CN105441844B - 一种难变形高温合金铸锭的挤压开坯方法 - Google Patents
一种难变形高温合金铸锭的挤压开坯方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于先进材料加工制造领域，涉及一种难变形高温合金铸锭的挤压开坯方法。本发明方法包括如下步骤，挤压包套设计及制备；难变形高温合金铸锭包套；喷涂润滑剂；难变形合金铸锭阶梯式均匀化热处理；坯料转运；控速热挤压；细晶棒材缓冷与机加工。本发明充分利用热挤压工艺的优点，提出了一种难变形高温合金细晶均质棒材的制备工艺，锻造成高性能涡轮盘，满足低成本难变形高温合金涡轮盘在航空发动机、小型燃气轮机等中的应用需求。
Description
技术领域
本发明属于先进材料加工制造领域，涉及一种难变形高温合金铸锭的挤压开坯方法。
背景技术
高强难变形高温合金具有优异的综合力学性能以及良好的抗氧化、耐腐蚀性能，俄罗斯制备高性能难变形涡轮盘的重要工序为：成分设计→合金熔炼→铸锭挤压/快锻开坯→棒材等温锻造→盘件热处理→机加工→涡轮盘成品。但是，高性能涡轮盘制备的每个工艺都作为技术秘密，严格对外保密，特别是挤压热加工工序。
涡轮盘用变形高温合金钢锭绝大部分采用双联冶炼工艺(真空感应熔炼+真空自耗重熔)制备，少数采用三联工艺(真空感应熔炼+保护气氛电渣重熔+真空自耗重熔)熔炼，然而至今为止，各变形高温合金生产厂并没有彻底解决难变形高温合金铸锭开坯制备棒材的技术难题，具体体现在用于盘件的棒材组织均匀性差、晶粒尺寸超标、性能一致性差等。
变形高温合金棒材的品质(包括晶粒度、组织均匀性、冶金质量等)对涡轮盘的性能有重要影响。在成分合格的前提下，对变形高温合金棒材最重要的要求是组织均匀性好、晶粒细小、冶金缺陷少。目前，国内外变形高温合金铸锭开坯制备棒材的工艺手段包括锻锤开坯、快锻机开坯、轧制开坯、复合包套轧制开坯、挤压开坯等。其中，锻锤开坯过程中钢锭易开裂，成材率不但较低，而且因温度和变形量难保证，无法制备出组织均匀、晶粒细小的棒材；快锻机开坯过程中，同样存在类似锤锻开坯问题，并且难高温合金棒材常因总变形量偏小，造成铸造组织残留，导致合金的塑性、断裂韧性和疲劳性能等降低，疲劳裂纹也容易在枝晶间碳化物偏析处萌生和扩展；轧制开坯与复合包套轧制仅适合于小规格的铸锭开坯。
挤压是金属热加工的一种重要方法，特别适合于难变形的低塑性合金材料，可以制备棒材、管材、线材和异形材。挤压的基本原理是：对放在挤压缸内的金属坯料施加外力，使其从特定的模孔中流出，可获得所需要的断面形状和尺寸。设计不同的模具形状，可以挤出不同断面形状的金属型材。挤压工艺的发展经历了从轻/软金属到硬金属，从室温挤压→中温挤压→高温挤压的发展过程，并且按照挤压制品的流出方向不同，分为正挤压和反挤压两种工艺。而挤压设备包括立式挤压机和卧式挤压机两种，大型挤压机多是卧式结构。自从上世纪50年代将玻璃润滑剂应用到挤压过程后，钢铁材料的挤压制备才在实际生产中得到应用。挤压工艺最突出的优点是，在挤压过程中使塑性较低的金属材料处于三向压应力状态，细化晶粒，加上通过金属内部物质的宏观迁移，弥合或减少内部冶金缺陷，通过控制挤压比，把大截面的金属挤成更小截面的材料，显著提高材料的塑性。但是，目前常见的多为塑性好、变形抗力小铝合金、铜合金的挤压，对于难变形高温合金的挤压，变形抗力大，挤压温度高而且对应变速率十分敏感，因此技术难度大。
