CN105436373A - 一种镍基粉末高温合金锭超塑性等温闭式镦饼制坯方法 - Google Patents
一种镍基粉末高温合金锭超塑性等温闭式镦饼制坯方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明是一种镍基粉末高温合金锭超塑性等温闭式镦饼制坯方法，本发明针对镍基粉末高温合金锭自由锻镦饼制坯过程中，坯料心部和表层所受应力状态不同，坯料圆周方向金属自由变形流动，无法精确控制变形发展的技术条件下，用闭式镦饼方法制坯以替代原有的自由状态镦饼制坯方法。本方法将镍基粉末高温合金锭加热到其再结晶温度以上进行超塑性等温闭式镦饼变形，利用型腔对金属坯料流动的限制及闭式镦饼变形的三向压应力状态提高镍基粉末高温合金锭的塑性，使其发挥最大的塑性变形，改善饼坯的应力分布，提高坯料组织均匀性，制备出外观质量完整、尺寸精度高及微观组织结构和能量均匀化程度高的镍基粉末高温合金饼坯。
Description
技术领域
本发明是一种镍基粉末高温合金锭超塑性等温模锻前的制坯方法，属于热加工技术领域，涉及镍基粉末高温合金锭制坯变形方法的改进。
背景技术
镍基粉末高温合金涡轮盘件制造技术是先进航空发动机的标志之一，目前世界上只有少数几个国家掌握了粉末高温合金部件的生产技术，以俄罗斯和美国为代表，主要生产工艺方法：粉末热挤压+超塑性锻造成型或热等静压+热挤压+超塑性锻造成型，其工艺特点都为在大吨位黑色金属挤压设备条件下，利用大挤压比的变形使毛坯获得超细晶的组织结构，破碎粉末颗粒原始边界(PPB)，破碎和分散合金中的非金属夹杂物，为随后的超塑性锻造创造有利的组织条件。
我国根据现有的生产条件，粉末涡轮盘的研制主要采用了热等静压+超塑性等温锻造(自由镦饼+模锻)或热等静压+热挤压+超塑性等温锻造(自由镦饼+模锻)的工艺路线。如果镍基粉末高温合金锭不经过自由镦饼工序，只采用一火超塑性等温模锻成形，由于变形量过大，盘件在模锻成形过程中容易开裂，且盘件各部分变形分布不均匀，导致盘件组织不均匀。国内的超塑性等温锻造采用自由锻镦饼制坯+等温模锻成型,降低模锻成形时盘件的变形量，但由于自由锻镦饼时坯料心部和表层所受应力状态不同，坯料在镦饼过程中除与上、下平模接触的金属部分受到约束外，金属坯料朝其它各个方向均能自由变形流动，不受外部限制，故无法精确控制坯料变形后圆周方向的尺寸，模锻前还要对饼坯圆周方向进行机加。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种镍基粉末高温合金锭超塑性等温闭式镦饼制坯方法，其目的是提供一种微观组织结构及能量均匀性化程度高且外观质量完整、尺寸精度高的盘件成型用镍基粉末高温合金饼坯。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种镍基粉末高温合金锭超塑性等温闭式镦饼制坯方法，所述镍基粉末高温合金锭是镍基高温合金粉末通过热等静压成型获得，其特征在于：该制坯方法的步骤如下：
步骤一、对镍基粉末高温合金锭进行缓冷处理
将镍基粉末高温合金锭加热到1100℃～1200℃进行保温，保温时间按以下公式计算：
T＝D×(0.6～0.9)min/mm
式中：T为镍基粉末高温合金锭保温时间，D为镍基粉末高温合金锭直径；
保温结束后随炉缓冷至100℃以下，出炉覆盖保温棉缓冷至室温；
步骤二、对镍基粉末高温合金锭机加定位孔及表面吹砂和润滑处理
