CN103990751B - 制备高合金化合金盘形锻件的3d整体锻造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制备高合金化难变形高温合金盘形锻件的3D整体锻造方法，包括如下步骤：定向锭坯的准备及高温均匀化处理→锭坯开坯→整形锻造成四方体→分别沿X、Y、Z三个方向依次锻造→整体锻造成圆柱→锻造至所需尺寸的盘形锻件→检验。通过本发明的3D整体锻造方法制备的盘形锻件具有均匀细小的微观组织。本发明生产周期短，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盘形锻件。

Description

制备高合金化合金盘形锻件的3D整体锻造方法

技术领域

本发明涉及一种锻造方法，具体涉及一种制备高合金化难变形合金盘形锻件的锻造方法。

背景技术

盘形锻件是航空发动机、燃气轮机最重要的热端零部件之一，由于盘形锻件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，因此对材料性能的要求极高。

目前制备盘形锻件的工艺主要有两种：常规铸锻工艺(Cast/Wrought，C/W)和粉末冶金工艺(PowderMetallurgy，P/M)。

采用常规铸锻工艺(Cast/Wrought，C/W)，该工艺利用真空感应熔炼+真空电弧重熔双联工艺制备锭坯，锭坯经均匀化退火后通过液压锻造设备沿轴向拔长锻造开坯成棒坯，总变形量控制在75％左右，然后将棒坯根据要求切成棒段，最后将棒段通过液压设备以一定的变形速率和变形量沿轴向镦锻成盘形锻件。这种传统的锻造方法存在以下几个方面的局限性：第一，它仅适合于合金化相对较低的合金，而对于先进航空发动机用的盘形锻件，由于其合金化程度更高，采用常规的双联工艺制备的锭坯中心偏析程度更严重，析出相尺寸更大，锭坯变形抗力增大，热加工窗口减小，造成锭坯无法完成锻造开坯；第二，锭坯锻造开坯是通过锻造设备局部依次锻造变形使坯料拔长的过程，这种锻造过程容易造成组织均匀性差的问题；第三，锻造开坯过程和镦锻过程均是沿轴向，会造成盘形锻件端面存在冷模组织和变形死区，不适合先进航空发动机使用的盘形锻件的制造。

对于先进航空发动机使用的最高使用温度在650℃以上的盘形锻件(例如FGH96合金)，通常采用粉末冶金工艺(PowderMetallurgy，P/M)制备锭坯，但粉末冶金工艺本身存在着原始颗粒边界(PPB)和大尺寸夹杂物等问题。欧美国家通常采用热挤压+等温锻造工艺，能够解决粉末冶金工艺制备的锭坯的原始颗粒边界(PPB)和大尺寸夹杂物等问题，而我国通常采用的热等静压+等温锻造工艺，无法从根本上解决粉末冶金工艺制备的锭坯的原始颗粒边界(PPB)和大尺寸夹杂物等问题，另外粉末冶金工艺生产周期长、材料成材率低、生产设备昂贵，导致粉末冶金工艺制备的盘形锻件的成本较高。

本申请的申请人--钢铁研究总院针对我国先进航空发动机盘形锻件制备过程中存在的问题，开成功发了ESR-CDS技术，并申请了“真空/气体保护电渣重熔连续定向凝固装置和方法”的中国发明专利(专利号：201010614036.0)。利用该项技术可制备大尺寸、高纯净、低偏析的定向凝固高合金化难变形高温合金锭坯，定向凝固锭坯具有良好的热加工性能，通过液压锻造设备就可完成锭坯锻造开坯过程，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℃)盘形锻件的问题，同时解决了粉末冶金工艺生产盘形锻件存在的原始颗粒边界(PPB)和大尺寸夹杂物以及价格昂贵等问题。

然而，真空/气体保护电渣重熔连续定向凝固锭坯通过常规锻造方法制备的盘形锻件不能达到对先进航空发动机用盘形锻件组织均匀性的要求。

因此，针对真空/气体保护电渣重熔连续定向凝固技术制备的高合金化合金锭坯，本发明研发了一种3D整体锻造方法，一方面能得到组织均匀性更好的盘形锻件，另一方面能降低制备成本。

