CN109822024B - 一种750℃级高温合金锻件的锻造和热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种750℃级高温合金锻件的锻造和热处理工艺，包括：锻造加热：将坯料入炉加热；坯料入炉温度≤750℃；坯料加热至990‑1010℃，进行均热；均热后在坯料表面涂抹高温涂层，保温120‑150min；制坯：通过低温大变形的锻造工艺进行改锻；环状锻件加工：将坯料加工为环状锻件；固溶：将锻件在室温装炉，加热至1140‑1160℃，保温70‑90min，之后出炉冷却；时效：第一级时效，升温至840‑860℃，保温60‑80min；第二级时效，升温至940‑960℃，保温150‑180min；之后冷却。本发明通过对锻造和热处理工艺研究优化，解决了750℃级高温合金锻件开裂严重、力学性能差等问题。
Description
技术领域
本发明涉及工艺成形和热处理技术领域，尤其一种750℃级高温合金锻件的锻造和热处理工艺。
背景技术
航空发动机用高温合金精密环锻件作为关键热端承力零件，是直接决定整机性能及使用寿命的关键零部件，严苛的使用环境对其承温能力和力学性能提出了极高的要求。下一代航空发动机中热端承力高温合金精密环锻件最高服役温度已达到750℃，传统的高温合金材料已经无法达到使用要求。750℃变形高温合金是国内外下一代航空发动机热端承力部件的首选材料，是今后十年重点发展的发动机主干材料。
GH4065A合金是国内最新开发的高合金化镍基变形高温合金，强化相(γ′相)含量为42％，其承温能力比当前用量最大的GH4169(国外IN718)系列合金提高近50-100℃，强度比典型难变形合金GH4141提升30％以上、持久性能提升近20％，在750℃条件下力学性能优异。在拥有优异力学性能和承温能力的同时，其复杂的合金化配比和高合金化，大大的增加了热加工成形的难度，对锻造和热处理工艺提出了很高要求。
现有高温合金使用温度多为600～700℃，无法满足新一代航空发动机高温部件的要求。现有的750℃级高温合金锻件，由于其复杂的合金化配比和高合金化，对成形和热处理工艺造成了很大难度。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明公开了一种750℃级高温合金锻件的锻造和热处理工艺。
本发明所采用的技术方案如下：
一种750℃级高温合金锻件的锻造和热处理工艺，其特征在于包括以下步骤：
锻造加热：将坯料入炉加热；坯料入炉温度≤750℃；坯料加热至990-1010℃，进行均热；均热后在坯料表面涂抹高温涂层，保温120-150min；
制坯：通过低温大变形的锻造工艺进行改锻；改锻后将坯料镦粗滚圆冲孔；
环状锻件加工：将坯料加工为环状锻件；
固溶：将锻件在室温装炉，加热至1140-1160℃，保温70-90min，之后出炉冷却；
时效：第一级时效，升温至840-860℃，保温60-80min；第二级时效，升温至940-960℃，保温150-180min；之后冷却。
其进一步的技术方案为：在所述锻造加热步骤前进行下料；所使用坯料为高温合金棒材；坯料高径比＜2.5。
其进一步的技术方案为：在所述制坯步骤中，制坯前将制坯工装预热至300-350℃。
其进一步的技术方案为：在所述制坯步骤中，锻造变形量≥60％。
其进一步的技术方案为：所述环状锻件加工步骤具体包括：
机加工内孔：将冲孔后坯料空冷至室温后，处理冲孔缺陷；
加热：将坯料加热至990-1010℃，保温120-150min；
扩孔：制备碾环环坯；
回炉加热：将碾环环坯回炉加热至990-1010℃，保温90-120h；
碾环：将碾环环坯用碾环机进行轧制，成高温合金环状锻件；
冷却：待锻件在碾环机上冷却至≤200℃时，转移至地面平放，冷却至室温。
其进一步的技术方案为：在扩孔步骤中，将加热所得的坯料采用自由锻造马架扩孔的方式进行锻造，制备碾环环坯。
其进一步的技术方案为：在碾环步骤中，碾环径向进给速度为0.1-0.3mm/s。
