CN103934397B - 基于耐热合金的发动机涡轮盘制造工艺及装置 - Google Patents

Abstract

一种发动机零部件制造技术领域的基于耐热合金的发动机涡轮盘制造工艺及装置，采用GH4145毛坯，经预热后进行一次挤压，然后通过单独对凸模和凹模降温，并进行二次挤压，从而消除了毛坯侧表面形成瘤并制成涡轮盘锻件。使用较为便宜的镍基合金作为模具材质，模具本身采用无飞边槽的闭式结构，不仅降低了模锻力，而且节约了贵金属；相比现有技术必须在真空或惰性气体保护下才能工作，本发明在空气中即可等温模锻出带有双轮毂高质量涡轮盘，在提高贵金属利用率并减少机械加工余量的同时具有批量生产条件。

Description

基于耐热合金的发动机涡轮盘制造工艺及装置

技术领域

本发明涉及的是一种发动机零部件制造技术领域的方法及装置，具体是一种基于耐热合金的发动机涡轮盘优化制造工艺及装置。

背景技术

发动机涡轮盘是燃气轮机最重要、工作条件最恶劣零件之一。涡轮盘一般都用复杂合金化的高性能高温合金中的变形性能最差合金锻造成毛坯，再经机械加工而成零件。这种材料由于含有大量Ni、Cr元素，实施机械加工十分困难。目前，对毛坯的锻造一般都是开式模锻，甚至自由锻制坯，因此，锻出的锻件“肥头大耳”，机械加工量巨大，制造成本高居不下，产品质量难以满足航天、航空之需。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于耐热合金的发动机涡轮盘制造工艺及装置，使用较为便宜的镍基合金作为模具材质，模具本身采用无飞边槽的闭式结构，不仅降低了模锻力，而且节约了贵金属；打破了现有技术的误区，在同一副预锻和终锻模具中，采用不同温度范围，预锻模具采用1130℃，在终锻时模具温度降到中温900℃，不仅有效消除高温预锻时折叠，而且在空气中即可近似等温模锻出带有双轮毂高质量涡轮盘，相比现有技术必须在真空或惰性气体保护下才能工作苛刻条件，本发明在提高贵金属利用率并减少机械加工余量的同时具有批量生产条件。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于耐热合金的发动机涡轮盘制造工艺，包括以下步骤：

步骤1)采用GH4145高温合金，经过螺旋挤压获得直径为的具有超细晶粒的毛坯。

步骤2)将经过步骤1螺杆挤压后的毛坯进行喷丸清理以去除氧化皮后，在毛坯表面涂上玻璃润滑剂FR‐4，干燥后按轴向方式置于闭式模锻装置中进行预热，且该闭式模锻装置安装于16MN液压机上。

所述的闭式模锻装置为无飞边槽的闭式模具，包括：凸模、凹模以及活动设置于凹模中心的圆孔内的顶杆。

所述的凸模的外表面与凹模的内表面满足当温升到1130℃时仍保持0.1mm的单边间隙，不致凸模卡在凹模内。

所述的凹模中心与顶杆构成补偿空间，使得挤压过程中多余金属能够流入该补偿空间中，避免闷模并大幅度降低模锻力。

所述的补偿空间，K为考虑圆钢直径误差以及感应加热毛坯烧损量的补偿系数，K取值为1～3％原始毛坯体积。

所述的闭式模锻装置可设置于6.3～16MN压力机上，制备得到的涡轮盘毛坯最大直径为

所述的闭式模锻装置的外部优选设有气电混合加热装置进行加热，该气电混合加热装置的底部设有滚轮，当不需要加热时，可以方便移离。

所述的预热过程中，毛坯与凸模和凹模的温度相同。

步骤3)当毛坯的预热温度达到1130℃时，启动液压机的横梁在空气环境下以10～100mm/s的速度下降，当下降至毛坯压下10～20mm位置时，应变速率调整为10^‐2/s。