发明内容

本发明的目的，是提供一种能制备先进航空发动机用高合金化合金盘形锻件的锻造方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种制备高合金化合金盘形锻件的3D整体锻造方法，使用的原料锭坯为电渣重熔连续定向凝固技术制备的圆柱形定向锭坯，该方法包括如下步骤：

a)对定向锭坯进行高温均匀化处理；

b)沿定向锭坯轴向镦锻开坯，并对定向锭坯设定三维直角坐标系，锭坯的轴线为Z轴；

c)然后将开坯后的圆盘坯整形锻造成四方体；

d)依次沿X、Y、Z三个方向分别锻造；

e)整体锻造成圆柱，X方向为端面；然后，沿X方向锻造至所需尺寸的盘形锻件；

f)对盘形锻件的晶粒度和组织均匀性进行检验，若平均晶粒度和组织均匀性达不到要求，则重复步骤c)～e)。

所述定向锭坯为镍基高温合金，其化学成分为：C：0.03-0.06wt％，Co：12.5-21wt％，Cr：13-16.5wt％，Mo：3.8-4.2wt％，W：2-4.2wt％，Ti：3.5-3.7wt％，Al：1.95-3.5wt％，Nb：0.6-1.5wt％，B：0.012-0.03wt％，Zr：0.03-0.05wt％，Ta：0～2.7wt％，Fe：≦0.5wt％，Ni：余量。

步骤a中，高温均匀化处理温度控制在1180℃～1220℃，保温时间不小于24小时。

步骤b中，开坯锻造采用多火次镦锻开坯工艺，开坯火次控制在2～4次，锻造温度控制在1100℃～1180℃，每火次的变形量控制在30％～50％，总变形量达到70％以上，名义变形速率控制在0.01～0.1s^-1，开坯后坯料的晶粒度达到6级或更细。

步骤d、e中，锻造时，每次锻造的变形量控制在30％～50％，锻造温度控制在1060℃～1150℃，名义变形速度控制在0.001s^-1～0.1s^-1。

步骤b、d、e中，每一次锻造前坯料采用纤维毡和不锈钢进行包套。

本方法采用下压速度及行程可控的液压锻造设备。

本发明针对的是先进航空发动机用的高合金化合金盘形锻件，采用常规的双联工艺制备的锭坯中心偏析程度和析出相尺寸较大，在开坯锻造过程中容易发生开裂，因此选择利用电渣重熔连续定向技术制备的定向凝固锭坯，该锭坯消除了中心的宏观偏析，能够有效提高锭坯的热加工塑性，锭坯开坯锻造前需进行均匀化处理，处理工艺根据选用材料的成分确定。

本发明提供的3D整体锻造技术需采用下压速度及行程可控的液压锻造设备，采用该设备可精确控制变形量和变形速度，从而控制锻造后坯料的组织。

镦锻时每火次的变形量控制在30％～50％，变形温度和变形速度根据锻造材料确定，因为变形小于30％时，往往不能满足坯料动态再结晶的要求，而超过50％时，坯料局部的剪切变形程度增大会造成组织不均匀。

锻造过程的变形温度，变形量和变形速度需根据具体材料和盘形锻件的组织要求确定，但锭坯开坯后的坯料晶粒度应达到6级或更细。

采用本发明的3D整体锻造方法制备的高合金化难变形合金盘形锻件有如下的特点：

1)大塑性变形工艺，强烈细化晶粒，改善力学性能；

2)整体变形，过程可控，组织均匀；

3)坯料端面和侧面互换，消除变形死区；

4)不同方向锻造，有利于消除锻造流线组织；

5)是一种制备均匀超细晶结构材料的有效方法；

6)工艺简单，成本低，易于实现工业化生产。

该方法制备的盘形锻件的组织均匀性能够达到或超过粉末冶金工艺制备的盘形锻件，且明显降低制备成本，该盘形锻件具有理想的晶粒组织，可以满足后续的模锻、热处理工艺对盘形锻件晶粒组织的要求。本发明方法制备的盘形锻件具有均匀等轴晶组织，可直接使用，也可作为下一步模锻件或环形件的坯料。