在镍基粉末高温合金锭端面中心机加用于在闭式镦饼过程中定位的定位盲孔(5)，然后对镍基粉末高温合金锭表面进行吹砂，之后在镍基粉末高温合金锭表面涂敷玻璃润滑剂，该玻璃润滑剂的化学成分及重量百分比为：20～30％的玻璃A，4～18％的玻璃B，3～5％的玻璃C，3～5％的Cr2O3，1～3％的Al2O3，2～4％的黏土，35～40％耐热型水溶性纤维素和余量的水。该玻璃润滑剂的配制方法为：按重量百分比配制好玻璃润滑剂包含的各种成分后，将其混合在一起，搅拌均匀即可。
步骤三、预制坯加热
将镍基粉末高温合金锭加热到1050℃～1150℃进行保温，保温时间按以下公式计算：
T＝D×(0.6～0.9)min/mm
式中：T为镍基粉末高温合金锭保温时间，D为镍基粉末高温合金锭直径；
步骤四、闭式镦饼模具加热
将闭式镦饼模具加热到1000℃～1100℃进行保温，模具保温时间不小于3h；
所述闭式镦饼模具由上模(1)、下模(3)和下模芯(4)组成，由N3材料制成，下模(3)的上部中心处加工有内凹的、用于镍基粉末高温合金锭闭式镦饼充填的型腔(7)，该型腔(7)的底部为一个用于装配下模芯(4)的通孔(8)，该下模芯(4)的顶部加工一个凸台(6)，该凸台(6)与镍基粉末高温合金锭底部中心的定位盲孔(5)相配合；
步骤五、闭式镦饼过程
将加热保温结束的镍基粉末高温合金锭在1～5min内放入下模(3)的型腔(7)中，使用液压机通过上模(1)对镍基粉末高温合金锭施压，使镍基粉末高温合金锭充满下模(3)的型腔(7)，液压机的下压速度为0.01mm/s～10mm/s，当镍基粉末高温合金锭充满下模(3)的型腔(7)形成镍基粉末高温合金饼坯，上模(1))与下模(3)接触时，停止施压，取出镍基粉末高温合金饼坯后用保温棉覆盖表面，冷却至室温，保温棉的厚度为10mm～20mm；
步骤六、镍基粉末高温合金饼坯冷却至室温后，对其表面进行吹砂，然后检查镍基粉末高温合金饼坯外观质量并测量尺寸。
本发明具有的特点和有益效果是：
本发明主要针对镍基粉末高温合金锭自由锻镦饼制坯过程中，坯料心部和表层所受应力状态不同，坯料圆周方向金属自由变形流动，无法精确控制变形发展的技术条件下，用闭式镦饼方法制坯以替代原有的自由状态镦饼制坯方法，回避了国内在自由锻镦饼制坯工艺技术上的不足。
本发明方法的基本原理是将镍基粉末高温合金锭加热到其再结晶温度以上进行超塑性等温闭式镦饼变形，利用型腔对金属坯料流动的限制及闭式镦饼变形的三向压应力状态提高镍基粉末高温合金锭的塑性，使其发挥最大的塑性变形，改善饼坯的应力分布，提高坯料组织均匀性，制备出外观质量完整、尺寸精度高及微观组织结构和能量均匀化程度高的镍基粉末高温合金饼坯。
与国内自由锻镦饼制坯的工艺方法相比，其优点主要体现在：
第一，超塑性等温闭式镦饼变形时，模具型腔内的镍基粉末高温合金锭处于三向压应力状态，可有效提高合金塑性，变形的宏观均匀化程度高，整体应力分布得到改善；
第二，通过超塑性等温闭式镦饼变形，以达到改善坯料组织，外观质量完整、尺寸精度高及微观组织结构和能量均匀化程度高的镍基粉末高温合金饼坯；
附图说明
图1为本发明方法中闭式镦饼模具装配结构示意图
图2为本发明方法中闭式镦饼模具的下模芯的结构示意图
图3为本发明方法中闭式镦饼模具的下模的结构示意图
图4～7分别为本发明方法实施例1～4得到的镍基粉末高温合金饼坯的微观组织形貌图片
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
参见附图1～3所示，以下实施例中，本发明方法中使用的闭式镦饼模具是由上模(1)、下模(3)和下模芯(4)组成，由N3材料制成，下模(3)的上部中心处加工有内凹的、用于镍基粉末高温合金锭闭式镦饼充填的型腔(7)，该型腔(7)的底部为一个用于装配下模芯(4)的通孔(8)，该下模芯(4)的顶部加工一个凸台(6)，该凸台(6)与镍基粉末高温合金锭底部中心的定位盲孔(5)相配合。
