CN108472710B - 制造异形截面环轧产品的方法 - Google Patents
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Abstract
一种采用过程监控式控制的环轧机可再现地制造用于旋转应用的异形截面环轧产品的方法，所述异形截面环轧产品尤其由具有裂纹敏感性的金属环坯制成。所述方法包括以下步骤：借助用所述环轧机成型为其最终形状的校准样品、针对特定的待用所述环轧机成型为其最终形状的环轧产品来定义至少一个贯穿整个轧制时间的关于预选工艺参数的过程窗口，其中，在实施所述方法时所监控的过程参数的一个或多个过程窗口通过其轧制产品满足对待制造的环轧产品所提出的要求的那些校准样品的过程参数确定，其中，所述预选工艺参数包括以下工艺参数中的至少两个：环增长速率，轴向轧制力，径向轧制力，在轧制过程期间环坯的温度，和随后对环坯进行异形截面式环轧以制造环轧产品，其中，关于至少两个选定的工艺参数检测轧坯的当前轧制参数并且继而评估这些工艺参数是否位于预定义的过程窗口内，并且只有那些利用位于所述过程窗口内的工艺参数环轧出的环轧产品进入到进一步加工和/或处理中。
Description
本发明涉及一种制造异形截面环轧产品的方法。此外，本发明还涉及一种由镍基合金构成的旋转的驱动机构部件(Triebwerksteil)，该驱动机构部件用所述方法制造。
除了锻造以外，环轧作为热成型方法也被用于制造环形件、尤其异形截面环形件。在锻造中，事先加热到锻造温度的坯件在锻模中通过热成型形成其期望的形状，而在环轧中，事先加热的环坯通过一个或多个轧制步骤被轧制成期望的形状。相对于锻造的过程，环轧在用环轧机成型的环轧产品方面被视为灵活得多。径向轴向轧制装置经常被用于异形截面环轧(或称为异形截面环件轧制)。在这种环轧机中，在一个轧制步骤中同时减小环高度和环壁厚度二者，更确切地说是在形成分别期望的轮廓期间。为了从环坯获得期望的环轧产品，通常需要以多个步骤实施环轧工艺。在每个环轧步骤之间重新加热或再加热环坯。
每个环轧机均具有用于控制轧制过程的控制装置。通过该控制来监视某个工艺参数、例如环增长速率(或环生长速率)、轴向轧制力和径向轧制力或还有在轧制过程期间经轧制的环坯(Walzling)的温度。在所述控制中，在相应的工艺参数方面分别规定一个值。由于相应环坯的几何形状中的公差和环坯在轧制期间的特性，在环几何形状中和/或在制成的环轧产品的组织(或结构)中可能出现缺陷。因此，对于有最高要求的部件，环轧被认为不具有足够的工艺可靠性。并且因此，在环轧产品仅允许具有窄的公差范围并且应该在该公差范围内可再现地制造的应用中，环轧不被使用或仅被用作后续模锻步骤的准备步骤。在以高转速旋转的部件中、例如在飞机涡轮机或燃气涡轮机的部件中，对成型产品的性能特征提出了高要求。因此，这种构件、例如驱动机构盘或类似的构件由锻造坯件通过模锻成型。由于与环轧相比工艺参数的数量较少，因此尤其当对部件提出在窄的公差范围下的高要求时，这些部件可以用模锻可再现地并且由此不需要手动干预地制造。由于轴向和径向轧制间隙中增大的变形和通过在轧制装置的控制中执行的调控，被轧制环形件的周向上的变形不是恒定的。这可能导致环形件的周向不均匀组织，该周向不均匀组织可能导致驱动机构盘的不均匀性质。在被监控的工艺参数的较大偏差的情况下，可能需要在轧制过程中实施手动干预。此外，不能检查环轧产品实际上是否满足设置的前提条件。出于此原因并且由于不能排除手动干预，应该在特别窄的公差范围内制造的环轧产品被视为不具有或不具有足够的可再现性。
即使这种承受高负荷的旋转部件、例如驱动机构盘可以由镍基合金通过模锻可再现地制造，在模锻的情况下也必须忍受某些缺陷。被视为不利的是，偶尔在锻造中不可避免地在锻造产品上产生毛刺，该毛刺在成型过程之后应该被除去。这需要另外的加工步骤。典型用于这种部件的材料、例如镍基合金从材料用量来看相对较昂贵。因此，在锻造中不可避免的且事后需要去除的毛刺就锻造产品而言导致更高的材料用量。此外，由于锻造产品的所需形状而常常出现这种缺陷，即，锻造产品的组织有时在一些区域中不符合细粒度的要求，因为在这些区域中尽管成型还是发现了粗粒。这只能通过材料增厚克服，然而这是不希望的。
