CN110394410A - 一种制备大规格难变形高温合金细晶棒材的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种制备大规格难变形高温合金细晶棒材的方法属于高温合金热加工技术领域。本发明包括如下步骤：铸锭加工；铸锭镦粗；中间坯包套；热挤压；挤压棒材加工。本发明提出了通过镦粗+挤压以增大开坯变形量及优化变形量分配的制坯方法，可用于制备大规格难变形高温合金均匀细晶棒材，满足难变形镍基高温合金涡轮盘锻件的研制需求。

Description

一种制备大规格难变形高温合金细晶棒材的方法
技术领域
本发明是一种用于制备大规格难变形高温合金细晶棒材的方法，属于热加工技术领域，涉及大规格难变形高温合金棒材制备方法的改进。
背景技术
难变形高温合金因具备优异的综合力学性能与出色的耐腐蚀、抗氧化性能成为航空发动机涡轮盘部件的重要选材，用其制备涡轮盘的主要工序为：合金熔炼→铸锭开坯→锻造成形→盘坯热处理→机加工成品。其中，铸锭通过热变形开坯的目的是获得一定规格尺寸的细晶棒材，为后续涡轮盘锻造成形提供形状和组织准备。
在难变形高温合金铸锭开坯、细晶棒材制备方面，欧美主要采用镦拔+径锻或铸锭直接挤压的工艺方法。前者镦拔可提高棒材晶粒组织均匀性同时有利于合金中碳化物的破碎和均匀分布，径锻则可以解决大规格棒材外缘大晶粒和组织不均匀的问题；而后者则是利用挤压变形过程的三向压应力状态使铸锭发生大的剪切应变，达到破碎铸态组织、细化晶粒的效果。相比而言，我国目前多采用镦拔或快锻机单向拔长的开坯方法，开坯过程棒坯的开裂及混晶问题一直未得到解决，工艺的差距导致棒材组织均匀性和成材率均明显低于国外。近年来，国内也开展了难变形高温合金挤压制坯的工艺探索，技术尚不成熟，且多集中于小规格棒材制备。
挤压是金属在外力的作用下发生的变截面的减径变形，该过程中合金材料处于三向压应力状态，热工艺塑性提高，使得难变形高温合金能够发生足够大的变形程度从而实现再结晶细化。然而，对于大尺寸涡轮盘用大规格棒材而言，铸锭直接挤压存在如下问题：其一，难变形高温合金偏析倾向大，铸锭超过Φ508mm后产生宏观偏析的几率大增，用该直径及以下规格铸锭直接挤压制备规格较大的棒材时挤压比偏小，棒材不能难以获得足够的剪切应变，难以完全再结晶；其二，挤压变形特点决定棒材表层的变形程度大于棒材心部，铸锭直接挤压难以保证棒材各部位组织均匀性，特别是心部易出现混晶组织。因而，制备大规格难变形高温合金细晶棒材的难度大。
发明内容
本发明的目的：提出一种采用铸锭镦粗+挤压的镦挤复合制坯工艺制备大规格难变形高温合金棒材的方法，其目的是解决传统镦锻易开裂、晶粒不均匀和直接挤压存在的挤压比不足、心部变形不充分等大规格棒材制备方面的问题，最终获得均匀细晶组织，以满足航空发动机涡轮盘的研制需求。
本发明的技术方案：一种制备大规格难变形高温合金细晶棒材的方法，其制备方法是：
(1)铸锭加工
将双联或三联熔炼并经均匀化处理的铸锭截为圆柱状锭坯；
(2)锭坯加热
将锭坯入炉，使其最后升温至γ’全熔温度以下20℃～100℃，对其的保温时间应能使锭坯热透；
(3)锭坯镦粗
将锭坯从加热炉转运到锻造压机，操作锻造压机，使锭坯发生镦粗变形，得到中间坯；
(4)中间坯包套
设计并加工钢质包套，钢质包套包括筒状结构和能够盖住筒状结构开口的堵头，在中间坯外圆最大鼓肚处车出直边，中间坯能够置入钢质包套的筒状结构内部，且中间坯的鼓肚直边与钢质包套筒状结构内壁间隙配合；将堵头盖合筒状结构开口，并将堵头与筒状结构固定连接为一个整体，形成挤压坯；
(5)挤压坯加热
将挤压坯入炉，使其最后升温至γ’全熔温度以下20℃～100℃，且对其的保温时间能使挤压坯热透；
(6)热挤压
挤压坯出炉后，在挤压模与挤压锭坯之间放置专用玻璃垫；操作挤压机的挤压筒和挤压杆对挤压锭坯进行挤压，得到挤压棒材；挤压筒内径与中间坯包套的外径间隙配合；
(7)棒材机加工