发明内容
本发明的目的提出一种技术难度小的难变形高温合金铸锭的挤压开坯方法，用于制备高品质的涡轮盘用难变形高温合金棒材，以便满足航空航天发动机对高性能难变形高温合金涡轮盘的需求。
本发明的技术解决方案：
难变形高温合金铸锭开坯制备高品质棒材的一种工艺方法，其特征制备步骤如下：
步骤1、铸锭加工，利用带锯将双真空熔炼制备的难变形合金铸锭截为圆柱段坯料，所述的圆柱段坯料表面平整，圆柱段坯料一端倒圆角，圆角半径3mm～5mm，另一端加工成平头的锥形，锥角为50°～60°；
步骤2、挤压包套设计及加工，设计的圆柱状1Cr18Ni9Ti不锈钢包套一端为平面底，另一端为与难变形合金铸锭平头锥部端配合，包套内径比难变形高温合金铸锭外径大1mm～1.5mm；
步骤3、难变形合金锭包套，把难变形合金铸锭装入1Cr18Ni9Ti不锈钢包套，1Cr18Ni9Ti不锈钢包套平面底用一圆形1Cr18Ni9Ti不锈钢板焊合，1Cr18Ni9Ti不锈钢板厚度10mm～15mm，得到包套锭；
步骤4、包套锭预热并喷涂玻璃润滑剂：将所述包套后的难变形高温合金铸锭，放到热处理炉内，在150℃～200℃的温度下预热10分钟,预热后迅速出炉喷涂玻璃润滑剂，将玻璃润滑剂均匀喷涂到包套外表面，玻璃润滑剂厚度1mm～1.5mm，自然晾干；
步骤5、加热高温合金棒，高温合金棒放入电阻加热炉加热，在1000℃～1100℃范围内保温加热2小时；
步骤6、包套锭阶梯均匀化热处理，采用高温电阻炉加热包套锭，采用阶梯加热方法，包套锭在高温电阻炉炉温低于800℃时入炉，在860℃～900℃范围内保温1小时，之后以10℃～20℃/分钟的速率升温到比难变形高温合金的γ′相强化相完全熔化温度低50℃～65℃，保温2.5～3小时；
步骤7、挤压模预热，将高温合金棒从高温炉内取出，放到挤压缸内预热，保温时间30分钟～50分钟；
步骤8、挤压模涂润滑剂，从挤压缸内取出高温合金棒，将玻璃润滑剂均匀喷涂到挤压模内表面，喷涂厚度1mm～2mm；
步骤9、包套锭转运，将难变形高温合金包套锭从加热炉运到挤压机，平头锥一端在下放入挤压缸，转运时间要求小于40秒；
步骤10、放入挤压垫片，把不锈钢垫片放入挤压缸，垫片与包套锭的平面底部接触，垫片厚度30mm～50mm；
步骤11、热挤压，对难变形高温合金锭进行挤压操作，要求挤压比5～7，挤压速度为30mm/秒～60mm/秒，挤压温度处于难变形高温合金γ与强化相γ′两相区；
步骤12、细晶棒材缓冷，挤压后迅速用保温棉覆盖高温合金挤压棒，保温棉厚度≥40mm，待挤压棒材温度降至200℃以下；
步骤13、机加工，把难变形高温合金棒材外部的不锈钢包套通过机加工去除。
本发明的优点和效果：
本发明充分利用热挤压工艺的优点，提出了一种难变形高温合金细晶均质棒材的制备工艺，锻造成高性能涡轮盘，满足低成本难变形高温合金涡轮盘在航空发动机、小型燃气轮机等中的应用需求。
