CN108994299A - 一种粉末高温合金构件阶段加热挤压控性装置及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种粉末高温合金构件阶段加热挤压控性装置及使用方法，该方法借助阶段变化的变形温度和压力，使粉末材料一次性实现低温低压固化和高温高压控性。首先，粉末在较低温度(不大于700℃)和较低压力(不大于500MPa)条件下实现初步固化；接下来，提高温度(不大于1000℃)，结合较低的挤压比(不大于2:1)和变形速度等塑性变形参数，使高温合金粉末完全致密，并获得具有一定变形量的粉末高温合金锭坯；还可以随后继续提高温度(不大于1100℃)，结合较大的挤压比(4:1～9:1)和变形速度等塑性变形参数，获得晶粒度达到7～13级的微观组织。实现粉末高温合金构件固化‑控性一体化，简化了工艺流程，缩短了研制周期，提高材料利用率，降低构件制造成本。

Description

一种粉末高温合金构件阶段加热挤压控性装置及使用方法
技术领域
本发明是一种粉末高温合金构件阶段加热挤压控性装置及使用方法，属于热加工技术领域。
背景技术
粉末高温合金是为了解决铸锻合金高温合金高合金化造成的凝固偏析和变形困难而发展起来的盘件材料。高合金化粉末高温合金具有耐高温、高强韧性和低裂纹扩展速率等综合性能优异的优点，是制造高性能、高可靠性、长寿命先进航空发动机用涡轮盘等耐高温部件的首选材料。但是，高合金化粉末高温合金一般对温度极其敏感，加工窗口窄，属于难变形合金，导致在工艺执行和组织控制过程中存在一定的困难。
国外粉末高温合金主要用来制备高性能发动机涡轮盘等热端部件，主要采用粉末热等静压+挤压+等温锻造的工艺方法制备，其工艺特点是工艺复杂，制备周期长，成本高，而且，在不同的工序之间需要对构件坯料进行多次机械加工，以满足工序对构件坯料形状和表面状态的要求，造成了材料利用率低。
发明内容
本发明正是针对上述现有国内现有技术中存在的不足而设计提供了一种粉末高温合金构件阶段加热挤压控性装置及使用方法，其目的是提高粉末高温合金构件的生产效率和材料利用率。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明技术方案提供了一种粉末高温合金构件阶段加热挤压控性装置，其特征在于：该装置包括固化型腔和成形型腔，两部分连接在一起并同轴水平放置，固化型腔包括环形的上模腔18、上压环21，上压环21套装在上模腔18内并为过渡配合，在上压环21的中心孔内安装柱状的上压头22并为过渡配合，在上模腔18的后端连接一个环形的一级挤压模17；
一级挤压模17的后端为成形型腔，成型型腔从前到后的连接结构依次为环形的中模腔16、二级挤压模15、三级挤压模14、四级挤压模13、下模腔12，在下模腔12的中心孔内从外向内依次套装环形的一级下压环9、二级下压环8、三级下压环7和柱状的四级下压杆6并均为过渡配合，挤压模17、中模腔16、二级挤压模15、三级挤压模14、四级挤压模13的中心孔联通形成成形型腔的内腔，挤压模17和中模腔16的内径相同，一级下压环9的外径与挤压模17和中模腔16的内径为过渡配合，二级挤压模15、三级挤压模14、四级挤压模13为沿轴向对开结构以便于一级下压环9在成形型腔的内腔滑动；
固化型腔和成形型腔通过支架3安装在基座19上，在基座19的前、后各设置前液压站20、后液压站11通过液压管1给固化型腔和成形型腔的各部件提供液压作动；
固化型腔和成形型腔的组件上模腔18、挤压模17、中模腔16、二级挤压模15、三级挤压模14、四级挤压模13、下模腔12之间设置隔热棉4并通过锁扣环5连接固定。
