CN108202204A - 陶瓷型芯高温高压脱芯设备用高耐蚀料桶旋压成形方法 - Google Patents

陶瓷型芯高温高压脱芯设备用高耐蚀料桶旋压成形方法 Download PDF

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Abstract

一种陶瓷型芯高温高压脱芯设备用高耐蚀料桶旋压成形方法，选取镍基耐蚀合金板材为原材料，首先通过多道次热普旋将板材旋压成预成形件，热普旋过程中，视工艺需求进行1‑2次退火处理；其次通过3道次热强旋将预成形件旋压成符合工艺尺寸要求的桶形件，各道次热强旋后进行退火处理；切割桶形件两端的工艺余量，得到满足工艺要求的高耐蚀薄壁料桶。利用热普旋和热强旋相结合工艺加工成镍基耐蚀合金薄壁料桶，满足高温高压脱芯设备对料桶性能要求，解决了传统的卷板焊接成形料桶耐蚀性差、可靠性低、使用寿命短等问题，为镍基耐蚀合金薄壁料桶，以及其它耐腐蚀、难变形材料桶形件成形提供了一种可靠性高、实用性强的加工方法。

Description

陶瓷型芯高温高压脱芯设备用高耐蚀料桶旋压成形方法
技术领域
本发明涉及桶形件旋压成形技术领域，具体提供一种陶瓷型芯高温高压脱芯设备用高耐蚀料桶的旋压成形方法。本发明工艺适用于铸造产业脱芯设备用高耐蚀料桶加工成形，也适用于其他耐腐蚀、难变形材料桶形件加工成形。
背景技术
陶瓷型芯广泛应用于先进航空发动机、重型燃气轮机高温合金空心叶片的生产中，用于形成叶片复杂气冷内腔，改善叶片冷却条件，提高承温能力，进而提高燃气进口温度，最终实现提高航空发动机推重比和重型燃气轮机热效率的目的。叶片铸造完成后，需使用脱芯设备将陶瓷型芯腐蚀脱出。先进燃机涡轮叶片多使用化学稳定性更高的氧化铝基陶瓷型芯形成气冷内腔，此类陶瓷型芯在常温常压下很难与酸碱腐蚀液发生反应，型芯脱出需使用高温高压脱芯设备在强碱环境中进行，脱芯设备和工艺是制约氧化铝基陶瓷型芯使用的瓶颈。先进的脱芯设备其工作温度可达300-400℃，脱芯压力22-25MPa，使用的脱芯碱液浓度可达50-70％。料桶是高温高压脱芯设备的关键部件，用于盛装高温碱液和待脱芯铸件，高温强碱的服役条件对料桶性能提出了苛刻的要求。
传统工艺使用钢板卷制后焊接成形的方法加工脱芯设备料桶，受限于材料的耐蚀性，料桶使用寿命普遍较短。如发明申请人前期使用的脱芯料桶，经2-3炉次、累计48-72h高温高压脱芯试验后，即出现严重腐蚀、开裂现象，需频繁更换；此外，板材焊接过程中易出现夹渣、气孔、裂纹、未融合等焊接缺陷，焊缝及热影响区晶粒粗大、组织分布不均匀，导致其力学性能较母材差，高温高压脱芯时，产生应力集中，在高温碱液腐蚀作用下，易萌生裂纹。料桶开裂导致高温碱液渗出，严重影响了脱芯设备的安全性能。
桶形件的另一传统加工方法是采用冲压工艺成形，然而，由于料桶材料加工硬化倾向严重，大变形量成形时，残余应力易引起材料回弹，对工件尺寸精度影响较大，导致工件尺寸精度超差，产生废品。因此，开发一种适用于陶瓷型芯高温高压脱芯设备高耐蚀料桶成形新工艺，对增强脱芯设备可靠性、研究高效率陶瓷型芯脱出工艺以及高性能陶瓷型芯的广泛使用具有十分重要的意义。
发明内容
针对陶瓷型芯高温高压脱芯设备用料桶加工成形中出现的不足之处，本发明提供一种高耐蚀料桶旋压成形工艺，将板坯直接成形为桶形件。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种陶瓷型芯高温高压脱芯设备用高耐蚀料桶旋压成形方法，其特征在于，旋压工艺方法包括以下步骤：
(1)旋压毛坯准备
选取镍基耐蚀合金板材为原材料(板材典型厚度优选为10-12mm)，板材退火处理，根据料桶内径、外径、桶深及添加工艺余量，计算得旋压圆板毛坯直径；
其中：
