CN108515132B - 一种镍基变形高温合金双性能涡轮盘的热模锻工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种镍基变形高温合金双性能涡轮盘的热模锻工艺，首先制备涡轮盘原始坯料，然后将涡轮盘原始坯料先采用分段式加热工艺进行加热，将加热后的涡轮盘原始坯料在液压机上进行镦粗变形得到镦粗件，然后在液压机上进行盘心冲圆孔和扩孔变形处理，接着空冷至室温，得到环形盘坯，然后再分别采用一组高频感应加热线圈对环形盘坯的盘毂部位和盘缘部位在不同温度条件下同步进行时效热处理，接着再将时效热处理后的环形盘坯在液压机上进行热模锻造，热模锻后水冷至室温，得到热模锻涡轮盘，最后将热模锻涡轮盘进行最终热处理，接着水冷至室温；优点是生产过程简单，生产成本较低，且可以提高镍基变形高温合金双性能涡轮盘性能。

Description

一种镍基变形高温合金双性能涡轮盘的热模锻工艺
技术领域
本发明涉及一种热模锻工艺，尤其是涉及一种镍基变形高温合金双性能涡轮盘的热模锻工艺。
背景技术
镍基高温合金具有工作温度高、组织稳定、有害相少以及良好的抗氧化和抗热腐蚀性能等优点，已成为航空发动机和工业燃气轮机中关键热端零部件用材。涡轮盘是航空发动机和燃气轮机的核心部件之一，涡轮盘在工作时不同的部位承受的温度和应力不同。其中，盘毂(涡轮盘中心)承受的应力最大，涡轮盘承受的应力沿着其盘径向外逐渐降低；而温度则是盘毂处较低，盘缘处温度较高。因此，高性能的涡轮盘要求其盘毂部位具有优异的低周疲劳性能，而盘缘部位具有优异的高温持久和蠕变性能。
众所周知，粗晶有利于提高材料的蠕变和持久性能；而细晶有利于塑性、疲劳性能和屈服强度等的提高。当前的镍基变形高温合金双性能涡轮盘就是盘毂部位为细晶，盘缘部位为粗晶的双性能涡轮盘。
目前，镍基变形高温合金双性能涡轮盘的制造工艺主要有两种：第一种工艺首先制备得到粉末坯体，然后通过等温锻造制得均匀细晶的涡轮盘，最后对均匀细晶的涡轮盘进行梯度热处理得到双性能涡轮盘。第一种工艺中，梯度热处理时，涡轮盘的盘毂和盘缘之间的温度差高达300-600℃，由此在进行梯度热处理时，需要在特制的热处理炉进行，工艺要求较高，不但制造成本较高，且制造过程比较复杂，与此同时，由于涡轮盘自身的热传导效应，要长时间保持涡轮盘的盘毂和盘缘之间较大的温度差很困难，以致最终得到的双性能涡轮盘的性能不高，质量不是很理想。第二种工艺首先制备得到细晶粉末坯体，然后对细晶粉末坯的盘毂部位与辐板部位进行热锻，对盘缘部位只加热不锻造。第二种工艺中，由于盘缘部位只加热不锻造，由此盘缘部位在制造过程中不变形，容易存在大量疏松空隙等缺陷，导致产品质量很差，不能满足双性能涡轮盘的使用性能，且合格率较低，成本也较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种生产过程简单，生产成本较低，且可以提高镍基变形高温合金双性能涡轮盘性能的镍基变形高温合金双性能涡轮盘的热模锻工艺。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种镍基变形高温合金双性能涡轮盘的热模锻工艺，包括以下步骤：
(a)采用机加工方法得到所需尺寸的涡轮盘原始坯料，所述的涡轮盘原始坯料的晶粒尺寸等级不低于ASTM 7级；