本发明的主要创新点是：(1)铸锭阶梯加热工艺设计。阶梯加热方式既保证了难变形高温合金铸锭内部应力缓慢释放，同时也考虑到合金挤压热加工时的变形抗力问题。由于难变形高温合金的合金化程度很高，把铸锭开坯温度需要到γ＇+γ两相区(即强化相γ＇与γ奥氏体基体两相存在的温度区间)。采用两相区开坯考虑到两原因：首先是把γ＇相尺寸相长大到一定程度以减小挤压过程中γ＇对位错的阻挡作用，降低变形抗力，其次是强化相γ＇长大到一定程度后，在挤压过程中γ＇与γ的相界容易变成晶界，在不萌生裂纹的情况下完成再结晶。(2)控速热挤压工艺。本专利提出难变形高温合金铸锭的挤压比5～7，挤压速度为30mm/秒～60mm/秒，挤压温度处于难变形合金γ与强化相γ′两相区内。主要考虑到难变形高温合金塑性加工范围很窄，变形抗力大，同时挤压过程中，合金的温度会因为变形功而升高，挤压速度过高，变形合金温度会超过其塑性范围的极限，导致合金开裂。例如，钢的挤压速度通常可达到300～400mm/秒，而难变形高温合金的热挤压速度通常在30～150mm/秒范围内。
本发明挤压制备的难变形高温合金细晶棒材(均匀化热处理后晶粒度ASTM8～9级)可用于锻造高性能涡轮盘，满足低成本高性能难变形高温合金涡轮盘在航空发动机、小型燃气轮机等中的应用需求。
具体实施方式
本发明的技术实施包括以下步骤：
步骤1、铸锭加工。利用带锯将双真空熔炼制备的难变形合金铸锭截为圆柱段坯料，所述的圆柱段坯料表面平整、无毛刺，圆柱段坯料一端倒圆角(圆角半径3mm～5mm)，另一端加工成平头的锥形(锥角为50°～60°)；
步骤2、挤压包套设计及加工。设计的圆柱状1Cr18Ni9Ti不锈钢包套一端为平面底，另一端为平头的锥形(锥角为50°～60°)，与难变形合金铸锭平头锥部的一端配合。包套内径比难变形高温合金铸锭外径大1mm～1.5mm；
步骤3、难变形合金锭包套。把难变形合金铸锭装入不锈钢包套，平面底部采用一圆形1Cr18Ni9Ti不锈钢板(厚度10mm～15mm)焊合；
步骤4、包套锭预热：将所述包套后的难变形高温合金铸锭，放到热处理炉内，在150℃～200℃的温度下预热10分钟,预热后迅速出炉喷涂玻璃润滑剂；
步骤5、喷涂润滑剂。将玻璃润滑剂均匀喷涂到包套锭全表面，润滑剂厚度1mm～1.5mm，自然晾干；
步骤6、加热高温合金棒。预热用的高温合金棒放入电阻加热炉加热，在1000℃～1100℃范围内选取一个温度点保温加热2小时；
步骤7、包套锭阶梯均匀化热处理。采用高温电阻炉加热包套后的难变形高温合金铸锭。采用阶梯加热方法，包套铸锭以低于800℃入炉，在860℃～900℃范围内选取某一个温度点值保温1小时，之后以10℃～20℃/分钟的速率升温到比难变形高温合金的γ′相强化相完全熔化温度低50℃～65℃的某一温度点，保温2.5～3小时；
步骤8、挤压模具预热。用机械手将预热棒内从高温炉内取出，放到挤压缸内预热挤压缸。保温时间30分钟～50分钟；
步骤9、挤压模涂润滑剂。从挤压缸内取出预热用的高温合金棒。用喷雾器将玻璃润滑剂均匀喷涂到挤压模内表面，喷涂厚度1mm～2mm；
步骤10、包套锭转运。用机械手将难变形高温合金包套锭从加热炉运到挤压机，平头锥一端在下放入挤压缸。转运时间要求小于40秒；