进一步，二级挤压模15、三级挤压模14、四级挤压模13、下模腔12的底部的支架3安装在位于基座19上的滑轨10上并能够独立地进行沿轴向的水平移动，同时，二级挤压模15、三级挤压模14、四级挤压模13的内径能够减小或扩大。
本发明技术方案还提供了一种采用上述的粉末高温合金构件阶段加热挤压控性装置对粉末高温合金构件进行阶段加热挤压控性的方法，其特征在于：该方法的步骤是：
步骤一、粉末准备
根据构件尺寸计算并称量雾化高温合金粉末，称量的重量按以下公式1计算：
m装载＝m计算/0.8 公式1
式中：m装载为装载到模具中的雾化高温合金粉末重量，m计算为根据构件的体积计算得到的雾化高温合金粉末重量；
步骤二、挤压模具制备
将一级下压环(9)连带二级下压环(8)、三级下压环(7)和柱状的四级下压杆(6)一起滑动到挤压模(17)内，将一级下压环(9)的前缘端面位于挤压模(17)的挤出口处，将粉末装入一级下压环(9)、挤压模(17)、上模腔(18)和上压环(21)构成的腔体内，然后用上压头(22)封堵上压环(21)的前端开口；
步骤三、粉末及模具预加热
将粉末及周围模具组件加热到500-700℃，进行保温，保温时间按以下公式2计算：
T保温时间＝(L上模腔直径+L上压环壁厚×2)×1.7min/mm公式2
步骤四、粉末固化
保温时间结束后，上压环(21)和上压头(22)同步向后作动，速度保持在17mm/s～20mm/s之间，直至压力达到300-500MPa，然后，上压环(21)和上压头(22)停止作动，得到固化预制坯；
步骤五、挤压控性
挤压控性包括以下几种：
第一种：将中模腔16和上模腔18内的固化预制坯一同升温到700-1000℃，将步骤四得到的固化预制坯通过上压头22和上压环21的向后作动由上模腔18挤入中模腔16内，速度保持在17mm/s～20mm/s之间，挤压比介于1∶1～2∶1之间，获得完全固化的粉末高温合金构件；
第二种：将中模腔16和上模腔18内的固化预制坯一同升温到1000～1100℃，将步骤四得到的固化预制坯通过上压头22和上压环21的向后作动由上模腔18挤入中模腔16内，速度保持在17mm/s～20mm/s之间，挤压比介于1∶1～2∶1之间，继续推动完全固化的粉末高温合金构件经过经预热后的二级挤压模15、三级挤压模14、四级挤压模13中的一种或几种对粉末高温合金构件进行挤压控性，挤压比介于4∶1～9∶1之间，该预热温度为1000～1100℃，速度保持在17mm/s～20mm/s之间，挤出的构件从一级下压环9的中心孔穿出，即完成晶粒度7～13级晶粒组织的粉末高温合金构件的制备。
所述固化型腔和成形型腔采用断裂强度超过2000MPa的钢材料制备。
本发明技术方案具有的特点和有益效果是：
本发明主要针对采用热等静压+挤压+等温锻造工艺制备粉末高温合金构件存在锻件制备周期长、制造成本高的技术现状，用粉末阶段加热挤压控性的方法以替代原有的粉末热等静压+挤压+等温锻造的方式，解决了制备周期长，制造成本高和材料利用率低的问题。
本发明是一种针对在粉末冶金高温合金构件的塑性成形技术方案，其基本原理是利用了粉末材料良好的流动性，借助阶段变化的变形温度和压力，使粉末材料一次性实现低温低压固化和高温高压控性。首先，粉末在较低温度(不大于700℃)和较低压力(不大于500MPa)条件下实现初步固化；接下来，提高温度(不大于1000℃)，结合较低的挤压比(不大于2:1)和变形速度等塑性变形参数，使高温合金粉末完全致密，并获得具有一定变形量的粉末高温合金锭坯；还可以随后继续提高温度(不大于1100℃)，结合较大的挤压比(4:1～9:1)和变形速度等塑性变形参数，获得晶粒度达到7～13级的微观组织。在此过程中，实现粉末高温合金构件固化-控性一体化。相比于热等静压(一般为10％)，变形量大幅度提高至50～70％，促使再结晶发生，粉末的原始颗粒边界得到破碎，从而制备出组织致密且具有细小再结晶晶粒的粉末高温合金构件。
