CN103447341A - 一种粉末高温合金制坯的等通道挤压模具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粉末高温合金制坯的等通道挤压模具，是一种用于改善粉末高温合金坯料组织特征的等通道挤压模具，锻坯进入模具后，其截面分别经过圆截面到椭圆截面扭转到圆截面，这种变形为扭转剪切变形和挤压变形的结合，实现了一道次挤压过程中多种变形模式的组合。在变形扭转过渡段，由于椭圆扭转面的扭转变形，坯料在剪切应力的作用下，发生转动和剪切应变，实现晶粒的剪切破碎，达到细化晶粒的效果。同时，由于坯料受到型腔的限制，处于压应力状态下的坯料晶间变形困难，可抑制变形体原存在的各种微观缺陷的发展。由于挤压过程晶粒细化效果明显，原始颗粒边界消除彻底，粉末高温合金坯料的综合力学性能得到明显提高。

Description

一种粉末高温合金制坯的等通道挤压模具

技术领域

本发明涉及粉末高温合金的制坯技术领域，具体地说，涉及一种粉末高温合金制坯的等通道挤压模具。

背景技术

随着航空航天、造船、汽车工业的发展，粉末冶金技术被广泛应用于航空、船舶和工业燃气轮机的涡轮盘和叶片制造中，并且取得了快速的发展，已成为制造高性能涡轮盘和叶片的一种成熟、可靠的方法。制备高性能高温合金坯料，是先进航空发动机研制和生产过程中的关键工艺环节和制备基础。只有合理制坯，才能在后续成形及热处理工艺过程中，确保其成形性能、使用性能及工艺可靠性。粉末冶金方法生产制备高温合金时，每个粉末颗粒都是由微量液体金属快速冷凝而成，其成分偏析仅限制在粉末颗粒的内部。因此，粉末压制成的坯料具有组织均匀细小，不存在整体成分偏析问题。均匀的组织和细小的晶粒能使粉末冶金材料得到优异的力学性能和热工艺性能，从而减轻装备重量并降低生产成本。在现代高温合金研制中，其强度指标在很大程度上取决于晶粒的大小和晶粒与制件的厚度关系，所以对坯料进行晶粒细化和均匀化处理非常重要。制备粉末高温合金制件，通常采用热等静压、热等静压+等温锻造、热挤压等工艺。热等静压方法能有效地破碎非金属夹杂物以及原始颗粒边界，达到细化晶粒、提高合金成形性能和使用性能的目的，但该工艺对粉末的质量要求高；而热等静压+等温锻造工艺生产制备的合金，其强度和塑性指标比直接经热等静压后的合金有所提高，但持久强度几乎无变化，且工艺过程复杂，设备昂贵，所用粉末的粒度要求较高。采用热挤压方法也可以实现细化晶粒的目的，但需要采用大型挤压设备。为实现晶粒细化，Yan Beygelzimer提出了一种挤扭（TE）的新方法（J Mater Process Tech，2009，209(7):3650），但该方法仅适用于非圆形截面坯料。在专利CN102039324A和专利CN201862645U中公开了一种制备变通道超细晶铜铝线材的装置及制备方法，是将螺旋变通道挤压模具改制成拉拔模具，其提供的一拉两压应力状态，效果不及挤压模具的三向应力状态，并且该方法仅适用于直径较小的线材生产。在专利CN201371172Y中提出的一种变通道挤压模具和专利CN201711480U中介绍的一种用于长轴类锻件制坯的胎模，以及专利CN201862645U中描述的一种制备变通道超细晶铜铝线材的装置，都是采用由圆截面变为椭圆截面，再由椭圆截面变为圆截面的方法，利用扭转模具型腔成形预制工件，这种方法虽然具有载荷小、成本低、效率高和结构简单的特点，但现有技术中挤压模具的型腔将挤、扭过程分开，增加了工艺的复杂性和模具的结构尺寸，并且不能有效地实现挤扭过程协同作用下的简单剪切变形，而简单剪切变形能最大程度地细化晶粒，并消除粉末冶金材料的原始颗粒边界。