步骤11、放入挤压垫片。把不锈钢垫片放入挤压缸，垫片与包套锭的平面的底部接触。垫片厚度30mm～50mm；
步骤12、控速热挤压。采用立式挤压机对难变形高温合金铸锭进行挤压操作。挤压比5～7，挤压速度为30mm/秒～60mm/秒，挤压温度处于难变形高温合金γ与强化相γ′两相区内；
步骤13、缓冷。挤压后迅速用硅酸铝纤维覆盖高温合金挤压棒，覆盖厚度≥40mm，待棒材温度降至200℃以下；
步骤14、机加工。把难变形高温合金棒材外部的不锈钢包套通过机加工去除。
实施例一
利用带锯将双真空熔炼制备的难变形合金GH4976铸锭截为圆柱段坯料，所述的圆柱段坯料表面平整，一端倒圆角(圆角半径4mm)，另一端加工成平头的锥形(锥角为50°)；挤压包套设计及加工。设计的圆柱状1Cr18Ni9Ti不锈钢包套一端为平面底，另一端为平头的锥形(锥角为50°)，与难变形合金铸锭平头锥部的一端配合。包套内径比难变形高温合金铸锭外径大1mm；难变形合金锭包套。把难变形合金铸锭装入不锈钢包套，平面底部采用一厚度10mm的圆形1Cr18Ni9Ti不锈钢板焊合；将包套后的难变形高温合金铸锭，放到热处理炉内，在180℃温度下预热10分钟，预热后迅速出炉喷涂玻璃润滑剂，润滑剂厚度约1mm，自然晾干；加热高温合金棒。预热用的高温合金棒放入电阻加热炉，加热到1050℃温度点保温2小时；炉加热包套后的难变形高温合金铸锭。包套铸锭室温入炉，在870℃保温1小时，之后以15℃/分钟的速率升温到1130℃，保温2.5小时；用机械手将预热棒内从高温炉内取出，放到立式挤压机挤压缸内预热挤压缸。保温时间35分钟；从挤压缸内取出预热用的高温合金棒。将玻璃润滑剂均匀喷涂到挤压模内表面，喷涂厚度约1mm，润滑剂喷涂完成后，用机械手将难变形高温合金包套锭从加热炉运到挤压机，平头锥一端在下放入挤压缸。转运时间35秒。把不锈钢垫片放入挤压缸，垫片与包套锭的平面的底部接触。垫片厚度30mm。对难变形高温合金铸锭进行挤压操作。挤压比6，挤压速度为30mm/秒。挤压后迅速用硅酸铝纤维覆盖高温合金挤压棒，覆盖厚度42mm，待棒材温度降至200℃以下，把难变形高温合金棒材外部的不锈钢包套机加工扒皮去除。
实施例二
将真空感应熔炼+真空自耗重熔的GH4720Li铸锭料段加工，表面平整，一端倒圆角成半径4mm，另一端加工成平头的锥形(锥角50°)；设计及加工。圆柱状1Cr18Ni9Ti不锈钢挤压包套一端为平面底，另一端为平头的锥形(锥角为50°)，与难变形合金铸锭平头锥部的一端配合。包套内径比难变形高温合金铸锭外径大1mm；难变形合金锭包套。把难变形合金铸锭装入不锈钢包套，平面底部采用一圆形1Cr18Ni9Ti不锈钢板(厚度10mm)焊合；将包套后的难变形高温合金铸锭，放到热处理炉内，在180℃温度下预热12分钟，预热后迅速出炉喷涂玻璃润滑剂，润滑剂厚度约1mm，自然晾干；加热高温合金棒。预热用的高温合金棒放入电阻加热炉，加热到1050℃温度点保温2小时；炉加热包套后的难变形高温合金铸锭。