①、原材料的选取：针对原料桶材料耐蚀性较低的问题，本发明选择镍基耐蚀合金作旋压料桶原材料，主要包括因康涅600、蒙乃尔400、因康洛伊800、哈氏合金C276等。由前期试验数据可知，哈氏合金C276在高温强碱溶液中的耐蚀性能较为优异，故本发明方法以哈氏合金C276为例，给出其旋压加工工艺参数，但本发明所述工艺步骤适用的材料并不局限于哈氏合金C276。
②、圆板毛坯直径的计算：圆板毛坯经“普旋-强旋”至薄壁桶形件时，由于旋压前后毛坯和工件体积不变，故圆板毛坯直径可由式(1)计算：
上式中，d-料桶内径，为500mm；t1-料桶壁厚，为4mm；h-料桶高，即料桶深与料桶底部厚度之和，为658mm；t0-料桶底部厚度，为8mm；Δ为添加工艺余量，取20mm。经计算，圆板坯直径D0为976mm。
(2)热普旋预成形
预热旋压芯模；在旋压毛坯表面涂覆耐高温润滑剂，加热(可使用箱式电阻炉加热)旋压毛坯至工艺设定温度后，将毛坯安装在芯模上；坯料在旋轮作用下经10-12道次旋压成预成形件；旋压过程中使用加热设备加热旋轮前方材料(加热温度在工艺设定温度附近即可)；在整个热普旋过程中，视工艺需求进行1-2次退火处理；
在旋压毛坯表面涂覆耐高温润滑剂可减小加工阻力，延长工具寿命，防止坯料表面与工具粘连。
预成形件为浅桶形件，厚度与板坯厚度相同，高度与设备性能和旋压材料有关，优选为220-250mm。在整个普旋过程中，可使用氧气乙炔枪加热旋轮前材料，以弥补坯料热损耗；根据材料旋压性能变化，进行1-2次退火处理，以降低材料硬度，消除残余应力，稳定尺寸，细化晶粒，改善旋压性能。
(3)热强旋成形
预热旋压芯模；在预成形件表面涂覆耐高温润滑剂，加热(可使用箱式电阻炉加热)预成形件至工艺设定温度后，将预成形件安装于芯模上；预成形件在旋轮作用下经3道次减薄旋压至所需壁厚和尺寸(难变形材料强力旋压时，道次减薄率不宜过高)；旋压过程中使用加热设备加热旋轮前方材料(加热温度在工艺设定温度附近即可)；每道次变形后，进行退火处理；
(4)切割工艺余量
去除料桶两端工艺余量(可使用车床车削)，得到满足尺寸要求的镍基耐蚀合金薄壁料桶。
以哈氏合金C276为例，本发明所述方法具体步骤如下：
1)选取原材料：选取典型厚度为10-12mm的哈氏合金C276板材为原材料，板材经退火处理。
2)圆板坯直径的计算，高耐蚀料桶内径500mm，外径508mm，桶深650mm，典型壁厚4mm，等壁厚结构，桶底厚8mm，添加工艺余量20mm，计算得旋压圆板毛坯直径为976mm。
3)热普旋预成形，选定旋压机参数：旋轮选用圆弧式旋轮，旋轮圆角半径为4mm，主轴转速100-150r/min，进给量0.2mm/r。
4)预热旋压芯模，预热温度为380-420℃。
5)在旋压毛坯表面涂覆耐高温润滑剂，使用箱式电阻炉将坯料加热至550-600℃，取出坯料，将其安装在芯模上。
6)坯料在旋轮作用下经10-12道次普通旋压，变形为预成形件。预成形件为浅桶形件，厚度与板坯厚度相同，高度与设备性能和旋压材料有关(优选高度220-250mm)。在整个普旋过程中，使用氧气乙炔枪加热旋轮前材料，以弥补坯料热损耗；根据材料旋压性能变化，进行1-2次退火处理。
7)热强旋成形，将预成形件减薄旋压至所需尺寸。旋轮圆角半径取8mm，主轴转速100-150r/min，旋轮进给量为0.4mm/r或0.6mm/r。
8)预热旋压芯模至350-380℃。
9)在预成形件表面涂覆耐高温润滑剂，使用箱式电阻炉将预成形件加热至500-550℃，取出预成形件，将其安装在芯模上。
10)预成形件在旋轮作用下，经3道次减薄旋压，至所需壁厚和尺寸，3道次减薄率分别为30％、33％及29％，总减薄率为67％。旋压过程中使用加热设备加热旋轮前方材料。每道次旋压变形后，进行退火处理，以消除残余应力，改善旋压性能。
11)切割工艺余量：将旋压完成的料桶安装于车床上，将料桶底部车削至所需厚度8mm；切割料桶上沿工艺余量，至桶深650mm，完成耐腐蚀薄壁料桶的加工。