发明内容

为了克服现有技术中存在的制备材料晶粒尺度粗大、实验条件苛刻、工艺过程复杂的不足，本发明提出一种粉末高温合金制坯的等通道挤压模具，该模具可用于制备晶粒细小、组织均匀、无宏观偏析、合金化程度高、屈服强度和疲劳性能好的粉末高温合金坯料。通过改善粉末高温合金坯料组织特征可有效降低生产成本，提高生产效率，同时由于挤压过程中晶粒细化效果明显，原始颗粒边界消除彻底，粉末高温合金坯料的综合力学性能得到明显提高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:粉末高温合金制坯的等通道挤压模具包括圆台形引导段、变形扭转过渡段、圆形整形段，圆台形引导段型腔为变直径圆形通道，初始截面圆形直径为1.2D，终止处圆形直径为D，圆台形引导段长度为0.8D；变形扭转过渡段型腔包括圆台形引导段终止处圆形截面光滑过渡并扭转为椭圆截面、椭圆截面光滑过渡并扭转为圆形截面，圆台形引导段终止处圆形截面光滑过渡并扭转为椭圆截面的长轴与短轴比值为a，顺时针扭转角度为φ/2，型腔长度为b×D/2；椭圆截面光滑过渡并扭转为圆形截面直径为D，顺时针扭转角度为φ/2，型腔长度为b×D/2；圆形整形段型腔截面为直径等于D的圆形截面，圆形整形段的长度与直径相同。

所述变形扭转过渡段工艺参数，椭圆形截面的长短轴比值a为1.2-2.7、扭转角φ为26.5°-66.5°、变形扭转过渡段长度与锻坯直径比值b为0.7-1.5。

有益效果

本发明提出的一种粉末高温合金制坯的等通道挤压模具，是一种用于改善粉末高温合金坯料组织特征的等通道挤压模具，锻坯进入模具后，其截面分别经过圆截面到椭圆截面扭转到圆截面，这种变形为扭转剪切变形和挤压变形的结合，实现了一道次挤压过程中多种变形模式的组合。在变形扭转过渡阶段，由于椭圆扭转面的扭转变形，坯料在剪切应力的作用下，发生转动和剪切应变，实现了晶粒的剪切破碎，达到细化晶粒的效果。同时，由于坯料受到型腔的限制，处于强烈的压应力状态。压应力状态下的坯料晶间变形困难，可以抑制变形体原来存在的各种微观缺陷的发展。该模具结构简单，通用性强，可有效降低生产成本，提高生产效率，同时由于挤压过程中晶粒细化效果明显，原始颗粒边界消除彻底，粉末高温合金坯料的综合力学性能得到明显提高。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种粉末高温合金制坯的等通道挤压模具作进一步的详细说明。

图1为本发明等通道挤压模具的型腔结构示意图。

图2为本发明等通道挤压模具型腔截面示意图。

图3为圆台形引导段A-A处剖面示意图。

图4为变形扭转过渡段B-B处剖面示意图。

图5为圆形整形段C-C处剖面示意图。

图中:

1.圆台形引导段  2.变形扭转过渡段  3.圆形整形段

A-A面为圆台形引导段终止截面

B-B面为变形扭转过渡段椭圆形截面

C-C面为圆形整形端起始截面

具体实施方式

实施例一

本实施例是一种粉末高温合金制坯的等通道挤压模具，用于制备直径为300mm晶粒达到5～3级组织均匀的粉末高温合金FGH96锻坯，设备选用吨位为5000T的等温锻造液压机。将锻坯在加热炉中加热至1070℃，放入模具内并使锻坯的轴线与坯料挤压装置的中心线重合。