包套铸锭室温入炉，在850℃保温1小时，之后以15℃/分钟的速率升温到1130℃，保温2.5小时；用机械手将预热棒内从高温炉内取出，放到立式挤压机挤压缸内预热挤压缸。保温时间30分钟；从挤压缸内取出预热用的高温合金棒。将玻璃润滑剂均匀喷涂到挤压模内表面，喷涂厚度约1mm，润滑剂喷涂完成后，用机械手将难变形高温合金包套锭从加热炉运到挤压机，平头锥一端在下放入挤压缸。转运时间36秒。把不锈钢垫片放入挤压缸，垫片与包套锭的平面的底部接触。垫片厚度30mm。对难变形高温合金铸锭进行挤压操作。挤压比6，挤压速度为35mm/秒。挤压后迅速用硅酸铝纤维覆盖高温合金挤压棒，覆盖厚度40mm，待棒材温度降至200℃，把难变形高温合金棒材外部的不锈钢包套机加工扒皮去除。
Claims (1)
1.一种难变形高温合金铸锭的挤压开坯方法，其制备方法是：
步骤1、铸锭加工，利用带锯将双真空熔炼制备的难变形合金铸锭截为圆柱段坯料，所述的圆柱段坯料表面平整，圆柱段坯料一端倒圆角，圆角半径3mm～5mm，另一端加工成平头的锥形，锥角为50°～60°；
步骤2、挤压包套设计及加工，设计的圆柱状1Cr18Ni9Ti不锈钢包套一端为平面底，另一端为与难变形合金铸锭平头锥部端配合，包套内径比难变形高温合金铸锭外径大1mm～1.5mm；
步骤3、难变形合金锭包套，把难变形合金铸锭装入1Cr18Ni9Ti不锈钢包套，1Cr18Ni9Ti不锈钢包套平面底用一圆形1Cr18Ni9Ti不锈钢板焊合，1Cr18Ni9Ti不锈钢板厚度10mm～15mm，得到包套锭；
步骤4、包套锭预热并喷涂玻璃润滑剂：将所述包套后的难变形高温合金铸锭，放到热处理炉内，在150℃～200℃的温度下预热10分钟,预热后迅速出炉喷涂玻璃润滑剂，将玻璃润滑剂均匀喷涂到包套外表面，玻璃润滑剂厚度1mm～1.5mm，自然晾干；
步骤5、加热高温合金棒，高温合金棒放入电阻加热炉加热，在1000℃～1100℃范围内保温加热2小时；
步骤6、包套锭阶梯均匀化热处理，采用高温电阻炉加热包套锭，采用阶梯加热方法，包套锭在高温电阻炉炉温低于800℃时入炉，在860℃～900℃范围内保温1小时，之后以10℃～20℃/分钟的速率升温到比难变形高温合金的γ′相强化相完全熔化温度低50℃～65℃，保温2.5～3小时；
步骤7、挤压模预热，将高温合金棒从高温炉内取出，放到挤压缸内预热，保温时间30分钟～50分钟；
步骤8、挤压模涂润滑剂，从挤压缸内取出高温合金棒，将玻璃润滑剂均匀喷涂到挤压模内表面，喷涂厚度1mm～2mm；
步骤9、包套锭转运，将难变形高温合金包套锭从加热炉运到挤压机，平头锥一端在下放入挤压缸，转运时间要求小于40秒；
步骤10、放入挤压垫片，把不锈钢垫片放入挤压缸，垫片与包套锭的平面底部接触，垫片厚度30mm～50mm；
步骤11、热挤压，对难变形高温合金锭进行挤压操作，要求挤压比5～7，挤压速度为30mm/秒～60mm/秒，挤压温度处于难变形高温合金γ与强化相γ′两相区；
步骤12、细晶棒材缓冷，挤压后迅速用保温棉覆盖高温合金挤压棒，保温棉厚度≥40mm，待挤压棒材温度降至200℃以下；
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |