CN110293227A - 一种带包套的粉末高温合金锭坯的反挤压制备方法及模具 - Google Patents

一种带包套的粉末高温合金锭坯的反挤压制备方法及模具 Download PDF

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Abstract

本发明是一种带包套的粉末高温合金锭坯的反挤压制备方法及模具，该该方法是将高温合金粉末置于一个挤压腔内，从挤压腔的一端向内进行挤压，在挤压腔的另一端设置包套料块(5)，高温合金粉末经挤压后进入包套料块(5)内形成带包套的粉末高温合金锭坯。本发明方法通过反挤压使得包套实现从块体到桶体的一次性成形，在这一过程中，粉末高温合金作为压力的传载，促使包套成形，从而促进了粉末高温合金微观组织的改善。

Description

一种带包套的粉末高温合金锭坯的反挤压制备方法及模具
技术领域
本发明是一种带包套的粉末高温合金锭坯的反挤压制备方法及模具，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及其敏感，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。
国内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，在挤压开坯工艺前后，需要利用钢材料制备挤压用包套，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带包套的粉末高温合金锭坯的反挤压制备方法及模具，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带包套的粉末高温合金锭坯的反挤压制备方法，其特征在于：该方法是将高温合金粉末置于一个挤压腔内，从挤压腔的一端向内进行挤压，在挤压腔的另一端设置包套料块5，高温合金粉末经挤压后进入包套料块内形成带包套的粉末高温合金锭坯。
在传统热等静压工艺中，包套通过上、下端盖和管材焊接在一起，在热等静压过程中存在焊缝漏气裂开等风险，造成高温合金粉末废料，本发明方法通过反挤压使得包套实现从块体到桶体的一次性成形，在这一过程中，粉末高温合金作为压力的传载，促使包套成形，从而促进了粉末高温合金微观组织的改善。
进一步，所述高温合金粉为雾化高温合金粉，称取的重量按以下公式计算：
m装载＝m计算/0.8 公式1
式中：m装载为装载到挤压腔内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。
进一步，挤压前，将高温合金粉末及挤压腔体加热到1050-1150℃，保温并热透。
在一种实施中，从挤压腔的一端向内进行挤压的速度为17mm/s～20mm/s，当挤压腔内成型的粉末高温合金锭对包套料块5继续进行挤压时的速度为5mm/s～15mm/s。进一步，挤压腔内成型粉末高温合金锭的压力应达到500-800MPa。
在一种实施中，所述包套料块5的材料为304不锈钢。
本发明技术方案还提供了一种用于上述带包套的粉末高温合金锭坯的反挤压制备方法的模具，其特征在于：该模具采用一个中空圆筒形的护环3作为挤压腔，护环3的外围套装挤压筒2与挤压筒2过渡配合，用于挤压的上压头1与护环3紧密配合，包套料块5设置在护环3的下端并与挤压筒2紧密配合，下压头6设置在包套料块5的下端并与挤压筒2紧密配合用于顶压包套料块5。
在一种实施中，构成模具的组件均采用断裂强度超过2000MPa的钢材料制成备。
在一种实施中，挤压筒2、上压头1、下压头6和护环3的中心线同轴。
在一种实施中，上压头1、下压头6和护环3在真空室内分别与一套液压系统和加热系统配套。
本发明技术方案的特点是：
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，用反挤压的方法以替代原有的粉末热等静压+挤压的方式，解决了制备周期长，制造成本高和材料利用率低的问题。
本发明方法的设计思想的原理是利用了粉末材料良好的流动性，通过阶段变化的变形温度和压力，使粉末材料在一定的温度和较小压力下达到初步致密化，并保留粉末颗粒具有一定程度的表面活性和流动性，接下来，提高压力，依靠粉末高温合金与包套材料的强度差，结合模具运动方向和变形速度，使高温合金粉末流动并同时钻入包套材料内部，形成带包套的粉末高温合金锭坯，在这一过程中，粉末颗粒之间的孔隙完全消失，达到全致密化。与此同时，粉末在钻入包套材料内部的时候，粗大颗粒向细小晶粒转变，并且完成锭坯成形，从而制备出全致密的带包套的粉末高温合金锭坯，实现粉末构件固化-组织-成形一体化。相比于热等静压+挤压，工艺流程大幅缩短，成本降低，从而制备出组织致密且具有细小再结晶晶粒的带包套粉末高温合金锭坯。
本发明技术方案与与国内外粉末高温合金环形构件的制备技术相比，其优点主要体现在：
1利用粉末良好的流动性，粉末高温合金锭坯成形过程中，粉末从固化到致密，从致密到钻入包套，实现了构件固化——成形的一体化，减少了坯料加工余量，提高了成形效率和材料利用率；
2粉末在钻入包套的过程中，粉末高温合金受到温度和压力作用，持续塑性变形，积攒的变性能满足粉末颗粒从界面结合到再结晶形核和长大整个过程能量需求；
3简化了工艺流程，缩短了研制周期，提高了材料利用率，降低构件制造成本。
附图说明
图1为实现本发明方法的挤压模具的结构示意图
图2为在挤压腔内成型粉末高温合金锭的示意图
图3为将粉末高温合金锭压入包套料块的示意图
图4为最终带包套的粉末高温合金锭坯的示意图
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
采用本发明方法制备带包套的粉末高温合金锭坯的步骤如下：
步骤一、粉末准备
根据锭坯中粉末高温合金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
如图1所示，采用断裂强度超过2000MPa的钢材料制备挤压模具，该模具由挤压筒2、上压头1、下压头6和护环3构成，其中，下压头6与挤压筒2紧密配合，上压头1与护环3紧密配合，护环3的外径比挤压筒2的内径小，上压头1、下压头6和护环3可以沿竖直方向自由上下移动，挤压筒2、上压头1、下压头6和护环3四者的中心线同轴；
步骤三、坯料制备
坯料由粉末高温合金4和包套5构成，包套5位于挤压筒2内，并与下压头6接触，粉末高温合金4位于护环3内，并与包套5和上压头1接触；
步骤三、液压系统和加热系统就位
将挤压模具内壁用酒精及丙酮清理干净，并置于真空室内，真空室内设置三套液压系统和加热系统，三套液压系统分别对接上压头1、下压头6和护环3，加热系统位于挤压筒2的四周；
步骤四、粉末装载
在真空室内将预先准备好的粉末高温合金雾化粉末倒入护环3中；
步骤五、粉末及模具预加热
将模具及粉末加热到1050-1150℃，进行保温，保温时间按以下公式计算：
T保温时间＝L护环内腔直径+L护环壁厚×2×1.7min/mm 公式2
步骤六、粉末固化
待保温时间结束后，下压头6和护环3保持不同，上压头1向下运动，速度保持在17mm/s之间，直至压力达到500MPa；此时，上压头1继续向下运动，上压环3同时向上运动，速度保持在5mm/s，下压头6依然保持不动，直至上压头下端面与包套5平齐，即可获得带包套粉末高温合金锭坯；
步骤八、带包套粉末高温合金锭坯的后处理
将上压头1和护环3的位置调整至在雾化高温合金粉末装载之前的状态，下压头向上运动，将带包套粉末高温合金锭坯向上推出，取出粉末高温合金锭，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。