上述应变速率即表示变形的快慢，也即变形速度，单位是1/秒(摘自《金属塑性变形原理》机械工业出版社，1982年)

步骤4)当完成步骤3)后，将凸模和凹模降温，然后调整应变速率为10^‐3/s的速度继续下压，从而消除了毛坯侧表面形成瘤并制成涡轮盘锻件。

所述的降温是指：将凸模和凹模降至相对毛坯温度低150～230℃。

所述的降温优选通过调整气电混合加热装置的功率实现。

所述的高温合金是指：GH4145合金，其化学成分如表1所示。

表1

技术效果

与现有技术相比，本发明实现：

在涡轮盘的轮毂部位实现金属自由流动，变形沿着轮毂周围平板部分，压力的分布亦在此部位，故能够获得更大直径的毛坯；

在通用结构的模架上，只要更换凸模和顶杆，使用一副模具可以实现几个阶段变形，并可以锻出几个规格尺寸的锻件；

磨损的工作表面可用堆焊+机械加工方法多次修复。

所提供的涡轮盘毛坯具有超出标准规范要求的组织和稳定的力学性能。

与传统的在大功率压力机上等温模锻燃气轮机涡轮盘相比保证降低材料消耗1/2～2/5，同时减少机械加工量1/2～1/3。

由于终锻温度从1130℃降低到900℃，使原本终锻时要在真空中或惰性气体保护中成形的，而现在因温度降低了，氧化大为减少，可在空气中实现成形步骤。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图中：a为第一工步；b为第二工步；1凸模、2凹模、3顶杆、4毛坯。

图2为合金的强度极限和温度关系示意图；

图中：a为模具铸态合金K20，b为合金GH4145。

图3为实施例前所做的模拟试验，图中示出轴颈高度与沿毛坯高度压缩的变形程度ε关系示意图；

图中：纵坐标为轴颈高度h_z，单位为mm；横坐标为毛坯变形程度ε；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别对应轮毂轴颈径14、22、29mm。

由图可见，在同一孔径下，所需轮毂轴颈越高，变形程度越大；在同一轴颈高度下，孔径越小，所需变形程度越大。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例包括以下操作步骤：

步骤1.采用GH4145高温合金，经过螺旋挤压获得截面为133mm×133mm、长度375mm的具有超细晶粒的毛坯，其具体步骤为：

1.1)将挤压毛坯制成矩形截面四棱体；

所述的毛坯尺寸为：130mm×140mm、长度375mm。

1.2)将内置由步骤1.1)中得到的矩形截面四棱体的螺杆模具设置于液压机上并启动液压机，矩形截面四棱体经由挤压驱动机构推动并通过内部设有螺旋矩形截面通道的凹模机构。

所述的液压机输出力为25000～40000kN；

所述的步骤1.2由若干个挤压周期组成，在凹模机构的一个挤压周期中：

1.2.1)矩形截面四棱体经由挤压驱动机构推动从第一腔室位移到第二腔室，柱塞抵达支撑套筒的上平面。

1.2.2)柱塞上行，将带有矩形截面四棱体的凹模机构倒转，然后重复步骤1.2.1)，即到达第一腔室后完成一个挤压周期。

所述的倒转是指：将凹模机构倒转后依旧将柱塞下压，使得矩形截面四棱体又一次转到凹模机构的支撑套筒的上平面。

所述的挤压温度为中温900℃。

通过一次挤压周期的挤压后，矩形截面四棱体的晶粒尺寸d将大幅度减小，即当原始状态d＝20μΜ，则通过第一挤压工步后d≤10μΜ，经过一次挤压周期后d≤1μΜ；相应金属最大塑性变形结果ε_imax＝tanβ(β为挤压凹模中螺旋升角)，金属最小塑性变形结果ε_imin＝0.4+0.1tanβ；晶粒尺寸均匀性水平随着挤压工步数量的增加而增加。