因此，基于所讨论的现有技术，本发明的技术问题在于，提供一种环轧方法，利用所述环轧方法可以制造具有最高特性要求和公差范围的构件(或零部件)，并且同时满足可再现的要求，这些构件可以用于承受负荷的环境中的旋转应用。
该技术问题按照本发明一方面通过采用过程监控式控制的环轧机可再现地制造用于旋转应用的异形截面环轧产品的方法解决，所述异形截面环轧产品尤其由具有裂纹敏感性的金属环坯制造，所述方法包括以下步骤：
-借助用所述环轧机成型为其最终形状的校准样品、针对特定的待用所述环轧机成型为其最终形状的环轧产品来定义至少一个贯穿整个轧制时间的关于预选工艺参数的过程窗口，其中，在实施该方法时所监控的过程参数的一个或多个过程窗口通过其轧制产品满足对待制造的环轧产品所提出的要求的那些校准样品的过程参数确定，其中，所述预选工艺参数包括以下工艺参数中的至少两个：
-环增长速率，
-轴向轧制力，
-径向轧制力，
-在轧制过程期间环坯的温度，
和随后
-对环坯进行异形截面式环轧以制造环轧产品，其中，关于至少两个选定的工艺参数检测经轧制的环坯的当前轧制参数并且继而评估这些工艺参数是否位于预定义的过程窗口内，并且只有那些利用位于过程窗口内的工艺参数环轧出的环轧产品进入到进一步加工和/或处理中。
此外，所述技术问题按照本发明还通过采用过程监控式控制的环轧机可再现地制造用于旋转应用的异形截面环轧产品的方法解决，所述异形截面环轧产品尤其由具有裂纹敏感性的金属环坯制造，所述方法包括以下步骤：
-借助用所述环轧机成型为其最终形状的校准样品、针对特定的待用所述环轧机成型为其最终形状的环轧产品来定义至少一个贯穿整个轧制时间的关于预选工艺参数的过程窗口，其中，在实施该方法时所监控的过程参数的一个或多个过程窗口通过其轧制产品满足对待制造的环轧产品所提出的要求的那些校准样品的过程参数确定，其中，所述预选工艺参数包括以下工艺参数中的至少两个：
-环增长速率，
-轴向轧制力，
-径向轧制力，
-在轧制过程期间环坯的温度，
和随后
-对环坯进行异形截面式环轧以制造环轧产品，其中，将至少一个对过程窗口产生影响的工艺参数作为预控变量用于机器侧的轧制过程控制。
用所述两种方法确保了能够用环轧机、基于预定义的环坯在不需要实施手动干预的情况下并且由此可再现地使本身必须在窄的公差范围内制造的环轧产品成型。
用于控制环轧机的工艺参数借助校准样品获得。为此，所使用的正好是那些随后应该被用于制造环轧产品的环坯。由此，环坯的轧制性能和进而还有用来制成环坯的材料同样地用于确定所述工艺参数，正如在轧制这样的环坯时环轧机的轧制性能那样。
随轧制时间推移检测所述工艺参数，从而经轧制的环坯的材料性能中和/或轧机的材料性能中的与轧制时间有关的变化对过程窗口的定义产生影响。监控至少两个工艺参数，这两个工艺参数从以下工艺参数组中选出：环增长速率、轴向轧制力、径向轧制力和轧制过程期间环坯的温度。完全可以还为另外的工艺参数定义过程窗口。然而，从上述工艺参数中选出至少两个过程参数被认为是足够的。当然，对于更大数量的事先为其定义了过程窗口的被监控的工艺参数而言，监控质量被改善。
过程窗口的定义受到轧机对控制中变化的反应的影响。就这方面而言，最终不重要的是，特定轧机如何对预控制和随后的控制作出反应，因为这是通过校准样品关于期望的轧制结果(几何形状和组织)进行控制的，并且这样长地变化，直至环轧产品以期望的特性成型。
由针对校准样品的轧制确定的过程参数定义出贯穿整个轧制时间的过程窗口。对于这些分别通过下额定值曲线和上额定值曲线限定边界的过程窗口，使用用来制造粗轧产品的过程参数，所述粗轧产品满足对随后的环轧产品提出的要求。这可以例如通过取平均值或通过确定对这样的过程窗口有影响的工艺参数曲线的包络线进行。同样地能够以另外的方式由校准样品的工艺参数确定用于轧制实际环轧产品的预控变量。通过下额定值曲线和上额定值曲线可以偶尔借助过程窗口定义出轧制过程中随轧制时间推移而引入的能量。
如果随轧制时间变化确定过程窗口并且由此确定预控变量，那么接着开始进行实际的制造过程，通过所述制造过程，环坯典型地以多个步骤被轧制成期望的环轧产品。在多步轧制中，相应地为每个轧制步骤定义过程窗口。
根据第一解决方案，对至少两个预定义的过程窗口有影响的工艺参数被监控。然而，只有那些当前检测的过程参数位于预定义的过程窗口内的环轧产品进入到接下来的加工和/或处理中。在过程窗口中查看到偏差的环轧产品因此具有异常，并且不能进入到进一步加工和/或处理中。以此方式确保，只有那些满足所需标准的环轧产品进入到进一步的加工和/或处理中。所述标准包括要求在周向上具有相同的组织。
