CN108941412A - Gh4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造装置及方法 - Google Patents

Gh4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造装置及方法 Download PDF

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Abstract

GH4037圆饼类零件半固态‑固态复合精密锻造装置及方法，它用于高温合金成形技术领域。本发明解决了传统成形工艺存在制备流程长，金属变形抗力大导致的成本高，以及零件质量低，不能精密成形的问题。本发明利用热挤压棒材，根据所需制备的圆饼类零件的体积加上余量定量分割成圆柱体，加热至半固态温度保温一定时间即可获得半固态坯料，缩短了流程；而且制备半固态坯料的质量较高；利用半固态坯料的触变性，降低成形过程中变形抗力，使成形过程中对液压机吨位要求降低，有利于降低制备成本；同时半固态坯料的温度在整个成形过程中较高，能够较好地充填型腔，成形出形状复杂的成形件，提高成形件的精度。本发明可以应用于高温合金成形技术领域用。

Description

GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造装置及方法
技术领域
本发明属于圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造技术领域，具体涉及一种GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造装置及方法。
背景技术
高温合金传统的成形工艺主要为等温锻造和铸造。等温锻造是指将模具和要变形的合金坯料加热到同一最佳温度，进行恒温锻造的过程。铸造是指将金属或合金熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。在传统的成形工艺过程中，需要的流程较长，金属的变形抗力较大，因此导致成形成本高；而且，成形零件的质量较低，不适合精密成形。
发明内容
本发明的目的是为解决高温合金传统的成形工艺存在的制备流程长，金属变形抗力大导致的成本高，以及零件质量低、不能精密成形的问题。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
根据本发明的第一方面，提供了一种GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造装置，包括：
上模板和下模板，上模板和下模板相对且平行设置，其特征在于：所述装置还包括凸模、凸模固定板、压板、凹模、凹模套、顶杆、圆饼类零件型腔和加热器，其中：
所述凸模固定板通过连接件固定在上模板的下端面上，所述凸模的上端通过凸模固定板固定在上模板的下端面上；
所述压板、凹模和下模板的端面设有与凸模正对的冲孔，所述压板固定于凹模的上端面上，且凸模的下端在凹模内上下移动；
所述凹模套置于凹模的外部，且凹模套内部均匀设置加热器；凹模和凹模套的下端固定在下模板的上端面上，所述顶杆的上端在凹模内向上移动，且顶杆的下端穿过下模板的冲孔置于下模板外侧；
所述凸模下端的型面、顶杆上端的型面和凹模相应的部分共同形成圆饼类零件型腔；
根据本发明的第二方面，提供了一种基于本发明第一方面的GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造方法，具体是按照以下步骤完成的；
步骤一、预热：利用加热器将GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造装置的温度加热至145-155℃，利用喷枪将含有石墨的水溶液润滑剂均匀地喷涂在圆饼类零件型腔的内表面、凸模的第四段的外表面、凹模的与第四段相接触部位的内表面，利用液压机将凸模的最下端伸入到凹模内55mm-60mm；
步骤二、加热：利用加热器将GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造装置的温度加热至400℃-450℃，再在该温度下保温30-40min，得到GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造的成形装置；
步骤三、加料：利用液压机将凸模的最下端与凹模分离至250mm-300mm，再将在真空气氛炉中预热好的GH4037高温合金半固态坯料转移到圆饼类零件型腔中；
步骤四、加压成形：利用液压机带动凸模向下移动，直到与凹模和顶杆合模，再在压力为20kN下保压45s-60s，同时需维持GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造装置的温度在400℃-450℃；
步骤五、取出：利用液压机将凸模的最下端与凹模分离至450mm-500mm，再利用压力机将顶杆向上顶出，使圆饼类零件型腔中的GH4037圆饼类零件从压板上的冲孔中顶出；