参阅图1-图5，本发明等通道挤压模具的型腔分为圆台形引导段1、变形扭转过渡段2、圆形整形段3；其中:圆台形引导段1的型腔为内径光滑的变直径圆形通道。在圆台形引导段1中，入口处初始截面的圆形直径为360mm，圆形终止截面A-A处的直径等于300mm，中间段截面光滑过渡。圆台形引导段1的长度为240mm。变形扭转过渡段2的型腔由两部分组成，首先由圆台形引导段终止处圆形截面A-A逐渐光滑过渡为椭圆形截面B-B，再由椭圆形截面B-B以相反的方式逐渐光滑过渡为直径300mm的圆形截面C-C。圆-椭圆变形扭转阶段A-B两端分别与圆台形引导段终止截面A-A和最优长短轴比的椭圆形截面B-B相连。在变形扭转过程中，椭圆形截面的面积始终等于圆台形引导段终止处圆形截面A-A的面积，但其长轴和短轴比例逐渐增大，由1增加至1.6。椭圆面的扭转角度也不断增大，顺时针逐渐旋转至20°。圆-椭圆变形扭转阶段A-B的长度为143mm。椭圆-圆变形扭转阶段B-C由长短轴比为1.6的椭圆形截面B-B逐渐光滑过渡为直径300mm的圆形截面C-C。此过程与之前的变形扭转过程相反，在此变形扭转过程中，椭圆形截面的面积依然等于圆台形引导段终止处圆形截面的面积，但其长短轴比例逐渐减小，由1.6减小至1。扭转角度在上一阶段的基础上顺时针再旋转20°，最终旋转至40°。椭圆-圆变形扭转过渡段B-C的长度为143mm。圆形整形段3型腔的截面为直径300mm的圆形截面，圆形整形段3的长度为300mm。本实施例中的模具能有效地破碎非金属夹杂物及其原始颗粒边界，并能通过多道次重复挤压细化晶粒，晶粒基本控制在5～3级，完成的直径为300mm的粉末高温合金FGH96坯料，组织较均匀、无宏观偏析，达到工业规格要求。

实施例二

本实施例是一种粉末高温合金制坯的等通道挤压模具，用于制备直径为600mm晶粒达到5～3级组织均匀的粉末高温合金FGH96锻坯，设备选用吨位为25000T等温锻造液压机。将锻坯在加热炉中加热至1150℃，放入模具内并使锻坯的轴线与坯料挤压装置的中心线重合。该等通道挤压模具的型腔分为圆台形引导段1、变形扭转过渡段2、圆形整形段3。其中，圆台形引导段1的型腔为内径光滑的变直径圆形通道。在圆台形引导段1中，入口处初始截面的圆形直径为720mm，圆形终止截面A-A的直径等于600mm，中间阶段截面光滑过渡。圆台形引导段1的长度为480mm。变形扭转过渡段2的型腔由两部分组成：首先由圆台形引导段终止处圆形截面A-A逐渐光滑过渡为椭圆形截面B-B，再由椭圆形截面B-B以相反的方式逐渐光滑过渡为直径600mm的圆形截面C-C。圆-椭圆变形扭转阶段A-B两端分别与圆台形引导段终止截面A-A和最优长短轴比的椭圆形截面B-B相连。在此变形扭转过程中，椭圆形截面的面积始终等于圆台形引导段终止处圆形截面A-A的面积，但其长轴和短轴比例逐渐增大，由1增加至1.3。椭圆面的扭转角度也不断增大，顺时针逐渐旋转至16°。圆-椭圆变形扭转阶段A-B的长度为354mm。椭圆-圆变形扭转阶段B-C由长短轴比为1.3的椭圆形截面B-B逐渐光滑过渡为直径600mm的圆形截面C-C。此过程与之前的变形扭转过程相反，在此变形扭转过程中，椭圆形截面的面积依然等于圆台形引导段终止处圆形截面的面积，但其长短轴比例逐渐减小，由1.3减小至1。扭转角度在上一阶段的基础上顺时针再旋转16°，最终旋转至32°。椭圆-圆变形扭转过渡段B-C的长度为354mm。圆形整形段3型腔的截面为直径600mm的圆形截面，圆形整形段3的长度为600mm。本实施例中的模具能有效地破碎非金属夹杂物及其原始颗粒边界，并能通过多道次重复挤压细化晶粒，晶粒基本控制在5～3级，完成的直径为600mm的粉末高温合金FGH96坯料，组织较均匀、无宏观偏析，达到工业规格要求。