本发明所述陶瓷型芯高温高压脱芯设备用高耐蚀料桶旋压成形方法，其特征在于，所述退火处理工艺为：退火温度1150-1250℃，保温时间1h，随炉冷却。
本发明的优点在于：
1.与传统卷板焊接工艺相比，本发明工艺可获得无焊缝桶形件，避免了焊接成形对料桶使用性能的影响，提高了料桶使用寿命，增强了高温高压脱芯设备的可靠性。
2.与“冲压+旋压”工艺相比，本发明工艺材料利用率高，生产成本较低；成形的桶形件强度较高，避免了冲压过程中材料回弹对料桶尺寸的影响，保证工件尺寸精度。
附图说明
图1为本发明高耐蚀料桶旋压成形工艺流程图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例详述本发明。
实施例1
旋压加工哈氏合金C276高耐蚀料桶，过程如下：
选取厚度为12mm，经退火处理的哈氏合金C276板材，将其加工为直径976mm的旋压圆板坯料。
预热旋压芯模至380℃。
在旋压圆板坯料表面涂覆耐高温润滑剂，使用箱式电阻炉将坯料加热至550℃，取出坯料，将其安装在旋压机上。
选用旋轮圆角半径4mm，主轴转速100r/min，旋轮进给量为0.2mm/r，经12道次普通旋压，坯料成形为预成形件，壁厚12mm，等壁厚结构，桶底厚12mm，桶深220mm，将预成形件从旋压机上卸下。在第3道次和第10道次普通旋压后，进行退火热处理，退火温度1200℃，保温时间1h，随炉冷却。整个普旋过程中，使用氧气乙炔枪加热旋轮前材料。
预热旋压芯模至350℃。
在预成形件表面涂覆耐高温润滑剂，使用箱式电阻炉将预成形件加热至500℃，取出预成形件，将其安装在旋压机上。
选用旋轮圆角半径8mm，主轴转速100r/min，旋轮进给量0.6mm/r，经第一道次强旋成形，料桶壁厚由12mm减薄至8.4mm，减薄率30％；将料桶从旋压机上卸下，经1200℃×1h退火热处理后，进行第二道次强旋，料桶壁厚由8.4mm减薄至5.6mm，减薄率33％；将料桶从旋压机上卸下，经1200℃×1h退火热处理后，进行第三道次强旋，料桶壁厚由5.6mm减薄至4mm，减薄率29％，壁厚达到工艺尺寸要求，在整个强旋过程中，使用氧气乙炔枪加热旋轮前材料。将旋压完成的料桶从旋压机上卸下，经1200℃×1h退火热处理。
将料桶安装于车床上，将其底部车削至所需厚度8mm；切割料桶上沿工艺余量，至桶深650mm，完成耐腐蚀薄壁料桶加工过程。
使用上述工艺加工成形的料桶进行高温高压脱芯试验，料桶累计使用10炉次，在380-400℃、70％KOH水溶液、22-25MPa工况下服役240h，未出现明显腐蚀、开裂及渗漏情况，证明本发明工艺方法的可靠性。
实施例2
旋压加工哈氏合金C276高耐蚀料桶，过程如下：
选取厚度为12mm，经退火处理的哈氏合金C276板材，将其加工为直径976mm的旋压圆板坯料。
预热旋压芯模至420℃。
在旋压圆板坯料表面涂覆耐高温润滑剂，使用箱式电阻炉将坯料加热至600℃，取出坯料，将其安装在旋压机上。
选用旋轮圆角半径4mm，主轴转速150r/min，旋轮进给量为0.2mm/r，经10道次普通旋压，坯料成形为预成形件，壁厚12mm，等壁厚结构，桶底厚12mm，桶深250mm，将预成形件从旋压机上卸下。在第5道次普通旋压后，进行退火热处理，退火温度1200℃，保温时间1h，随炉冷却。整个普旋过程中，使用氧气乙炔枪加热旋轮前材料。
预热旋压芯模至380℃。
在预成形件表面涂覆耐高温润滑剂，使用箱式电阻炉将预成形件加热至550℃，取出预成形件，将其安装在旋压机上。
选用旋轮圆角半径8mm，主轴转速150r/min，旋轮进给量0.4mm/r，经第一道次强旋成形，料桶壁厚由12mm减薄至8.4mm，减薄率30％；将料桶从旋压机上卸下，经1200℃×1h退火热处理后，进行第二道次强旋，料桶壁厚由8.4mm减薄至5.6mm，减薄率33％；将料桶从旋压机上卸下，经1200℃×1h退火热处理后，进行第三道次强旋，料桶壁厚由5.6mm减薄至4mm，减薄率29％，壁厚达到工艺尺寸要求，在整个强旋过程中，使用氧气乙炔枪加热旋轮前材料。将旋压完成的料桶从旋压机上卸下，经1200℃×1h退火热处理。