以下实施例中，本发明方法中使用的玻璃润滑剂的化学成分及重量百分比为：20～30％的玻璃A，4～18％的玻璃B，3～5％的玻璃C，3～5％的Cr2O3，1～3％的Al2O3，2～4％的黏土，35～40％耐热型水溶性纤维素和余量的水。该玻璃润滑剂的配制方法为：按重量百分比配制好玻璃润滑剂包含的各种成分后，将其混合在一起，搅拌均匀即可。
以下实施例中，所述镍基粉末高温合金锭是镍基高温合金粉末通过热等静压成型获得的。
实施例1
该种镍基粉末高温合金锭超塑性等温闭式镦饼制坯方法的步骤如下：
步骤一、对镍基粉末高温合金锭进行缓冷处理
镍基粉末高温合金锭外廓尺寸Ф325×410mm，将镍基粉末高温合金锭加热到1120℃进行保温，保温时间按以下公式计算：
T＝D×0.7min/mm
式中：T为镍基粉末高温合金锭保温时间，D为镍基粉末高温合金锭直径；
保温结束后随炉缓冷至80℃以下，出炉覆盖保温棉缓冷至室温；
步骤二、对镍基粉末高温合金锭机加定位孔及表面吹砂和润滑处理
在镍基粉末高温合金锭端面中心机加用于在闭式镦饼过程中定位的定位盲孔(5)，然后对镍基粉末高温合金锭表面进行吹砂，之后在镍基粉末高温合金锭表面涂敷玻璃润滑剂；
步骤三、预制坯加热
将镍基粉末高温合金锭加热到1080℃进行保温，保温时间按以下公式计算：
T＝D×0.8min/mm
式中：T为镍基粉末高温合金锭保温时间，D为镍基粉末高温合金锭直径；
步骤四、闭式镦饼模具加热
将闭式镦饼模具加热到1050℃进行保温，模具保温时间3h；
步骤五、闭式镦饼过程
将加热保温结束的镍基粉末高温合金锭在2min内放入下模(3)的型腔(7)中，使用液压机通过上模(1)对镍基粉末高温合金锭施压，使镍基粉末高温合金锭充满下模(3)的型腔(7)，液压机的下压速度为1mm/s,当镍基粉末高温合金锭充满下模(3)的型腔(7)形成镍基粉末高温合金饼坯，上模(1))与下模(3)接触时，停止施压，取出镍基粉末高温合金饼坯后用保温棉覆盖表面，冷却至室温，保温棉的厚度为10mm；
步骤六、镍基粉末高温合金饼坯冷却至室温后，对其表面进行吹砂，然后检查镍基粉末高温合金饼坯外观完好无裂纹，测量饼坯直径为540mm。
参见附图4所示，通过饼坯的微观组织形貌图片可以看出，晶粒组织均匀，平均晶粒度5～8μm。
实施例2
该种镍基粉末高温合金锭超塑性等温闭式镦饼制坯方法的步骤如下：
步骤一、对镍基粉末高温合金锭进行缓冷处理
镍基粉末高温合金锭外廓尺寸Ф325×410mm，将镍基粉末高温合金锭加热到1130℃进行保温，保温时间按以下公式计算：
T＝D×0.7min/mm
式中：T为镍基粉末高温合金锭保温时间，D为镍基粉末高温合金锭直径；
保温结束后随炉缓冷至80℃以下，出炉覆盖保温棉缓冷至室温；
步骤二、对镍基粉末高温合金锭机加定位孔及表面吹砂和润滑处理
在镍基粉末高温合金锭端面中心机加用于在闭式镦饼过程中定位的定位盲孔(5)，然后对镍基粉末高温合金锭表面进行吹砂，之后在镍基粉末高温合金锭表面涂敷玻璃润滑剂；
步骤三、预制坯加热
将镍基粉末高温合金锭加热到1100℃进行保温，保温时间按以下公式计算：
T＝D×0.8min/mm
式中：T为镍基粉末高温合金锭保温时间，D为镍基粉末高温合金锭直径；
步骤四、闭式镦饼模具加热
将闭式镦饼模具加热到1070℃进行保温，模具保温时间4h；
步骤五、闭式镦饼过程
将加热保温结束的镍基粉末高温合金锭在2min内放入下模(3)的型腔(7)中，使用液压机通过上模(1)对镍基粉末高温合金锭施压，使镍基粉末高温合金锭充满下模(3)的型腔(7)，液压机的下压速度为2mm/s,当镍基粉末高温合金锭充满下模(3)的型腔(7)形成镍基粉末高温合金饼坯，上模(1))与下模(3)接触时，停止施压，取出镍基粉末高温合金饼坯后用保温棉覆盖表面，冷却至室温，保温棉的厚度为10mm；