(b)将所述的涡轮盘原始坯料先采用分段式加热工艺进行加热，然后将加热后的涡轮盘原始坯料在液压机上进行镦粗变形得到镦粗件，其中镦粗变形的变形量为50-70％，所述的分段式加热工艺具体过程为：先将加热炉预热至T1后保温5-10min，然后打开加热炉将所述的涡轮盘原始坯料放入所述的加热炉中后再次封闭所述的加热炉，当所述的加热炉温度回升至T1后保温10-20min，接着将加热炉加热至T2后保温20-30min，最后将加热炉加热至T3后保温30-40min，T1为550-600℃，T2为800-850℃，T3为1000-1100℃；
(c)将所述的镦粗件放入加热炉中加热至1000-1100℃后保温10-20min，然后在液压机上进行盘心冲圆孔和扩孔变形处理，接着空冷至室温，得到环形盘坯；
(d)分别采用一组高频感应加热线圈对所述的环形盘坯的盘毂部位和盘缘部位在不同温度条件下同步进行时效热处理，其中对盘毂部位进行时效热处理的一组高频感应加热线圈的加热温度为900-930℃，对盘缘部位进行时效热处理的另一组高频感应加热线圈的加热温度为980-1000℃，对所述的环形盘坯的盘毂部位和盘缘部位时效热处理的时间相同，为24-32小时；
(e)将时效热处理后的环形盘坯在液压机上进行热模锻造，模具温度控制在900-930℃，变形速率控制在0.3-0.6mm/s，热模锻后水冷至室温，得到热模锻涡轮盘；
(f)将所述的热模锻涡轮盘进行最终热处理，热处理温度为950-980℃，保温时间为30-40min，接着水冷至室温，得到镍基变形高温合金双性能涡轮盘。
所述的涡轮盘原始坯料为经过开坯锻造后的铸锭棒材，或者为热等静压后的粉末盘坯。
所述的加热炉为普通加热炉或者分段式加热炉。
与现有技术相比，本发明的优点在于首先采用机加工方法得到所需尺寸的涡轮盘原始坯料，然后将涡轮盘原始坯料先采用分段式加热工艺进行加热，然后将加热后的涡轮盘原始坯料在液压机上进行镦粗变形得到镦粗件，其中镦粗变形的变形量为50-70％，分段式加热工艺具体过程为：先将加热炉预热至T1后保温5-10min，然后打开加热炉将涡轮盘原始坯料放入加热炉中后再次封闭加热炉，当加热炉温度回升至T1后保温10-20min，接着将加热炉加热至T2后保温20-30min，最后将加热炉加热至T3后保温30-40min，T1为550-600℃，T2为800-850℃，T3为1000-1100℃，接着将镦粗件放入加热炉中加热至1000-1100℃后保温10-20min，然后在液压机上进行盘心冲圆孔和扩孔变形处理，接着空冷至室温，得到环形盘坯，然后再分别采用一组高频感应加热线圈对环形盘坯的盘毂部位和盘缘部位在不同温度条件下同步进行时效热处理，时效热处理时间为24-32小时，其中对盘毂部位进行时效热处理的一组高频感应加热线圈的加热温度为900-930℃，对盘缘部位进行时效热处理的另一组高频感应加热线圈的加热温度为980-1000℃，接着再将时效热处理后的环形盘坯在液压机上进行热模锻造，模具温度控制在900-930℃，变形速率控制在0.3-0.6mm/s，热模锻后水冷至室温，得到热模锻涡轮盘，最后将热模锻涡轮盘进行最终热处理，热处理温度为950-980℃，保温时间为30-40min，接着水冷至室温，得到镍基变形高温合金双性能涡轮盘。在本发明的热模锻工艺过程中，通过分段式加热方式、镦粗变形工艺、不同部位在不同温度条件下同步进行时效热处理工艺、热模锻造工艺和最终热处理工艺的结合，省去热锻后的大梯度热处理工艺，不需要特制的大梯度热处理炉，采用普通的加热炉和高频感应加热线圈即可实现本发明的加热过程，生产过程简单，生产成本较低，而且，采用该分段式加热方式不仅可以使得坯料内部温度更均匀，还可以有效的降低热应力，避免热裂纹的产生；通过该镦粗变形工艺以及盘心冲圆孔和扩孔工艺后可以制得晶粒尺寸不低于ASTM 