实施例三

本实施例是用于制备直径为300mm晶粒达到5～3级组织均匀的粉末高温合金FGH95锻坯，设备选用吨位为6000T等温锻造液压机。将锻坯在加热炉中加热至1100℃，放入模具内并使锻坯的轴线与坯料挤压装置的中心线重合。该等通道挤压模具的型腔分为圆台形引导段1、变形扭转过渡段2、圆形整形段3。其中，圆台形引导段1的型腔为内径光滑的变直径圆形通道。在圆台形引导段1中，入口处初始截面的圆形直径为360mm，圆形终止截面A-A的直径等于300mm，中间阶段截面光滑过渡。圆台形引导段1的长度为240mm。变形扭转过渡段2的型腔由两部分组成，首先由圆台形引导段终止处圆形截面A-A逐渐光滑过渡为椭圆形截面B-B，再由椭圆形截面B-B以相反的方式逐渐光滑过渡为直径300mm的圆形截面C-C。圆-椭圆变形扭转阶段A-B两端分别与圆台形引导段终止截面A-A和最优长短轴比的椭圆形截面B-B相连。在此变形扭转过程中，椭圆形截面的面积始终等于圆台形引导段终止处圆形截面A-A的面积，但其长轴和短轴比例逐渐增大，由1增加至1.4。椭圆面的扭转角度也不断增大，顺时针逐渐旋转至18°。圆-椭圆变形扭转阶段A-B的长度为153mm。椭圆-圆变形扭转阶段B-C由长短轴比为1.4的椭圆形截面B-B逐渐光滑过渡为直径300mm的圆形截面C-C。此过程与之前的变形扭转过程相反，在此变形扭转过程中，椭圆形截面的面积依然等于圆台形引导段终止处圆形截面的面积，但其长短轴比例逐渐减小，由1.4减小至1。扭转角度在上一阶段的基础上顺时针再旋转18°，最终旋转至36°。椭圆-圆变形扭转过渡段B-C的长度为153mm。圆形整形段3型腔的截面为直径300mm的圆形截面，圆形整形段3的长度为300mm。本实施例中的模具能有效地破碎非金属夹杂物及其原始颗粒边界，并能通过多道次重复挤压细化晶粒，晶粒基本控制在5-3级，完成的直径为300mm的粉末高温合金FGH95坯料，组织较均匀、无宏观偏析，达到工业规格要求。

Claims (2)

1.一种粉末高温合金制坯的等通道挤压模具，其特征在于:包括圆台形引导段、变形扭转过渡段、圆形整形段，圆台形引导段型腔为变直径圆形通道，初始截面圆形直径为1.2D，终止处圆形直径为D，圆台形引导段长度为0.8D；变形扭转过渡段型腔包括圆台形引导段终止处圆形截面光滑过渡并扭转为椭圆截面、椭圆截面光滑过渡并扭转为圆形截面，圆台形引导段终止处圆形截面光滑过渡并扭转为椭圆截面的长轴与短轴比值为a，顺时针扭转角度为φ/2，型腔长度为b×D/2；椭圆截面光滑过渡并扭转为圆形截面直径为D，顺时针扭转角度为φ/2，型腔长度为b×D/2；圆形整形段型腔截面为直径等于D的圆形截面，圆形整形段的长度与直径相同。

2.根据权利要求1所述的粉末高温合金制坯的等通道挤压模具，其特征在于:所述变形扭转过渡段工艺参数，椭圆形截面的长短轴比值a为1.2-2.7、扭转角φ为26.5°-66.5°、变形扭转过渡段长度与锻坯直径比值b为0.7-1.5。

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