附图说明

图1为本发明的3D锻造技术的实施流程图。

图2为采用本发明实施例一制造的φ630mm盘形锻件实物图。

图3为实施例一中盘形锻件截面的低倍组织。

图4为实施例一中盘形锻件的微观组织。

图5为采用本发明实施例二制造的φ500mm盘形锻件实物图。

图6为实施例二中盘形锻件截面的低倍组织。

图7为实施例二盘形锻件的微观组织。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

实施例一

制备×120mm，平均晶粒度为6～7级的镍基高温合金盘形锻件

镍基高温合金的名义化学成分为：C：0.06wt％，Co：12.5wt％，Cr：16.5wt％，Mo：4.2wt％，W：4.2wt％，Ti：3.5wt％，Al：1.95wt％，Nb：0.6wt％，B：0.012wt％，Zr：0.03wt％，Fe：≦0.5wt％，余量为Ni。

如图1所示，实施例一的3D整体锻造技术包括以下步骤：

a)定向锭坯的准备及高温均匀化处理：定向锭坯是通过真空/气体保护电渣重熔连续定向凝固技术制备的由γ′相或其相关相强化的变形镍基高温合金，尺寸为×1100mm。定向锭坯经过高温均匀化处理以消除微观偏析，处理温度低于合金的固相线温度(Ts)并尽量高，对于本实施例合金来说，处理温度控制在1180℃～1220℃，保温时间不小于24小时；

b)轴向锭坯开坯：开坯锻造经2～4火次完成，锻造温度控制在1100℃～1150℃，每火次的变形量控制在30％～50％，总变形量超过70％，名义变形速率控制在0.01～0.1s^-1，开坯后坯料的晶粒度达到6级或更细；

c)整形锻造成四方体，并标记X、Y、Z三个方向；

d)分别沿X、Y、Z三个方向依次锻造，锻造变形量控制在30％～50％，锻造温度控制在1060℃～1110℃，名义变形速率控制在0.001s^-1～0.1s^-1；

e)整形锻造成圆柱，X方向为端面；然后，沿X方向锻造至×120mm的盘形锻件，锻造温度控制在1060℃～1110℃，每火次锻造变形量为30～50％，总变形量根据盘形锻件的尺寸确定，名义变形速率控制在0.001s^-1～0.1s^-1；

f)对盘形锻件的的晶粒度和组织均匀性进行检验，若平均晶粒度达不到6～7级，则重复步骤c～e；

其中，步骤b、d、e中，每一次锻造前坯料采用纤维毡和不锈钢进行包套。

实施例二

制备×80mm，平均晶粒度为8～9级的镍基高温合金盘形锻件。

镍基高温合金的名义化学成分为：C：0.03wt％，Co：21wt％，Cr：13wt％，Mo：3.8wt％，W：2wt％，Ti：3.7wt％，Al：3.5wt％，Nb：1.5wt％，Ta：2.7wt％，B：0.03wt％，Zr：0.05wt％，Fe：≦0.5wt％，余量为Ni。

如图1所示，实施例二的3D整体锻造技术包括以下步骤：

a)定向锭坯的准备及高温均匀化处理：定向锭坯是采用真空/气体保护电渣重熔连续定向凝固技术制备的合金锭坯，尺寸为×750mm。锭坯的均匀化热处理温度控制在1180℃～1220℃，保温时间不小于30小时；

b)轴向锭坯开坯：开坯锻造经2～4火次完成，锻造温度控制在1140℃～1180℃，每火次的变形量为30％～50％，总变形量超过70％，名义变形速率控制在0.01s^-1～0.1s^-1，开坯后坯料的晶粒度达到为6级或更细；