在粉末高温合金构件成形过程中，根据材料所需的组织状态，固化型腔和成形型腔中的各部件可以实现不同的工作温度，实现不同的挤压变形量，确保得到无宏观缺陷的粉末高温合金构件。
本发明技术方案与国内外粉末高温合金构件制备技术相比，其优点主要体现在：
(1)利用粉末良好的流动性，粉末成形过程中，粉末构件的形状一直在改变，促使微观组织也同步在细化，实现了构件固化-控性的一体化；
(2)粉末材料从粉体到最后的块体成形的整个过程连续并能够在不同温度和变形量条件下实现的，变形温度和变形量是阶段变化的，从而满足粉末颗粒从界面结合到再结晶形核和长大整个过程对于塑性成形条件的不同需求；
(3)粉末颗粒在一定的塑性变形条件下成形，由于整个过程没有过多的转移和降温再升温的重复过程，便于一次性调整构件不同区域的微观组织；
(4)简化了工艺流程，缩短了研制周期，提高材料利用率，降低构件制造成本。
附图说明
图1为本发明技术方案中挤压模具的结构示意图
图2为本发明技术方案中成型固化预制坯的模具结构示意图
图3为本发明技术方案中成型完全固化的粉末高温合金构件的模具结构示意图
图4为本发明技术方案中对完全固化的粉末高温合金构件进行挤压控性的模具结构示意图
图中:1液压管，2粉末高温合金，3支架，4隔热棉，5锁扣环，6四级下压杆，7三级下压环，8二级下压环，9一级下压环，10滑轨，11右液压站，12下模腔，13四级挤压模，14三级挤压模，15二级挤压模，16中模腔，17一级挤压模，18上模腔，19基座，20左液压站，21上压环，22上压头。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
参见附图1所示，该挤压模具包括固化型腔和成形型腔，两部分连接在一起并同轴水平放置，固化型腔包括环形的上模腔18、上压环21，上压环21套装在上模腔18内并为过渡配合，在上压环21的中心孔内安装柱状的上压头22并为过渡配合，在上模腔18的后端连接一个环形的一级挤压模17；
一级挤压模17的后端为成形型腔，成型型腔从前到后的连接结构依次为环形的中模腔16、二级挤压模15、三级挤压模14、四级挤压模13、下模腔12，在下模腔12的中心孔内从外向内依次套装环形的一级下压环9、二级下压环8、三级下压环7和柱状的四级下压杆6并均为过渡配合，挤压模17、中模腔16、二级挤压模15、三级挤压模14、四级挤压模13的中心孔联通形成成形型腔的内腔，挤压模17和中模腔16的内径相同，一级下压环9的外径与挤压模17和中模腔16的内径为过渡配合，二级挤压模15、三级挤压模14、四级挤压模13为沿轴向对开结构以便于一级下压环9在成形型腔的内腔滑动；
固化型腔和成形型腔通过支架3安装在基座19上，在基座19的前、后各设置前液压站20、后液压站11通过液压管1给固化型腔和成形型腔的各部件提供液压作动；
固化型腔和成形型腔的组件上模腔18、挤压模17、中模腔16、二级挤压模15、三级挤压模14、四级挤压模13、下模腔12之间设置隔热棉4并通过锁扣环5连接固定。
级挤压模15、三级挤压模14、四级挤压模13、下模腔12的底部的支架3安装在位于基座19上的滑轨10上并能够独立地进行沿轴向的水平移动，同时，二级挤压模15、三级挤压模14、四级挤压模13的内径能够减小或扩大。