步骤2：

2.1)将经过步骤1)螺杆挤压具有超细晶粒毛坯喷丸清理氧化皮后涂上玻璃润滑剂FR‐4，干燥后置于如图1a所示的闭式模锻装置中进行预热，且闭式模锻装置安装于16MN液压机上。

由于GH4145合金对温度十分敏感，因此温度不均往往是造成组织不均匀的重要原因之一。

2.2)当预热至温度达到1130℃时，启动液压机的横梁开始下降，这时的应变速率约为10～10²S^‐1；专用的等温模锻压力机工作横梁具有低的运动速度，甚至其运动速度在成形过程中可以降到0，提供了由于毛坯和闭式模锻装置中的凹模和凸模之间热交换在毛坯中建立了温度变化场，并相应获得在毛坯整个体积中材料变形抗力变化均匀分布。待到凹模和凸模快要闭合时，速度很慢，平均应变速率在10^‐3/s。在模锻的第一阶段，调整毛坯和凹模和凸模之间温度梯度是涡轮盘坯成形过程有效控制手段。

步骤3，在终锻工步，将凹模和凸模相对毛坯温度降低150～230℃并选择了变形速度规范10^‐3/s，从而消除了毛坯侧表面形成折叠。

凹模和凸模温度的降低，不仅消除预锻毛坯径向外表面折叠，而且因温度降低使凹模和凸模氧化大为减少以致可以在空气中变形。

如图2所示，经过上述实施及模拟实验，在终锻时的模具降温，保证闭式模锻装置K20强度始终比变形材料GH4145高出一倍，从而保证了高的闭式模锻装置寿命，避免必须使用昂贵的进口高温模具材料。

Claims (7)

1.一种基于耐热合金的发动机涡轮盘的制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)采用GH4145高温合金，经过螺旋挤压获得直径为φ150mm的具有超细晶粒的毛坯；

步骤2)将经过步骤1)螺旋挤压后的毛坯置于闭式模锻装置中进行预热；

步骤3)当毛坯的预热温度达到1130℃时，启动液压机的横梁在空气环境下以10~100mm/s的速度下降，当下降至毛坯压下10~20mm位置时，应变速率调整为10^-2~10^-3/s；

步骤4)当完成步骤3)后，将凸模和凹模降温，然后调整应变速率为10^-3/s的速度继续下压，从而消除了毛坯侧表面形成瘤，并制成涡轮盘锻件。

2.根据权利要求1所述的工艺，其特征是，步骤2)中，毛坯先经喷丸清理以去除氧化皮后，在毛坯表面涂上玻璃润滑剂并干燥后再置于闭式模锻装置中进行预热。

3.根据权利要求1所述的工艺，其特征是，所述的降温是指：将凸模和凹模的温度降至毛坯温度以下100~150℃。

4.根据权利要求1或2所述的工艺，其特征是，所述的预热过程中，毛坯与凸模和凹模的温度相同。

5.根据权利要求1所述的工艺，其特征是，步骤1)中所述的螺旋挤压具体包括：

1.1)将挤压毛坯制成矩形截面四棱体；

1.2)将内置有步骤1.1)中得到的矩形截面四棱体的螺杆模具设置于液压机上并启动液压机，矩形截面四棱体经由挤压驱动机构推动并通过内部设有螺纹矩形截面通道的凹模机构；

上述步骤1.2)由若干个挤压周期组成。

6.一种实现上述任一权利要求所述工艺的闭式模锻装置，其特征在于，该装置为无飞边槽的闭式模具，包括：凸模、凹模以及活动设置于凹模中心的圆孔内的顶杆；

所述的凸模的外表面与凹模的内表面满足当温度升到1130℃时仍保持0.1mm的单边间隙。

7.根据权利要求6所述的闭式模锻装置，其特征是，所述的闭式模锻装置的外部设有气电混合加热装置进行加热。