Claims (10)

1.一种带包套的粉末高温合金锭坯的反挤压制备方法，其特征在于：该方法是将高温合金粉末置于一个挤压腔内，从挤压腔的一端向内进行挤压，在挤压腔的另一端设置包套料块(5)，高温合金粉末经挤压后进入包套料块(5)内形成带包套的粉末高温合金锭坯。
2.根据权利要求1所述的带包套的粉末高温合金锭坯的反挤压制备方法，其特征在于：所述高温合金粉为雾化高温合金粉，称取的重量按以下公式计算：
m装载＝m计算/0.8 公式1
式中：m装载为装载到挤压腔内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。
3.根据权利要求1所述的带包套的粉末高温合金锭坯的反挤压制备方法，其特征在于：挤压前，将高温合金粉末及挤压腔体加热到1050-1150℃，保温并热透。
4.根据权利要求1所述的带包套的粉末高温合金锭坯的反挤压制备方法，其特征在于：从挤压腔的一端向内进行挤压的速度为17mm/s～20mm/s，当挤压腔内成型的粉末高温合金锭对包套料块(5)继续进行挤压时的速度为5mm/s～15mm/s。
5.根据权利要求1所述的带包套的粉末高温合金锭坯的反挤压制备方法，其特征在于：所述包套料块(5)的材料为304不锈钢。
6.根据权利要求1或4所述的带包套的粉末高温合金锭坯的反挤压制备方法，其特征在于：挤压腔内成型粉末高温合金锭的压力应达到500-800MPa。
7.用于权利要求1所述带包套的粉末高温合金锭坯的反挤压制备方法的模具，其特征在于：该模具采用一个中空圆筒形的护环(3)作为挤压腔，护环(3)的外围套装挤压筒(2)与挤压筒(2)过渡配合，用于挤压的上压头(1)与护环(3)紧密配合，包套料块(5)设置在护环(3)的下端并与挤压筒(2)紧密配合，下压头(6)设置在包套料块(5)的下端并与挤压筒(2)紧密配合用于顶压包套料块(5)。
8.根据权利要求7所述的用于带包套的粉末高温合金锭坯的反挤压制备方法的模具，其特征在于：构成模具的组件均采用断裂强度超过2000MPa的钢材料制成备。
9.根据权利要求7所述的用于带包套的粉末高温合金锭坯的反挤压制备方法的模具，其特征在于：挤压筒(2)、上压头(1)、下压头(6)和护环(3)的中心线同轴。
10.根据权利要求7所述的用于带包套的粉末高温合金锭坯的反挤压制备方法的模具，其特征在于：上压头(1)、下压头(6)和护环(3)在真空室内分别对接一套液压系统和加热系统。
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