7级的环形盘坯；通过对环形盘坯不同部位同步不同温度时效热处理工艺，使得盘毂部位有大量片层状第二相析出，而盘缘部位只有极少量颗粒状第二相析出，且该部位晶粒较步骤(c)工艺处理后明显长大，晶粒尺寸等级为ASTM 2-4级，由于第二相的存在可以促进热模锻中动态再结晶的发生和抑制晶粒长大，盘毂部位在热模锻后能发生充分动态再结晶，晶粒尺寸等级可以到达ASTM 12-13级，盘缘部位晶粒尺寸等级为ASTM 3-5级；通过最终热处理工艺，使得盘毂部位的残余第二相溶解，晶粒尺寸等级为ASTM 12-13级，而盘缘部位的晶粒长大，晶粒尺寸等级为ASTM 2-4级，由此采用本发明的工艺可以使得到的热模锻涡轮盘的盘毂部位晶粒度更细、盘缘部位晶粒度更粗，由此可以保证盘毂部位具有优异的低周疲劳性能，盘缘部位具有优异的高温持久和蠕变性能，提高了镍基变形高温合金双性能涡轮盘的性能。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例一：一种镍基变形高温合金双性能涡轮盘的热模锻工艺，包括以下步骤：
(a)采用机加工方法得到所需尺寸的涡轮盘原始坯料，
(b)将涡轮盘原始坯料先采用分段式加热工艺进行加热，然后将加热后的涡轮盘原始坯料在液压机上进行镦粗变形得到镦粗件，其中镦粗变形的变形量为50％，分段式加热工艺具体过程为：先将加热炉预热至T1后保温5min，然后打开加热炉将涡轮盘原始坯料放入加热炉中后再次封闭加热炉，当加热炉温度回升至T1后保温10min，接着将加热炉加热至T2后保温20min，最后将加热炉加热至T3后保温30min，T1为550℃，T2为800℃，T3为1000℃；
(c)将镦粗件放入加热炉中加热至1000℃后保温10min，然后在液压机上进行盘心冲圆孔和扩孔变形处理，接着空冷至室温，得到环形盘坯；
(d)分别采用一组高频感应加热线圈对环形盘坯的盘毂部位和盘缘部位在不同温度条件下同步进行时效热处理，其中对盘毂部位进行时效热处理的一组高频感应加热线圈的加热温度为900℃，对盘缘部位进行时效热处理的另一组高频感应加热线圈的加热温度为980℃，对环形盘坯的盘毂部位和盘缘部位时效热处理的时间相同，为24小时；
(e)将时效热处理后的环形盘坯在液压机上进行热模锻造，模具温度控制在900℃，变形速率控制在0.3mm/s，热模锻后水冷至室温，得到热模锻涡轮盘；
(f)将热模锻涡轮盘进行最终热处理，热处理温度为950℃，保温时间为30min，接着水冷至室温，得到镍基变形高温合金双性能涡轮盘。
本实施例中，涡轮盘原始坯料为经过开坯锻造后的铸锭棒材，或者为热等静压后的粉末盘坯。
本实施例中，加热炉为普通加热炉或者分段式加热炉。
本实施例中，涡轮盘原始坯料的晶粒尺寸等级为ASTM 7级；步骤(c)处理后得到的环形盘坯的晶粒尺寸等级为ASTM 8-9级；步骤(f)处理后得到的镍基变形高温合金双性能涡轮盘盘毂部位的晶粒尺寸等级为ASTM 12-13级，盘缘部位的晶粒尺寸等级为ASTM 3-4级。
实施例二：一种镍基变形高温合金双性能涡轮盘的热模锻工艺，包括以下步骤：
(a)采用机加工方法得到所需尺寸的涡轮盘原始坯料；
(b)将涡轮盘原始坯料先采用分段式加热工艺进行加热，然后将加热后的涡轮盘原始坯料在液压机上进行镦粗变形得到镦粗件，其中镦粗变形的变形量为70％，分段式加热工艺具体过程为：先将加热炉预热至T1后保温10min，然后打开加热炉将涡轮盘原始坯料放入加热炉中后再次封闭加热炉，当加热炉温度回升至T1后保温20min，接着将加热炉加热至T2后保温30min，最后将加热炉加热至T3后保温40min，T1为600℃，T2为850℃，T3为1100℃；