由于经轧制的环坯随轧制时间推移典型变化的材料性能和考虑到环轧机性能变化的过程参数，环轧产品能够在窄的公差范围内制造，尤其不需要在轧制过程中实施手动干预。
根据第二解决方案规定，随轧制时间推移，在预设的时间节点上用预控变量控制环轧机，所述预控变量可以在整个轧制时间上改变。因此，所述预控变量与预定义的过程窗口有关。所述预控变量可以例如布置在位于上额定值曲线和下额定值曲线之间的曲线上，其中，所述控制曲线的变化过程不必与过程窗口或其上额定值曲线和下额定值曲线的变化过程相符。以此方式，在轧制时间内的环坯的变形性能和在轧制时间内的机器性能共同控制环轧机。因此，以该构思还能够实现甚至在窄的公差范围内在几何形状和组织方面可再现地制造环轧产品。
在所述方法的改良设计方案中，该方法与起初所述的方法相结合。
所述方法特别有利的是，环轧机自身不需要花费较大或影响成本的扩展，以便在相应可再现方式的要求下能够在特别窄的公差范围内制造环轧产品。而是说，环轧机的现有的机器控制就足以监控用于制造可再现的环轧产品的轧制过程。有利的也是，该方法可以在不存在粗粒形成风险的情况下实施。可以通过相应的变形率防止这种局部的晶粒增长。最后，在环轧期间在每个轧制步骤中，环形件横截面上的每个区域均承受预设的变形率。在环轧期间，最后的轧制步骤在锻造过程中引起了保留的粗粒的形成，所述最后的轧制步骤如此进行，使得环形件的全部的横截面区域承受足够的变形，以便有效抑制粗粒的形成。
在典型的始终在环轧机侧被监控的工艺参数方面设置过程窗口并且由此分别推导预控变量。该过程窗口包括作为结果变量的过程参数、例如环增长速率或在轧制过程期间变化的经轧制的环坯的温度，而另外的过程窗口、例如轴向和/或径向轧制力或轧制时间是影响轧制结果的主动变量(Aktoren)。优选地来自所述规定的两组参数其中之一的工艺参数被定义为过程窗口。
除了已经由上述描述得出的在环轧的发明构思中的可再现的优点以外，此外与模锻相比，所述方法还具有如下优点，即，未利用的材料量(材料废料)可以被降低到最小值。在这一点上还被证明的是，能够用环轧方法生成用锻造不能制造的几何形状、例如侧凹(Hinterschnitte)。因此例如可以在同一轧制过程中制造环轧产品，该环轧产品反复地、更确切地说以彼此镜像对称布置的方式包含实际的最终产品。因此，可以在单一的轧制过程中制造多个最初连接的环轧产品，其中，在轧制后仅需要将环轧产品分成其单个产品。这种产品在实施方案的范围内也作为环轧产品要求保护。
上述方法由于所述特性也适合用于由具有裂纹敏感性的合金制造环轧产品，正如例如对于镍基合金而言例如尤其720或718是这种情况。这是由各个环轧步骤的特别的和非常有适应能力的调节引起的。因此，所述方法的优选应用在于由这种合金制造环轧产品，尤其当环轧产品用在承受较高负荷的区域中、例如在驱动机构中、更确切地说是用在作为旋转部件的驱动机构中。
以下结合图表阐述权利要求保护的方法。在此示出：
图1示出了描述随轧制时间推移记录的径向轧制力的图表，
图2示出了描述随轧制时间推移记录的轴向轧制力的图表，
图3示出了描述随轧制时间推移记录的环增长速率的图表，
图4示出了描述随轧制时间推移记录的轧制环坯温度的图表。
用于实施环轧方法的过程参数作为预控变量借助通过环坯获得的校准样品确定，所述环坯与也用来制造随后的环轧产品的环坯相一致。对于校准样品的过程控制，使用由先前模拟获得的过程参数，以便使校准样品的数量不会过大。由特定数量的实际地在用于制造环轧产品的环轧机上轧制的校准样品确定必须遵循的工艺参数，以便可以不需要手动干预地且在期望的公差范围内确立随后用于制造期望的环轧产品的过程控制。使用径向轴向环轧机。评估校准样品的结果，用这些校准样品在待观察的轧制步骤中在几何形状和组织方面达到期望的轧制结果。由这些校准样品的过程参数在特定工艺参数方面定义下额定值曲线和上额定值曲线，这两条曲线限定过程窗口的边界。此后，每个用位于所述过程窗口中的工艺参数轧制的环坯均满足对用所述轧制步骤形成的环轧产品提出的要求，更确切地说在几何形状和组织方面满足要求。因此，只有那些其当前过程参数位于预定义的过程窗口内的环轧产品能进入到进一步加工和/或处理中。