将料桶安装于车床上，将其底部车削至所需厚度8mm；切割料桶上沿工艺余量，至桶深650mm，完成耐腐蚀薄壁料桶加工过程。
使用上述工艺加工成形的料桶进行高温高压脱芯试验，料桶累计使用10炉次，在380-400℃、70％KOH水溶液、22-25MPa工况下服役240h，未出现明显腐蚀、开裂及渗漏情况，证明本发明工艺方法的可靠性。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种陶瓷型芯高温高压脱芯设备用高耐蚀料桶旋压成形方法，其特征在于，旋压工艺方法包括以下步骤：
(1)旋压毛坯准备
选取镍基耐蚀合金板材为原材料，板材退火处理，根据料桶内径、外径、桶深及添加工艺余量，计算得旋压圆板毛坯直径；
(2)热普旋预成形
预热旋压芯模；在旋压毛坯表面涂覆耐高温润滑剂，加热旋压毛坯至工艺设定温度后，将毛坯安装在芯模上；坯料在旋轮作用下经10-12道次旋压成预成形件；旋压过程中使用加热设备加热旋轮前方材料；在整个热普旋过程中，视工艺需求进行1-2次退火处理；
(3)热强旋成形
预热旋压芯模；在预成形件表面涂覆耐高温润滑剂，加热预成形件至工艺设定温度后，将预成形件安装于芯模上；预成形件在旋轮作用下经3道次减薄旋压，至所需壁厚和尺寸；旋压过程中使用加热设备加热旋轮前方材料；每道次变形后，进行退火处理；
(4)切割工艺余量
去除料桶两端工艺余量，得到满足尺寸要求的镍基耐蚀合金薄壁料桶。
2.按照权利要求1所述陶瓷型芯高温高压脱芯设备用高耐蚀料桶旋压成形方法，其特征在于：所述镍基耐蚀合金为因康涅600、蒙乃尔400、因康洛伊800或哈氏合金C276。
3.按照权利要求1所述陶瓷型芯高温高压脱芯设备用高耐蚀料桶旋压成形方法，其特征在于：所述镍基耐蚀合金为哈氏合金C276。
4.按照权利要求1-3任一所述陶瓷型芯高温高压脱芯设备用高耐蚀料桶旋压成形方法，其特征在于：步骤(1)中，高耐蚀料桶内径500mm，外径508mm，桶深650mm，典型壁厚4mm，等壁厚结构，桶底厚8mm，添加工艺余量20mm，计算得旋压圆板毛坯直径为976mm。
5.按照权利要求1或3所述陶瓷型芯高温高压脱芯设备用高耐蚀料桶旋压成形方法，其特征在于：步骤(2)中，旋压机工艺参数为：旋轮圆角半径为4mm，主轴转速100-150r/min，进给量0.2mm/r；步骤(3)中，旋压机工艺参数为：旋轮圆角半径为8mm，主轴转速100-150r/min，进给量0.4mm/r或0.6mm/r。
6.按照权利要求1或3所述陶瓷型芯高温高压脱芯设备用高耐蚀料桶旋压成形方法，其特征在于：步骤(2)中，芯模预热温度为380-420℃；步骤(3)中，芯模预热温度为350-380℃。
7.按照权利要求1或3所述陶瓷型芯高温高压脱芯设备用高耐蚀料桶旋压成形方法，其特征在于：步骤(2)中，工艺设定温度为550-600℃；步骤(3)中，工艺设定温度为500-550℃。
8.按照权利要求1或3所述陶瓷型芯高温高压脱芯设备用高耐蚀料桶旋压成形方法，其特征在于：所述预成形件为桶形件，壁厚10～12mm，等壁厚结构，桶底厚10～12mm，桶深220-250mm。
9.按照权利要求1或3所述陶瓷型芯高温高压脱芯设备用高耐蚀料桶旋压成形方法，其特征在于：步骤(3)中，3道次强力旋压减薄率分别为30％、33％、29％。
10.按照权利要求1或3所述陶瓷型芯高温高压脱芯设备用高耐蚀料桶旋压成形方法，其特征在于，退火处理工艺为：退火温度1150-1250℃，保温时间1h，随炉冷却。
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