步骤六、镍基粉末高温合金饼坯冷却至室温后，对其表面进行吹砂，然后检查镍基粉末高温合金饼坯外观完好无裂纹，测量饼坯直径为540mm。
参见附图5所示，通过饼坯的微观组织形貌图片可以看出，晶粒组织均匀，平均晶粒度10～15μm。
实施例3
该种镍基粉末高温合金锭超塑性等温闭式镦饼制坯方法的步骤如下：
步骤一、对镍基粉末高温合金锭进行缓冷处理
镍基粉末高温合金锭外廓尺寸Ф310×330mm，将镍基粉末高温合金锭加热到1120℃进行保温，保温时间按以下公式计算：
T＝D×0.7min/mm
式中：T为镍基粉末高温合金锭保温时间，D为镍基粉末高温合金锭直径；
保温结束后随炉缓冷至80℃以下，出炉覆盖保温棉缓冷至室温；
步骤二、对镍基粉末高温合金锭机加定位孔及表面吹砂和润滑处理
在镍基粉末高温合金锭端面中心机加用于在闭式镦饼过程中定位的定位盲孔(5)，然后对镍基粉末高温合金锭表面进行吹砂，之后在镍基粉末高温合金锭表面涂敷玻璃润滑剂；
步骤三、预制坯加热
将镍基粉末高温合金锭加热到1080℃进行保温，保温时间按以下公式计算：
T＝D×0.8min/mm
式中：T为镍基粉末高温合金锭保温时间，D为镍基粉末高温合金锭直径；
步骤四、闭式镦饼模具加热
将闭式镦饼模具加热到1050℃进行保温，模具保温时间3h；
步骤五、闭式镦饼过程
将加热保温结束的镍基粉末高温合金锭在2min内放入下模(3)的型腔(7)中，使用液压机通过上模(1)对镍基粉末高温合金锭施压，使镍基粉末高温合金锭充满下模(3)的型腔(7)，液压机的下压速度为1mm/s,当镍基粉末高温合金锭充满下模(3)的型腔(7)形成镍基粉末高温合金饼坯，上模(1))与下模(3)接触时，停止施压，取出镍基粉末高温合金饼坯后用保温棉覆盖表面，冷却至室温，保温棉的厚度为10mm；
步骤六、镍基粉末高温合金饼坯冷却至室温后，对其表面进行吹砂，然后检查镍基粉末高温合金饼坯外观完好无裂纹，测量饼坯直径为440mm。
参见附图6所示，通过饼坯的微观组织形貌图片可以看出，晶粒组织均匀，平均晶粒度6～8μm。
实施例4
该种镍基粉末高温合金锭超塑性等温闭式镦饼制坯方法的步骤如下：
步骤一、对镍基粉末高温合金锭进行缓冷处理
镍基粉末高温合金锭外廓尺寸Ф310×330mm，将镍基粉末高温合金锭加热到1130℃进行保温，保温时间按以下公式计算：
T＝D×0.7min/mm
式中：T为镍基粉末高温合金锭保温时间，D为镍基粉末高温合金锭直径；
保温结束后随炉缓冷至80℃以下，出炉覆盖保温棉缓冷至室温；
步骤二、对镍基粉末高温合金锭机加定位孔及表面吹砂和润滑处理
在镍基粉末高温合金锭端面中心机加用于在闭式镦饼过程中定位的定位盲孔(5)，然后对镍基粉末高温合金锭表面进行吹砂，之后在镍基粉末高温合金锭表面涂敷玻璃润滑剂；
步骤三、预制坯加热
将镍基粉末高温合金锭加热到1100℃进行保温，保温时间按以下公式计算：
T＝D×0.8min/mm
式中：T为镍基粉末高温合金锭保温时间，D为镍基粉末高温合金锭直径；
步骤四、闭式镦饼模具加热
将闭式镦饼模具加热到1070℃进行保温，模具保温时间4h；
步骤五、闭式镦饼过程
将加热保温结束的镍基粉末高温合金锭在2min内放入下模(3)的型腔(7)中，使用液压机通过上模(1)对镍基粉末高温合金锭施压，使镍基粉末高温合金锭充满下模(3)的型腔(7)，液压机的下压速度为2mm/s,当镍基粉末高温合金锭充满下模(3)的型腔(7)形成镍基粉末高温合金饼坯，上模(1))与下模(3)接触时，停止施压，取出镍基粉末高温合金饼坯后用保温棉覆盖表面，冷却至室温，保温棉的厚度为10mm；