步骤六、冷却：将从圆饼类零件型腔中顶出的GH4037圆饼类零件置于室温环境中冷却，直到冷却至室温，得到GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造的圆饼类零件。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造装置及方法：
(1)本发明利用热挤压棒材，直接根据所需半固态-固态复合精密锻造圆饼类零件的体积加上余量定量分割成圆柱体，直接加热至半固态温度保温一定时间后即可获得半固态坯料，这样就缩短了流程；而且制备的半固态坯料组织均匀、晶粒细小且球化程度高，即半固态坯料的质量较高，间接提高了GH4037圆饼类零件的质量；
(2)GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造方法充分利用了半固态坯料的触变性，降低了成形过程中的变形抗力，使成形过程中对液压机吨位要求降低，有利于降低制备的成本；同时半固态坯料的温度在整个成形过程中较高，因此能够较好地充填型腔，成形出形状复杂的成形件，提高成形件的精度。
本发明对于促进半固态-固态复合精密锻造成形技术在高温合金结构件成形方面的应用具有重要的意义；通过该技术的研究和其相关模具的研究与开发，结合具体工艺实验和过程参数的优化，为航空航天等领域高温合金成形件的生产制造提供有利的技术支持和理论铺垫。
附图说明
图1是本发明所述的GH4037高温合金示差扫描量热(DSC)曲线图；
其中：热流的单位是毫瓦/毫克，温度的单位是摄氏度；
图2是本发明所述的GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造装置的结构示意图；
其中：1为上模板、2为凸模、3为凸模固定板、4为压板、5为凹模、6为凹模套、7为顶杆、8为下模板、9为圆饼类零件型腔、10为加热器；
图3为本发明的凸模的结构示意图；
其中：21为第一段，22为第二段，23为第三段，24为第四段；
图4为本发明的顶杆的结构示意图；
其中：71为第五段，72为第六段；
图5为本发明的凹模的结构示意图；
图6为本发明的GH4037高温合金热挤压棒材的原始微观组织的示意图；
图7为发明的GH4037高温合金热挤压棒材在1350℃下，保温20min后获得的半固态坯料的微观组织图；
图8为本发明的GH4037高温合金热挤压棒材在1360℃下，保温40min后获得的半固态坯料的微观组织图；
图9为本发明的GH4037高温合金热挤压棒材在1370℃下，保温40min后获得的半固态坯料的微观组织图；
图10为发明的GH4037高温合金热挤压棒材在1380℃下，保温40min后获得的半固态坯料的微观组织图；
图11为本发明的在1350℃下，GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造数值模拟的最终温度场；
图12为本发明的在1370℃下，GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造数值模拟的最终温度场。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：结合图2-5说明本实施方式。本实施方式所述的一种GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造装置，
包括：上模板1和下模板8，上模板1和下模板8相对且平行设置，其特征在于：所述装置还包括凸模2、凸模固定板3、压板4、凹模5、凹模套6、顶杆7、圆饼类零件型腔9和加热器10，其中：
所述凸模固定板3通过连接件固定在上模板1的下端面上，所述凸模2的上端通过凸模固定板3固定在上模板1的下端面上；
所述压板4、凹模5和下模板8的端面设有与凸模2正对的冲孔，所述压板4固定于凹模5的上端面上，且凸模2的下端在凹模5内上下移动；
所述凹模套6置于凹模5的外部，且凹模套6内部均匀设置加热器10；凹模5和凹模套6的下端固定在下模板8的上端面上，所述顶杆7的上端在凹模内向上移动，且顶杆7的下端穿过下模板8的冲孔置于下模板8外侧；
所述凸模2下端的型面、顶杆7上端的型面和凹模5相应的部分共同形成圆饼类零件型腔9。
本实施方式在圆饼类零件型腔内可以制备圆饼类零件，通过多个加热器的串联，来对装置进行加热，以满足圆饼类零件制备的温度条件。
半固态加工技术相较于铸造而言，其加工温度低，可以解决液态金属对铸型的热侵蚀，提高模具寿命；同时零件质量大大高于铸造，由于半固态金属具有一定的黏性，在成形过程中无湍流现象，卷入的空气较少，减少了疏松、气孔等缺陷，凝固收缩小，零件尺寸精度高。半固态加工技术相较于等温锻造而言，由于半固态金属在固液相温度区间具有一定的触变性，充填是具有一定的流动性，比较容易充填模具型腔，因此大大降低了成形过程中的变形抗力，降低了成本。因此，从现有商业热加工状态的高温合金材料而言，利用本实施方式的半固态-固态复合精密锻造方法，可以充分结合半固态加工和等温锻造的优点，实现短流程、低成本的高温合金精密成形。