固化型腔和成形型腔采用断裂强度超过2000MPa的钢材料制备。
采用上述的粉末高温合金构件阶段加热挤压控性装置对粉末高温合金构件进行阶段加热挤压控性的方法，其特征在于：该方法的步骤是：
步骤一、粉末准备
根据构件尺寸计算并称量雾化FGH96合金粉末，称量的重量按以下公式1计算：
m装载＝m计算/0.8 公式1
式中：m装载为装载到模具中的雾化FGH96合金粉末重量，m计算为根据构件的体积计算得到的雾化FGH96合金粉末重量；
步骤二、挤压模具制备
将挤压模具内壁用酒精及丙酮清理干净，并置于真空室内，真空室内设置十一套液压系统，其中七套液压系统可以实现上压环21、上压头22、一级下压环6、二级下压环8、三级下压环7、四级下压杆6和下模腔12沿水平方向自由左右移动，另外四套液压系统分别对接一级挤压模17、二级挤压模15、三级挤压模14和四级挤压模13，可以使挤压模沿竖直方向打开或闭合，液压系统通过前液压站20、后液压站11和液压管1实现供油；
将一级下压环9连带二级下压环8、三级下压环7和柱状的四级下压杆6一起滑动到挤压模17内，将一级下压环9的前缘端面位于挤压模17的挤出口处，将粉末装入一级下压环9、挤压模17、上模腔18和上压环21构成的腔体内，然后用上压头22封堵上压环21的前端开口；
步骤三、粉末及模具预加热
将FGH96合金粉末及周围模具组件加热到500℃，进行保温，保温时间按以下公式2计算：
T保温时间＝(L上模腔直径+L上压环壁厚×2)×1.7min/mm 公式2
步骤四、粉末固化
保温时间结束后，上压环21和上压头22同步向后作动，速度保持在17mm/s，直至压力达到300MPa，然后，上压环21和上压头22停止作动，得到固化预制坯，参见附图2所示；
步骤五、挤压控性
挤压过程为：
将中模腔16和上模腔18内的固化预制坯一同升温到700～1000℃，将步骤四得到的固化预制坯通过上压头22和上压环21的向后作动由上模腔18挤入中模腔16内，速度保持在17mm/s，挤压比为2∶1，获得完全固化的粉末高温合金构件，如图3所示；
继续推动完全固化的粉末高温合金构件经过经预热后的二级挤压模15对FGH96合金构件进行挤压控性，挤压比为4∶1；
该预热温度为1050℃，速度保持在17mm/s，挤出的构件从一级下压环9的中心孔穿出，即完成晶粒度7级晶粒组织的FGH96合金构件的制备。
最后，对完成挤压控性的粉末高温合金构件进行后处理，后处理包括冷却至室温后进行吹砂，并采用机械加工的方法去除表面污垢，即得到FGH96合金构件。

Claims (4)

1.一种粉末高温合金构件阶段加热挤压控性装置，其特征在于：该装置包括固化型腔和成形型腔，两部分连接在一起并同轴水平放置，固化型腔包括环形的上模腔(18)、上压环(21)，上压环(21)套装在上模腔(18)内并为过渡配合，在上压环(21)的中心孔内安装柱状的上压头(22)并为过渡配合，在上模腔(18)的后端连接一个环形的一级挤压模(17)；
一级挤压模(17)的后端为成形型腔，成型型腔从前到后的连接结构依次为环形的中模腔(16)、二级挤压模(15)、三级挤压模(14)、四级挤压模(13)、下模腔(12)，在下模腔(12)的中心孔内从外向内依次套装环形的一级下压环(9)、二级下压环(8)、三级下压环(7)和柱状的四级下压杆(6)并均为过渡配合，挤压模(17)、中模腔(16)、二级挤压模(15)、三级挤压模(14)、四级挤压模(13)的中心孔联通形成成形型腔的内腔，挤压模(17)和中模腔(16)的内径相同，一级下压环(9)的外径与挤压模(17)和中模腔(16)的内径为过渡配合，二级挤压模(15)、三级挤压模(14)、四级挤压模(13)为沿轴向对开结构以便于一级下压环(9)在成形型腔的内腔滑动；