在图1中描述了径向轧制力的过程窗口，该过程窗口位于下额定值曲线Su和上额定值曲线So之间。在图1中，所述过程窗口用附图标记PRL表示。所述过程窗口PRL随轧制时间的变化过程表明，在该轧制步骤中，径向轧制力不是恒定的，而是朝向轧制步骤结束时降低，以便达到期望的轧制结果。为了在所示实施例中环轧产品具有期望的性质，在考虑多个过程窗口的情况下实施该方法。对于用于制造环轧产品的环轧过程，由此至少在预定义的过程窗口方面监视当前过程参数，更确切地说如下，确定是否脱离所述一个或多个允许的过程窗口。
图2示出与图1的图表相对应的图表，在图2中记录轴向轧制力随轧制时间的变化过程。在此方面的过程窗口PAF通过下额定值曲线Su和上额定值曲线So作为包络线限定边界，该过程窗口PAF示出与过程窗口PRL的变化过程不同的随轧制时间的另外的变化过程。为了获得期望的性质，径向轧制力在第一时间段应该几乎保持恒定直至该径向轧制力开始减小，相较而言轴向轧制力随轧制时间变化必须增大直至最大值，以便在最后的轧制区段同样地被降低。
在图1和图2的两个图表中，记录用环轧机轧制的环坯的工艺参数曲线，其中，用关于随轧制时间变化的径向轧制力和轴向轧制力的预控变量来控制环轧机，以便使环轧产品满足期望的要求。分别观察到的工艺参数(径向轧制力或轴向轧制力)的波动幅度主要由于径向或轴向轧制间隙的机器侧调控而产生。
在图3示出的图表中描述了随轧制时间推移记录的定义环增长速率的过程窗口PRGW。该过程窗口PRGW以关于过程窗口PRL和PAF已描述的同样方式得到。图3也在环增长速率的工艺参数方面清楚地示出，在该具体实施例中，为了获得环轧产品期望的性质，环增长随轧制时间推移不是恒定的。在环增长方面典型的是最初的瞬态振荡，该瞬态振荡在约8秒的轧制时间后结束。该瞬态振荡是由于偏心和/或材料在环坯中的不均匀分布引起的。所述瞬态振荡在轧制的前几秒被平衡。
图4示出需要的温度变化过程，经轧制的环坯必须遵循该温度变化过程，以便借助过程窗口PT满足图表中所示环轧步骤的环轧产品的要求。
除了图1至图4的图表中示出的过程窗口PRL、PAL、PRGW和PT，还能以相同的方式实现监控另外的工艺参数。
当然，在图中示例性地示出的过程窗口是基于环坯的和由环坯制造的环轧产品的完全确定的几何形状，并且在几何形状改变和/或材料改变的情况下，用于获得相应期望的环轧产品的过程窗口随轧制时间示出另外的变化过程。在图1至图4的图表中示出的环坯是由镍基合金(718)制成的环坯。为了使轧制产品根据期望的要求细粒化，轧制过程在δ-固溶相线温度(δ-Solvus-Temperatur)以下实施，正如这也由过程窗口PT清楚地看到的那样。
此外，在由另外的镍基合金、即合金720制成的环轧坯件(即经轧制的坯件)上进行试验。结果同样令人满意。
以下描述所用的试验合金的合金谱：
环坯由镍基合金以本身已知的方式制造，更确切地说通过进一步加工锻造的套管制造，该套管在第一步中被顶锻，随后被压铸并且在第三步中被钻孔。所有的工艺步骤都作为热成型步骤实施。
如果应当由镍基合金的环坯形成具有特别细粒的组织的环轧产品，则该环轧坯件优选地通过如上所述的顶锻过程获得，因为那时该环坯已经在较大的体积区域中具有细粒。
用异形截面环轧工艺也可以获得环轧产品中的较复杂结构。在此，为了防止就此暴露的区域、例如在较薄区段或在棱边上的区域冷却过快，需要在环轧期间适当地附加加热所述区域。
通过环轧能够以特别的方式遵循在轧制产品的整个横截面上观察的最小变形度，以便有效抑制粗粒的形成。
Claims (17)
1.一种利用过程监控式控制的环轧机可再现地制造用于旋转应用的异形截面环轧产品的方法，所述异形截面环轧产品由具有裂纹敏感性的金属环坯制造，所述方法包括以下步骤：
-借助用所述环轧机成型为其最终形状的校准样品、针对特定的待用所述环轧机成型为其最终形状的环轧产品来定义至少一个贯穿整个轧制时间的关于预选工艺参数的过程窗口，其中，在实施所述方法时所监控的过程参数的一个或多个过程窗口通过其轧制产品满足对待制造的环轧产品所提出的要求的那些校准样品的过程参数确定，其中，所述预选工艺参数包括以下工艺参数中的至少两个：
-环增长速率，
-轴向轧制力，
-径向轧制力，
-在轧制过程期间环坯的温度，
和随后