解决了高温合金成形过程对模具温度和模具材料要求苛刻的技术瓶颈问题。传统的高温合金半固态成形过程为了保证成形在半固态温度，要求模具温度很高，甚至达到800度以上。这对于模具材料的要求非常高。只能用高温合金模具或者陶瓷模具能够耐如此高的温度。陶瓷模具太脆，抵抗不了成型过程中产生的高压。高温合金模具成本太高，无法工业应用。本研究中采用半固态-固态复合精密锻造方法，利用的是传统的热做模具钢材，跟传统的热锻材料一致，有效地解决了模具温度太高和模具材料太贵的技术瓶颈问题。
具体实施方式二：本实施方式对实施方式一所述的GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造装置进行进一步的限定，本实施方式中凸模2从上至下由第一段21、第二段22、第三段23和第四段24组成；所述第一段21的外径φ1为130mm，高度H1为30mm；第二段22的外径φ2为100mm，高度H2为40mm；第三段23的外径φ3为71mm，高度H3为112mm；第四段24的外径φ4为75mm，高度H4为38mm。
本实施方式的第一段21和第二段22通过凸模固定板3，与上模板1紧密固定，在上模板1的带动下，整个凸模2可以随着上模板1向上移动，直至凸模2的第四段24与凹模5分离。
具体实施方式三：本实施方式对实施方式二所述的GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造装置进行进一步的限定，本实施方式中顶杆7从上至下由第五段71和第六段72组成；所述第五段71的外径φ5为71mm，高度H5为60mm；第六段72的外径φ6为50mm，高度H6为325mm。
本实施方式中凹模5与凸模2的第四段24相接触部位的直径为75.1mm，以保证凹模5与第四段24紧密接合。
具体实施方式四：本实施方式对实施方式三所述的GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造装置进行进一步的限定，本实施方式中凹模5的冲孔为阶梯状冲孔，且由上至下分为第一阶梯冲孔、第二阶梯冲孔和第三阶梯冲孔；所述第一阶梯冲孔的外径为75.1～75.13mm，高度为80～80.03mm；第二阶梯冲孔的外径为177.2～177.23mm，高度为60～60.03mm；第三阶梯冲孔的外径为51mm，高度为100～100.03mm。
本实施方式中通过压力机作用于第六段72，可以带动整个顶杆7向上移动。
具体实施方式五：本实施方式所述GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造方法，其具体是按照以下步骤完成的：
步骤一、预热：利用加热器10将GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造装置的温度加热至145-155℃，利用喷枪将含有石墨的水溶液润滑剂均匀地喷涂在圆饼类零件型腔9的内表面、凸模2的第四段24的外表面、凹模5的与第四段24相接触部位的内表面，利用液压机将凸模2的最下端伸入到凹模5内55mm-60mm；
步骤二、加热：利用加热器10将GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造装置的温度加热至400℃-450℃，再在该温度下保温30-40min，得到GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造的成形装置；
步骤三、加料：利用液压机将凸模2的最下端与凹模5分离至250mm-300mm，再将在真空气氛炉中预热好的GH4037高温合金半固态坯料转移到圆饼类零件型腔9中；
步骤四、加压成形：利用液压机带动凸模2向下移动，直到与凹模5和顶杆7合模，再在压力为20kN下保压45s-60s，同时需维持GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造装置的温度在400℃-450℃；
步骤五、取出：利用液压机将凸模2的最下端与凹模5分离至450mm-500mm，再利用压力机将顶杆7向上顶出，使圆饼类零件型腔9中的GH4037圆饼类零件从压板4上的冲孔中顶出；
步骤六、冷却：将从圆饼类零件型腔9中顶出的GH4037圆饼类零件置于室温环境中冷却，直到冷却至室温，得到GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造的圆饼类零件。
相比较于传统方法，本实施方式的方法可以使液压机的压力降低60％。
具体实施方式六：本实施方式对实施方式五所述的GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造方法进行进一步的限定，本实施方式中步骤一中的石墨的水溶液润滑剂中石墨的质量分数为12％-15％；加热器10的功率为8kW-10kW。
