显降低了材料消耗。

本发明所述的优化高温合金叶片精锻制造流程，具体实施过程为：首先，将圆柱坯料钡盐炉加热，挤压成型菱形叶身和榫头，加热温度为1000℃～1020℃，挤压比为5～6左右，清理；其次，将挤压件钡盐炉加热，终锻成形叶身和榫头，加热温度为1000℃～1020℃，叶身变形量为40％～60％，榫头变形量为20％～40％，清理；最后，热处理，真空固溶，加热温度为970℃～980℃，保温1～2小时后理化检测；所述清理过程：对挤压用圆柱坯料采用外圆磨，倒圆角；对菱形挤压坯进行腐蚀、吹沙和振动光饰；对终锻叶片进行腐蚀、吹沙和振动光饰、抛光等方法，去除表面缺陷。

叶片坯料挤压模具的设计制造及表面强化方式是本发明的重要环节，是缩短流程、节约材料消耗的关键；但挤压坯料变形量较大，模具承受的反作用力和摩擦力也大，需要对模具结构、模具材料精心选择，同时还要对喉部进行强化；因此模具设计制造和强化方案是需要解决的重要问题。

本发明优选实施例中，采用挤压“菱形叶身和榫头”的模具结构，所述“菱形叶身和榫头”的模具结构较传统“圆柱叶身+圆形榫头”的模具结构有较大差别，“圆柱叶身+圆形榫头”的模具结构为圆筒形整体结构，“菱形叶身和榫头”的模具结构为对开式方形锥台结构，为了提高模具寿命，对喉部进行了强化处理，本发明“菱形叶身和榫头”的模具结构具体设计过程为：模具材料选为耐磨的4Cr₅W₂VSi，为提高模具寿命，在半径R的转接处堆焊合金材料Co₆₀Cr₃₀W₅Si₂，厚度1.0～1.5mm，焊前模块预热300℃～400℃，保温30～50min，堆焊时用小锤轻敲打焊料，易于应力释放，防止开裂；每套模具焊2次，焊后保温冷却。

锻件加热过程：GH4169合金是靠δ相和γ′相强化的镍基高温合金，晶粒度、δ相和γ′相对锻造加热参数和变形量比较敏感，不同的参数得到不同的组织结构，进而影响强度和塑性指标；要想获得理想的组织性能，同时对余量较小的精锻叶片进行表面氧化和元素贫化的严格控制，必须对坯料和锻件的加热制度进行优化。

本发明优选实施例中，采用钡盐炉加热，它的优点是具有加热速度快，温度均匀和不易氧化、脱碳等，在坯料挤压或锻造过程中，无需再在坯料表面涂覆任何润滑剂；同时要求坯料的转移时间很严≤5s，一旦时间超过5s，则钡盐变冷，形成硬壳，在锻件表面留下凹坑；本发明优选实施例中，采用加热温度1020℃±10℃，坯料和叶片加热时间＞3min；每次加热7次，循环加热，此方法比电炉加热缩短了加热时间近17min，提高生产效率85％。

传统制备工艺中，高温合金在多次的加热过程后，锻件表层的碳、硼等合金元素易被烧蚀和贫化，甚至诱发锻件表层晶粒粗化，导致拉伸塑性和冲击韧性下降，高温持久力明显降低，对此需要进行了叶片锻后表面贫化的检验。

本发明由于整个锻造加热过程中均采用了钡盐炉加热，熔融的氯化钡在坯料表面形成一层致密的润滑层，使坯料不易氧化、脱碳等，坯料表面几乎没有贫化层产生。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的申请范围；凡其他未脱离本发明所揭示的实质下所完成的等效改变或修饰，均应包含在下述的权利要求书范围内。

Claims (4)

1.一种超细晶、高强度合金叶片锻件制造方法，制造过程包括挤压、终锻、切毛边、热处理，其特征在于：挤压过程为，先将坯料用钡盐炉加热；挤压模具采用“菱形叶身和榫头”对开式方形锥台结构，并对挤压模具喉部进行强化处理；

钡盐炉加热过程中，坯料转移时间≤5s，加热温度1020℃±10℃，坯料加热时间＞3min；

挤压模具喉部强化方式为，在喉部的转接处堆焊合金材料Co₆₀Cr₃₀W₅Si₂，厚度1.0～1.5mm；焊前对模具预热、保温，预热温度为300℃～400℃，保温时间为30～50min；堆焊时用小锤轻敲打焊料，焊后保温冷却；所述挤压模具的制造材料选用4Cr₅W₂VSi。

2.根据权利要求1所述的超细晶、高强度合金叶片锻件制造方法，其特征在于：坯料用钡盐炉加热，加热温度为1020℃，然后挤压成型“菱形叶身和榫头”，挤压比为5～6。

3.根据权利要求1所述的超细晶、高强度合金叶片锻件制造方法，其特征在于：所述终锻过程为，先将挤压件钡盐炉加热，加热温度为1000℃～1020℃，然后终锻成型“菱形叶身和榫头”，叶身变形量为40％～60％，榫头变形量为20％～40％。

4.根据权利要求1所述的超细晶、高强度合金叶片锻件制造方法，其特征在于：所述热处理过程为，真空固溶，加热温度为970℃～980℃，保温1～2小时。