固化型腔和成形型腔通过支架(3)安装在基座(19)上，在基座(19)的前、后各设置前液压站(20)、后液压站(11)通过液压管(1)给固化型腔和成形型腔的各部件提供液压作动；
固化型腔和成形型腔的组件上模腔(18)、挤压模(17)、中模腔(16)、二级挤压模(15)、三级挤压模(14)、四级挤压模(13)、下模腔(12)之间设置隔热棉(4)并通过锁扣环(5)连接固定。
2.根据权利要求1所述的粉末高温合金构件阶段加热挤压控性装置，其特征在于：二级挤压模(15)、三级挤压模(14)、四级挤压模(13)、下模腔(12)的底部的支架(3)安装在位于基座(19)上的滑轨(10)上并能够独立地进行沿轴向的水平移动，同时，二级挤压模(15)、三级挤压模(14)、四级挤压模(13)的内径能够减小或扩大。
3.采用权利要求1所述的粉末高温合金构件阶段加热挤压控性装置对粉末高温合金构件进行阶段加热挤压控性的方法，其特征在于：该方法的步骤是：
步骤一、粉末准备
根据构件尺寸计算并称量雾化高温合金粉末，称量的重量按以下公式1计算：
m装载＝m计算/0.8 公式1
式中：m装载为装载到模具中的雾化高温合金粉末重量，m计算为根据构件的体积计算得到的雾化高温合金粉末重量；
步骤二、挤压模具制备
将一级下压环(9)连带二级下压环(8)、三级下压环(7)和柱状的四级下压杆(6)一起滑动到挤压模(17)内，将一级下压环(9)的前缘端面位于挤压模(17)的挤出口处，将粉末装入一级下压环(9)、挤压模(17)、上模腔(18)和上压环(21)构成的腔体内，然后用上压头(22)封堵上压环(21)的前端开口；
步骤三、粉末及模具预加热
将粉末及周围模具组件加热到500-700℃，进行保温，保温时间按以下公式2计算：
T保温时间＝(L上模腔直径+L上压环壁厚×2)×1.7min/mm公式2
步骤四、粉末固化
保温时间结束后，上压环(21)和上压头(22)同步向后作动，速度保持在17mm/s～20mm/s之间，直至压力达到300-500MPa，然后，上压环(21)和上压头(22)停止作动，得到固化预制坯；
步骤五、挤压控性
挤压控性包括以下几种：
第一种：将中模腔(16)和上模腔(18)内的固化预制坯一同升温到700-1000℃，将步骤四得到的固化预制坯通过上压头(22)和上压环(21)的向后作动由上模腔(18)挤入中模腔(16)内，速度保持在17mm/s～20mm/s之间，挤压比介于1∶1～2∶1之间，获得完全固化的粉末高温合金构件；
第二种：将中模腔(16)和上模腔(18)内的固化预制坯一同升温到1000～1100℃，将步骤四得到的固化预制坯通过上压头(22)和上压环(21)的向后作动由上模腔(18)挤入中模腔(16)内，速度保持在17mm/s～20mm/s之间，挤压比介于1∶1～2∶1之间，继续推动完全固化的粉末高温合金构件经过经预热后的二级挤压模(15)、三级挤压模(14)、四级挤压模(13)中的一种或几种对粉末高温合金构件进行挤压控性，挤压比介于4∶1～9∶1之间，该预热温度为1000～1100℃，速度保持在17mm/s～20mm/s之间，挤出的构件从一级下压环(9)的中心孔穿出，即完成晶粒度7～13级晶粒组织的粉末高温合金构件的制备。
4.根据权利要求3所述的对粉末高温合金构件进行阶段加热挤压控性的方法，其特征在于：固化型腔和成形型腔采用断裂强度超过2000MPa的钢材料制备。
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