具体实施方式七：本实施方式对实施方式六所述的GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造方法进行进一步的限定，本实施方式中步骤二中GH4037高温合金半固态坯料转移时间在2s-3s之间。
具体实施方式八：本实施方式对实施方式七所述的GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造方法进行进一步的限定，本实施方式中步骤四中凸模2向下移动的速度为10mm/s；加压成形过程中保证GH4037圆饼类零件的温度在1100℃-1380℃。
具体实施方式九：结合图1说明本实施方式。本实施方式对实施方式八所述的GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造方法进行进一步的限定，本实施方式中所述的GH4037高温合金半固态坯料具体是按照以下步骤完成的：
步骤A、利用示差扫描量热法(DSC)确定GH4037高温合金的固相线为1309℃，液相线为1405℃，即半固态温度区间为1309℃-1405℃；设定半固态温度为1350℃-1380℃；
步骤B、将室温状态的GH4037高温合金热挤压棒材，根据所需半固态-固态复合精密锻造圆饼类零件的体积，再加上6％-8％的余量定量分割成圆柱体；
步骤C、将真空气氛电阻炉升温至780℃-820℃，将定量分割好的GH4037高温合金圆柱体放入真空气氛电阻炉中抽真空至0.1Pa、充氩气至0.2MPa后加热，以15℃/min的升温速率加热至设定的半固态温度；
步骤D、将GH4037高温合金圆柱体在半固态温度下保温20min-50min，然后打开真空气氛电阻炉，得到制备好的GH4037高温合金半固态坯料。
本实施方式中，如图6所示为GH4037高温合金热挤压棒材原始微观组织的示意图；图7是GH4037高温合金热挤压棒材在1350℃下，保温20min后获得的半固态坯料的微观组织图；图8为本发明的GH4037高温合金热挤压棒材在1360℃下，保温40min后获得的半固态坯料的微观组织图；图9为本发明的GH4037高温合金热挤压棒材在1370℃下，保温40min后获得的半固态坯料的微观组织图；图10为发明的GH4037高温合金热挤压棒材在1380℃下，保温40min后获得的半固态坯料的微观组织图。
图11为本发明的在1350℃下，GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造数值模拟的最终温度场，其中：最小温度值(min)为1140℃，最大温度值(max)为1360℃；
图12为本发明的在1370℃下，GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造数值模拟的最终温度场，其中：最小温度值(min)为1160℃，最大温度值(max)为1390℃。
由于本发明的方法是固态半固态复合成形，通过模拟最终温度场就可以看出在成形过程中有的区域处于半固态温度，有的区域处于固态温度；这样就可以说明在成形过程中温度的范围。

Claims (9)

1.GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造装置，包括：上模板(1)和下模板(8)，上模板(1)和下模板(8)相对且平行设置，其特征在于：所述装置还包括凸模(2)、凸模固定板(3)、压板(4)、凹模(5)、凹模套(6)、顶杆(7)、圆饼类零件型腔(9)和加热器(10)，其中：
所述凸模固定板(3)通过连接件固定在上模板(1)的下端面上，所述凸模(2)的上端通过凸模固定板(3)固定在上模板(1)的下端面上；
所述压板(4)、凹模(5)和下模板(8)的端面设有与凸模(2)正对的冲孔，所述压板(4)固定于凹模(5)的上端面上，且凸模(2)的下端在凹模(5)内上下移动；
所述凹模套(6)置于凹模(5)的外部，且凹模套(6)内部均匀设置加热器(10)；凹模(5)和凹模套(6)的下端固定在下模板(8)的上端面上，所述顶杆(7)的上端在凹模(5)内向上移动，且顶杆(7)的下端穿过下模板(8)的冲孔置于下模板(8)外侧；
所述凸模(2)下端的型面、顶杆(7)上端的型面和凹模(5)相应的部分共同形成圆饼类零件型腔(9)。
2.根据权利要求1所述的GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造装置，其特征在于，所述凸模(2)从上至下由第一段(21)、第二段(22)、第三段(23)和第四段(24)组成；所述第一段(21)的外径φ1为130mm，高度H1为30mm；第二段(22)的外径φ2为100mm，高度H2为40mm；第三段(23)的外径φ3为71mm，高度H3为112mm；第四段(24)的外径φ4为75mm，高度H4为38mm。