c)整形锻造成四方体，并标注X、Y、Z三个方向；

d)分别沿X、Y、Z三个方向依次锻造，锻造变形量控制在30％～50％，锻造温度控制在1100℃～1150℃，名义变形速率控制在0.01s^-1～0.1s^-1；

e)整体锻造成圆柱，X方向为端面；然后，沿X方向锻造至×80mm的盘形锻件，锻造温度控制在1100℃～1150℃，每火次锻造变形量为30％～50％，总变形量根据盘形锻件的尺寸确定，名义变形速率控制在0.001s^-1～0.01s^-1；

f)对盘形锻件的的晶粒度和组织均匀性进行检验，若平均粒度达不到8～9级，则重复步骤c～e；

其中，步骤b、d、e中，每一次锻造前坯料采用纤维毡和不锈钢进行包套。

图2-4分别为实施例一制造的盘形锻件的实物图、低倍组织和微观组织，从图2-4中可以看到，采用本发明的3D整体锻造技术制备的×120mm的盘形锻件，其尺寸符合要求，平均晶粒度为8～9级，中心的宏观偏析小、微观组织均匀，可以满足后续的模锻、热处理工艺对盘形锻件晶粒组织的要求。

同样地，图5-7分别为实施例二制造的盘形锻件的实物图、低倍组织和微观组织，从图5-7中可以看到，采用本发明的3D整体锻造技术制备的×80mm的盘形锻件，其各项特性均满足后续的模锻、热处理工艺对盘形锻件晶粒组织的要求。

Claims (7)

1.一种制备高合金化合金盘形锻件的3D整体锻造方法，使用的原料锭坯为电渣重熔连续定向凝固技术制备的圆柱形定向锭坯，其特征在于：

该方法包括如下步骤：

a)对定向锭坯进行高温均匀化处理；

b)沿定向锭坯轴向镦锻开坯，并对定向锭坯设定三维直角坐标系，锭坯的轴线为Z轴；

c)然后将开坯后的圆盘坯整形锻造成四方体；

d)依次沿X、Y、Z三个方向分别锻造；

e)整体锻造成圆柱，X方向为端面；然后，沿X方向锻造至所需尺寸的盘形锻件；

f)对盘形锻件的晶粒度和组织均匀性进行检验，若平均晶粒度和组织均匀性达不到要求，则重复步骤c)～e)。

2.根据权利要求1所述的整体锻造方法，其特征在于：

所述定向锭坯为镍基高温合金，其化学成分为：C：0.03-0.06wt％，Co：12.5-21wt％，Cr：13-16.5wt％，Mo：3.8-4.2wt％，W：2-4.2wt％，Ti：3.5-3.7wt％，Al：1.95-3.5wt％，Nb：0.6-1.5wt％，B：0.012-0.03wt％，Zr：0.03-0.05wt％，Ta：0～2.7wt％，Fe：≦0.5wt％，Ni：余量。

3.根据权利要求1所述的整体锻造方法，其特征在于：

步骤a中，高温均匀化处理温度控制在1180℃～1220℃，保温时间不小于24小时。

4.根据权利要求1所述的整体锻造方法，其特征在于：

步骤b中，开坯锻造采用多火次镦锻开坯工艺，开坯火次控制在2～4次，锻造温度控制在1100℃～1180℃，每火次的变形量控制在30％～50％，总变形量达到70％以上，名义变形速率控制在0.01～0.1s^-1，开坯后坯料的晶粒度达到6级或更细。

5.根据权利要求1所述的整体锻造方法，其特征在于：

步骤d、e中，锻造时，每次锻造的变形量控制在30％～50％，锻造温度控制在1060℃～1150℃，名义变形速率控制在0.001s^-1～0.1s^-1。

6.根据权利要求1所述的整体锻造方法，其特征在于：

步骤b、d、e中，每一次锻造前坯料采用纤维毡和不锈钢进行包套。

7.根据权利要求1所述的整体锻造方法，其特征在于：

本方法采用下压速度及行程可控的液压锻造设备。