-对环坯进行异形截面式环轧以制造环轧产品，其中，关于至少两个选定的工艺参数检测经轧制的环坯的当前轧制参数，并且继而评估这些工艺参数是否位于预定义的过程窗口内，并且只有那些利用位于所述过程窗口内的工艺参数环轧出的环轧产品进入到进一步加工和/或处理中。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，通过在所述轧制过程期间一次或多次再加热所述环坯，使所述环坯在环轧的持续时间内具有低于环坯固溶相线温度的温度或保持低于环坯固溶相线温度的温度。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在环坯的环轧期间，对遭受较快冷却的横截面区域进行再加热。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，利用由模拟获得的工艺参数在环轧机上轧制最初的校准样品。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述环坯由镍基合金制成。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法在由合金720或718制成的环坯上实施。
7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，由环坯制造旋转的驱动机构部件作为环轧产品。
8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，所述旋转的驱动机构部件为涡轮机盘。
9.一种利用过程监控式控制的环轧机可再现地制造用于旋转应用的异形截面环轧产品的方法，所述异形截面环轧产品由具有裂纹敏感性的金属环坯制造，所述方法包括以下步骤：
-借助用所述环轧机成型为其最终形状的校准样品、针对特定的待用所述环轧机成型为其最终形状的环轧产品来定义至少一个贯穿整个轧制时间的关于预选工艺参数的过程窗口，其中，在实施所述方法时所监控的过程参数的一个或多个过程窗口通过其轧制产品满足对待制造的环轧产品所提出的要求的那些校准样品的过程参数确定，其中，所述预选工艺参数包括以下工艺参数中的至少两个：
-环增长速率，
-轴向轧制力，
-径向轧制力，
-在轧制过程期间环坯的温度，
和随后
-对环坯进行异形截面式环轧以制造环轧产品，其中，将至少一个对所述过程窗口产生影响的工艺参数作为预控变量用于机器侧的轧制过程控制。
10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，关于至少两个选定的工艺参数检测经轧制的环坯的当前轧制参数，并且继而评估所述工艺参数是否位于预定义的过程窗口内，并且只有利用那些位于所述过程窗口内的工艺参数环轧出的环轧产品进入到进一步加工和/或处理中。
11.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，通过在所述轧制过程期间一次或多次再加热所述环坯，使所述环坯在环轧的持续时间内具有低于环坯固溶相线温度的温度或保持低于环坯固溶相线温度的温度。
12.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，在环坯的环轧期间，对遭受较快冷却的横截面区域进行再加热。
13.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，利用由模拟获得的工艺参数在环轧机上轧制最初的校准样品。
14.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，所述环坯由镍基合金制成。
15.按照权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法在由合金720或718制成的环坯上实施。
16.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，由环坯制造旋转的驱动机构部件作为环轧产品。
17.按照权利要求16所述的方法，其特征在于，所述旋转的驱动机构部件为涡轮机盘。
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