3.根据权利要求1所述的GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造装置，其特征在于，所述顶杆(7)从上至下由第五段(71)和第六段(72)组成；所述第五段(71)的外径φ5为71mm，高度H5为60mm；第六段(72)的外径φ6为50mm，高度H6为325mm。
4.根据权利要求1所述的GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造装置，其特征在于，所述凹模(5)的冲孔为阶梯状冲孔，且由上至下分为第一阶梯冲孔、第二阶梯冲孔和第三阶梯冲孔；所述第一阶梯冲孔的外径为75.1～75.13mm，高度为80～80.03mm；第二阶梯冲孔的外径为177.2～177.23mm，高度为60～60.03mm；第三阶梯冲孔的外径为51mm，高度为100～100.03mm。
5.GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造方法，其特征在于，所述GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造方法具体是按照以下步骤完成的：
步骤一、预热：利用加热器(10)将GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造装置的温度加热至145-155℃，利用喷枪将含有石墨的水溶液润滑剂均匀地喷涂在圆饼类零件型腔(9)的内表面、凸模(2)的第四段(24)的外表面、凹模(5)的与第四段(24)相接触部位的内表面，利用液压机将凸模(2)的最下端伸入到凹模(5)内55mm-60mm；
步骤二、加热：利用加热器(10)将GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造装置的温度加热至400℃-450℃，再在该温度下保温30-40min，得到GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造的成形装置；
步骤三、加料：利用液压机将凸模(2)的最下端与凹模(5)分离至250mm-300mm，再将在真空气氛炉中预热好的GH4037高温合金半固态坯料转移到圆饼类零件型腔(10)中；
步骤四、加压成形：利用液压机带动凸模(2)向下移动，直到与凹模(5)和顶杆(7)合模，再在压力为20kN下保压45s-60s，同时需维持GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造装置的温度在400℃-450℃；
步骤五、取出：利用液压机将凸模(2)的最下端与凹模(5)分离至450mm-500mm，再利用压力机将顶杆(7)向上顶出，使圆饼类零件型腔(9)中的GH4037圆饼类零件从压板(4)上的冲孔中顶出；
步骤六、冷却：将从圆饼类零件型腔(9)中顶出的GH4037圆饼类零件置于室温环境中冷却，直到冷却至室温，得到GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造的圆饼类零件。
6.根据权利要求5所述的GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造方法，其特征在于，所述步骤一中的石墨的水溶液润滑剂中石墨的质量分数为12％-15％；加热器(10)的功率为8kW-10kW。
7.根据权利要求6所述的GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造方法，其特征在于，所述步骤二中GH4037高温合金半固态坯料转移时间在2s-3s之间。
8.根据权利要求7所述的GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造方法，其特征在于，所述步骤四中凸模(2)向下移动的速度为10mm/s；加压成形过程中保证GH4037圆饼类零件的温度在1100℃-1380℃。
9.根据权利要求5所述的GH4037圆饼类零件半固态-固态复合精密锻造方法，其特征在于，所述步骤三中的GH4037高温合金半固态坯料具体是按照以下步骤制成的：
步骤A、利用示差扫描量热法确定GH4037高温合金的固相线为1309℃，液相线为1405℃，即半固态温度区间为1309℃-1405℃；设定半固态温度为1350℃-1380℃；
步骤B、将室温状态的GH4037高温合金热挤压棒材，根据所需半固态-固态复合精密锻造圆饼类零件的体积，再加上6％-8％的余量定量分割成圆柱体；
步骤C、将真空气氛电阻炉升温至780℃-820℃，将定量分割好的GH4037高温合金圆柱体放入真空气氛电阻炉中抽真空至0.1Pa、充氩气至0.2MPa后加热，以15℃/min的升温速率加热至设定的半固态温度；
步骤D、将GH4037高温合金圆柱体在半固态温度下保温20min-50min，然后打开真空气氛电阻炉，得到制备好的GH4037高温合金半固态坯料。
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