(c)将镦粗件放入加热炉中加热至1100℃后保温20min，然后在液压机上进行盘心冲圆孔和扩孔变形处理，接着空冷至室温，得到环形盘坯；
(d)分别采用一组高频感应加热线圈对环形盘坯的盘毂部位和盘缘部位在不同温度条件下同步进行时效热处理，其中对盘毂部位进行时效热处理的一组高频感应加热线圈的加热温度为930℃，对盘缘部位进行时效热处理的另一组高频感应加热线圈的加热温度为1000℃，对环形盘坯的盘毂部位和盘缘部位时效热处理的时间相同，为32小时；
(e)将时效热处理后的环形盘坯在液压机上进行热模锻造，模具温度控制在930℃，变形速率控制在0.6mm/s，热模锻后水冷至室温，得到热模锻涡轮盘；
(f)将热模锻涡轮盘进行最终热处理，热处理温度为980℃，保温时间为40min，接着水冷至室温，得到镍基变形高温合金双性能涡轮盘。
本实施例中，涡轮盘原始坯料为经过开坯锻造后的铸锭棒材，或者为热等静压后的粉末盘坯。
本实施例中，加热炉为普通加热炉或者分段式加热炉。
本实施例中，涡轮盘原始坯料的晶粒尺寸等级为ASTM 7级，步骤(c)处理后得到的环形盘坯的晶粒尺寸等级为ASTM 7-8级，步骤(f)处理后得到的镍基变形高温合金双性能涡轮盘盘毂部位的晶粒尺寸等级为ASTM 11-12级，盘缘部位的晶粒尺寸等级为ASTM 2-3级。

Claims (3)

1.一种镍基变形高温合金双性能涡轮盘的热模锻工艺，其特征在于包括以下步骤：
(a)采用机加工方法得到所需尺寸的涡轮盘原始坯料，所述的涡轮盘原始坯料的晶粒尺寸等级不低于ASTM 7级；
(b)将所述的涡轮盘原始坯料先采用分段式加热工艺进行加热，然后将加热后的涡轮盘原始坯料在液压机上进行镦粗变形得到镦粗件，其中镦粗变形的变形量为50-70％，所述的分段式加热工艺具体过程为：先将加热炉预热至T1后保温5-10min，然后打开加热炉将所述的涡轮盘原始坯料放入所述的加热炉中后再次封闭所述的加热炉，当所述的加热炉温度回升至T1后保温10-20min，接着将加热炉加热至T2后保温20-30min，最后将加热炉加热至T3后保温30-40min，T1为550-600℃，T2为800-850℃，T3为1000-1100℃；
(c)将所述的镦粗件放入加热炉中加热至1000-1100℃后保温10-20min，然后在液压机上进行盘心冲圆孔和扩孔变形处理，接着空冷至室温，得到环形盘坯；
(d)分别采用一组高频感应加热线圈对所述的环形盘坯的盘毂部位和盘缘部位在不同温度条件下同步进行时效热处理，其中对盘毂部位进行时效热处理的一组高频感应加热线圈的加热温度为900-930℃，对盘缘部位进行时效热处理的另一组高频感应加热线圈的加热温度为980-1000℃，对所述的环形盘坯的盘毂部位和盘缘部位时效热处理的时间相同，为24-32小时；
(e)将时效热处理后的环形盘坯在液压机上进行热模锻造，模具温度控制在900-930℃，变形速率控制在0.3-0.6mm/s，热模锻后水冷至室温，得到热模锻涡轮盘；
(f)将所述的热模锻涡轮盘进行最终热处理，热处理温度为950-980℃，保温时间为30-40min，接着水冷至室温，得到镍基变形高温合金双性能涡轮盘。
2.根据权利要求1所述的一种镍基变形高温合金双性能涡轮盘的热模锻工艺，其特征在于所述的涡轮盘原始坯料为经过开坯锻造后的铸锭棒材，或者为热等静压后的粉末盘坯。
3.根据权利要求1所述的一种镍基变形高温合金双性能涡轮盘的热模锻工艺，其特征在于所述的加热炉为普通加热炉或者分段式加热炉。
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