步骤六、镍基粉末高温合金饼坯冷却至室温后，对其表面进行吹砂，然后检查镍基粉末高温合金饼坯外观完好无裂纹，测量饼坯直径为440mm。
参见附图7所示，通过饼坯的微观组织形貌图片可以看出，晶粒组织均匀，平均晶粒度10～13μm。
与现有的自由锻镦饼制坯相比，本发明提出的闭式镦饼制坯，回避了国内在自由锻制坯工艺技术上的不足，通过闭式镦饼即可得到后续盘件模锻成型所需的符合要求的镍基粉末高温合金饼坯，该发明方法使工艺过程和设备参数达到可控一致，可有效提高合金塑性，变形的宏观均匀化程度，使饼坯整体应力分布得到改善，制备出外观质量完整、尺寸精度高及微观组织结构和能量均匀化程度高的镍基粉末高温合金饼坯。
Claims (1)
1.一种镍基粉末高温合金锭超塑性等温闭式镦饼制坯方法，所述镍基粉末高温合金锭是镍基高温合金粉末通过热等静压成型获得，其特征在于：该制坯方法的步骤如下：
步骤一、对镍基粉末高温合金锭进行缓冷处理
将镍基粉末高温合金锭加热到1100℃～1200℃进行保温，保温时间按以下公式计算：
T＝D×(0.6～0.9)min/mm
式中：T为镍基粉末高温合金锭保温时间，D为镍基粉末高温合金锭直径；
保温结束后随炉缓冷至100℃以下，出炉覆盖保温棉缓冷至室温；
步骤二、对镍基粉末高温合金锭机加定位孔及表面吹砂和润滑处理
在镍基粉末高温合金锭端面中心机加用于在闭式镦饼过程中定位的定位盲孔(5)，然后对镍基粉末高温合金锭表面进行吹砂，之后在镍基粉末高温合金锭表面涂敷玻璃润滑剂，该玻璃润滑剂的化学成分及重量百分比为：20～30％的玻璃A，4～18％的玻璃B，3～5％的玻璃C，3～5％的Cr2O3，1～3％的Al2O3，2～4％的黏土，35～40％耐热型水溶性纤维素和余量的水。该玻璃润滑剂的配制方法为：按重量百分比配制好玻璃润滑剂包含的各种成分后，将其混合在一起，搅拌均匀即可。
步骤三、预制坯加热
将镍基粉末高温合金锭加热到1050℃～1150℃进行保温，保温时间按以下公式计算：
T＝D×(0.6～0.9)min/mm
式中：T为镍基粉末高温合金锭保温时间，D为镍基粉末高温合金锭直径；
步骤四、闭式镦饼模具加热
将闭式镦饼模具加热到1000℃～1100℃进行保温，模具保温时间不小于3h；
所述闭式镦饼模具由上模(1)、下模(3)和下模芯(4)组成，由N3材料制成，下模(3)的上部中心处加工有内凹的、用于镍基粉末高温合金锭闭式镦饼充填的型腔(7)，该型腔(7)的底部为一个用于装配下模芯(4)的通孔(8)，该下模芯(4)的顶部加工一个凸台(6)，该凸台(6)与镍基粉末高温合金锭端面中心的定位盲孔(5)相配合；
步骤五、闭式镦饼过程
将加热保温结束的镍基粉末高温合金锭在1～5min内放入下模(3)的型腔(7)中，使用液压机通过上模(1)对镍基粉末高温合金锭施压，使镍基粉末高温合金锭充满下模(3)的型腔(7)，液压机的下压速度为0.01mm/s～10mm/s，当镍基粉末高温合金锭充满下模(3)的型腔(7)形成镍基粉末高温合金饼坯，上模(1))与下模(3)接触时，停止施压，取出镍基粉末高温合金饼坯后用保温棉覆盖表面，冷却至室温，保温棉的厚度为10mm～20mm；
步骤六、镍基粉末高温合金饼坯冷却至室温后，对其表面进行吹砂，然后检查镍基粉末高温合金饼坯外观质量并测量尺寸。
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| PB01 | Publication | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160330 |