其进一步的技术方案为：在碾环步骤中，碾环前预热碾环机与坯料接触部位至300-350℃。
其进一步的技术方案为：在环状锻件加工后进行排伤；将缺陷加工完善后进行着色探伤。
其进一步的技术方案为：在时效步骤后，将锻件机加工至要求尺寸。
本发明的有益效果如下：
本发明通过对750℃级高温合金实施改锻后，通过高温固溶和双级时效，在确保产品满足形状尺寸的前提下，提升了产品性能，还解决了750℃级高温合金锻件开裂严重、力学性能差等问题。
本发明在锻造开坯过程采用低温大变形工艺，加热温度为990-1010℃，在坯料表面涂抹高温涂层，保温后进行改锻，将棒材中的传统的γ单相粗晶组织转变为γ-γ′双相超细晶组织，晶粒度达到10级以上，克服了锻造过程中坯料的开裂敏感性问题。
本发明在热处理过程中，采用了高温固溶和双级时效工艺：合金的强化相含量为40％以上，固溶加热温度为1140-1160℃，通过高温加热，确保强化相完全溶解，为时效做好准备。时效现采用低温840-860℃加热保温一段时间，强化相弥散析出，形成成核点，然后升温至940-960℃，在前期形核基础上，强化相大量弥散析出，产品的力学性能得到大幅度提升。
通过测试可知，经过本发明的工艺流程，产品在室温下，强度可达到1500MPa以上，在750℃的高温下，拉伸强度可达到1000MPa以上，远远优于现有技术中的一般材料最高强度值800MPa，高温持久时间满足50h以上。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
图1为本发明的工艺流程图。如图1所示，高温合金锻件的锻造和热处理工艺，具体包括以下步骤：
(1)下料：所使用坯料为高温合金棒材。坯料高径比＜2.5。
(2)锻造加热：将坯料入炉加热。坯料入炉温度≤750℃。坯料加热至990-1010℃，进行均热。均热后在坯料表面涂抹高温涂层，保温120-150min。优选的，高温涂层可以使玻璃润滑剂。
(3)制坯：制坯前将制坯工装预热至300-350℃。通过低温大变形的锻造工艺进行改锻，锻造变形量≥60％。改锻后将坯料镦粗滚圆冲孔。
之后将坯料加工为环状锻件，坯料的环状锻件加工具体包括以下步骤(4)至步骤(9)：
(4)机加工内孔：将冲孔后坯料空冷至室温后，处理冲孔缺陷，具体的，是加工掉由于冲孔过程中内孔产生的裂纹、夹皮等缺陷，加工后进行着色探伤，确保缺陷清理干净。
(5)加热：将机加工后的坯料重新加热至990-1010℃，保温120-150min。
(6)扩孔，制备碾环环坯。优选的，可将加热所得的坯料采用自由锻造马架扩孔方式进行锻造。
(7)回炉加热：将碾环环坯回炉加热至990-1010℃，保温90-120h。
(8)碾环：将环坯用碾环机进行轧制成高温合金环状锻件。优选的，碾环径向进给速度为0.1-0.3mm/s。碾环前预热碾环机与坯料接触部位至300-350℃。
(9)冷却：待锻件在碾环机上冷却至200℃以下时，转移至地面平放，冷却至室温。
(10)排伤：加工掉由于环轧过程中产生的裂纹等缺陷，加工后进行着色探伤，确保缺陷清理干净。
(11)固溶：将锻件在室温装炉，加热至1140-1160℃，保温70-90min，之后出炉冷却。
(12)时效：第一级时效，升温至840-860℃，保温60-80min。第二级时效，升温至940-960℃，保温150-180min。之后冷却。
(13)机加工至要求尺寸。
在上述步骤(1)至步骤(13)中，冷却方式均优选空冷。
以下用一个实施例来说明本发明的技术方案。
实施例包括以下步骤：
(1)下料：所使用坯料为高温合金棒材。坯料高径比为2。
(2)锻造加热：将坯料入炉加热。坯料入炉温度为750℃。坯料加热至1000℃，进行均热。均热后在坯料表面涂抹高温涂层，保温135min。
(3)制坯：制坯前将制坯工装预热至330℃。通过低温大变形的锻造工艺进行改锻，锻造变形量为70％。改锻后将坯料镦粗滚圆冲孔。
之后将坯料加工为环状锻件，坯料的环状锻件加工具体包括以下步骤(4)至步骤(9)：
(4)机加工内孔：将冲孔后坯料空冷至室温后，处理冲孔缺陷，具体的，是加工掉由于冲孔过程中内孔产生的裂纹、夹皮等缺陷，加工后进行着色探伤，确保缺陷清理干净。
(5)加热：将机加工后的坯料重新加热至1000℃，保温130min。
(6)扩孔，将加热所得的坯料采用自由锻造马架扩孔方式进行锻造为碾环环坯。
(7)回炉加热：将碾环环坯回炉加热至1000℃，保温135h。
(8)碾环：将环坯用碾环机进行轧制成高温合金环状锻件。碾环径向进给速度为0.2mm/s。碾环前预热碾环机与坯料接触部位至330℃。
(9)冷却：待锻件在碾环机上冷却至150℃时，转移至地面平放，空冷至室温。
(10)排伤：加工掉由于环轧过程中产生的裂纹等缺陷，加工后进行着色探伤，确保缺陷清理干净。
(11)固溶：将锻件在室温装炉，加热至1150℃，保温80min，之后出炉空冷。
(12)时效：第一级时效，升温至850℃，保温70min。第二级时效，升温至950℃，保温160min。之后空冷。
经过实施例的锻造和热处理过程，产品的力学性能得到大幅度提升。经过测试可知，在室温下，产品强度达到1500～1550MPa，在750℃高温下，产品拉伸强度达到1050～1150MPa，750℃/530MPa高温持久时间为50～60h。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明的基本结构的情况下，本发明可以作任何形式的修改。
Claims (10)
1.一种750℃级高温合金锻件的锻造和热处理工艺，其特征在于包括以下步骤：
锻造加热：将坯料入炉加热；坯料入炉温度≤750℃；坯料加热至990-1010℃，进行均热；均热后在坯料表面涂抹高温涂层，保温120-150min；
制坯：通过低温大变形的锻造工艺进行改锻；改锻后将坯料镦粗滚圆冲孔；
环状锻件加工：将坯料加工为环状锻件；
固溶：将锻件在室温装炉，加热至1140-1160℃，保温70-90min，之后出炉冷却；
时效：第一级时效，升温至840-860℃，保温60-80min；第二级时效，升温至940-960℃，保温150-180min；之后冷却。
2.如权利要求1所述的750℃级高温合金锻件的锻造和热处理工艺，其特征在于：在所述锻造加热步骤前进行下料；所使用坯料为高温合金棒材；坯料高径比＜2.5。
3.如权利要求1所述的750℃级高温合金锻件的锻造和热处理工艺，其特征在于：在所述制坯步骤中，制坯前将制坯工装预热至300-350℃。
4.如权利要求1所述的750℃级高温合金锻件的锻造和热处理工艺，其特征在于：在所述制坯步骤中，锻造变形量≥60％。
5.如权利要求1所述的750℃级高温合金锻件的锻造和热处理工艺，其特征在于：所述环状锻件加工步骤具体包括：
机加工内孔：将冲孔后坯料冷却至室温后，处理冲孔缺陷；
加热：将坯料加热至990-1010℃，保温120-150min；
扩孔：制备碾环环坯；
回炉加热：将碾环环坯回炉加热至990-1010℃，保温90-120h；
碾环：将碾环环坯用碾环机进行轧制，成高温合金环状锻件；
冷却：待锻件在碾环机上冷却至≤200℃时，转移至地面平放，冷却至室温。
6.如权利要求5所述的750℃级高温合金锻件的锻造和热处理工艺，其特征在于：在扩孔步骤中，将加热所得的坯料采用自由锻造马架扩孔的方式进行锻造，制备碾环环坯。
7.如权利要求5所述的750℃级高温合金锻件的锻造和热处理工艺，其特征在于：在碾环步骤中，碾环径向进给速度为0.1-0.3mm/s。
8.如权利要求5所述的750℃级高温合金锻件的锻造和热处理工艺，其特征在于：在碾环步骤中，碾环前预热碾环机与坯料接触部位至300-350℃。
9.如权利要求1所述的750℃级高温合金锻件的锻造和热处理工艺，其特征在于：在环状锻件加工后进行排伤；将缺陷加工完善后进行着色探伤。
10.如权利要求1所述的750℃级高温合金锻件的锻造和热处理工艺，其特征在于：在时效步骤后，将锻件机加工至要求尺寸。
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