去除挤压棒材头、尾钢质堵头与外圆周包裹的钢质包套。
步骤(1)中所述截得的圆柱锭坯的高径比为1.5～3.0，端面倒圆角R5～R100。
步骤(2)中锭坯在600℃以下入炉，升至最高温度前每隔200℃～300℃设置一个保温台阶，各温度保温时间按0.4min/mm～3.0min/mm计算。
在步骤(2)之前还包括镦粗前准备的步骤，即将锭坯全表面吹砂，并刷涂厚度0.5mm～3mm的玻璃润滑剂并自然晾干。
在步骤(3)中将锭坯从加热炉转运到锻造压机的转运时间要求小于300s；使锭坯镦粗变形量达到20％～70％，锻造压机的下压速度1mm/s～100mm/s；镦粗后的中间坯空冷或包覆硅酸铝纤维毡缓冷。
在步骤(4)中钢质包套采用不锈钢材料，堵头应加工出与挤压模相配合的锥度以保证挤压过程的定位；
将步骤(5)中挤压坯在600℃以下入炉，升至最高温度前每隔200℃～300℃设置一个保温台阶，各温度保温时间按0.4min/mm～3.0min/mm计算。
将步骤(6)挤压坯出炉后涂润滑剂，挤压锭坯出炉转运到挤压机时间≤300s；操作挤压机对挤压锭坯进行挤压的挤压速度10mm/s～150mm/s；并对挤压后棒材空冷或包覆硅酸铝纤维毡缓冷。
本发明的有益效果是：本发明主要针对大规格难变形高温合金组织均匀性差和成材率低的技术现状，用镦挤复合制坯工艺代替镦拔和铸锭直接挤压制坯工艺，弥补了国内大规格难变形高温合金制坯工艺的不足。
本发明方法的基本原理是通过锻造比和挤压比协同设计，对铸锭进行适量的镦粗变形，制备中间坯，在此基础上设计合理的硬包套结构，制备挤压坯并实施挤压工艺。该方法的优点有二：其一，镦粗变形中，铸锭心部可获得比外缘更大的变形量，弥补了后续挤压变形棒材心部变形小的不足；其二，采用镦粗后的中间坯制备挤压棒材，挤压比提高，棒材整体变形量增加，有利于铸造组织的完全再结晶细化。采用镦挤复合开坯方法制备大规格棒材既增加了整体开坯变形量，又优化了开坯过程变形量的分布。
本发明制备的大规格难变形高温合金棒材具备均匀细晶组织，棒材平均晶粒度可达ASTM8.0以上，棒材表层和心部晶粒度级差小于1级，可用于制备航空发动机涡轮盘锻件。
具体实施方式
一种制备大规格难变形高温合金细晶棒材的方法，其制备方法是：
(1)铸锭加工
将双联或三联熔炼并经均匀化处理的铸锭截为圆柱状锭坯；
(2)锭坯加热
将锭坯入炉，使其最后升温至γ’全熔温度以下20℃～100℃，对其的保温时间应能使锭坯热透；
(3)锭坯镦粗
将锭坯从加热炉转运到锻造压机，操作锻造压机，使锭坯发生镦粗变形，得到中间坯；
(4)中间坯包套
设计并加工钢质包套，钢质包套包括筒状结构和能够盖住筒状结构开口的堵头，在中间坯外圆最大鼓肚处车出直边，中间坯能够置入钢质包套的筒状结构内部，且中间坯的鼓肚直边与钢质包套筒状结构内壁间隙配合；将堵头盖合筒状结构开口，并将堵头与筒状结构固定连接为一个整体，形成挤压坯；
(5)挤压坯加热
将挤压坯入炉，使其最后升温至γ’全熔温度以下20℃～100℃，且对其的保温时间能使挤压坯热透；
(6)热挤压
挤压坯出炉后，在挤压模与挤压锭坯之间放置专用玻璃垫；操作挤压机的挤压筒和挤压杆对挤压锭坯进行挤压，得到挤压棒材；挤压筒内径与中间坯包套的外径间隙配合；
(7)棒材机加工
去除挤压棒材头、尾钢质堵头与外圆周包裹的钢质包套。
以下将对本发明技术方案作进一步地详述：
一种制备大规格难变形高温合金细晶棒材的方法，其制备方法是：
(1)铸锭加工
利用带锯或线切割将双联或三联熔炼并经均匀化处理的铸锭截为圆柱状锭坯，所述的圆柱锭坯高径比为2.0～3.0，表面平整，锭坯端面倒圆角R5～R100；
(2)锭坯加热
锭坯加热前应进行全表面吹砂，并刷涂厚度0.5mm～2mm的玻璃润滑剂并自然晾干。锭坯在600℃以下入炉，升至最高温度前每隔200℃～300℃设置一个保温台阶，最后升温至γ’全熔温度以下20℃～80℃，各温度保温时间按0.4min/mm～3.0min/mm计算；
(3)锭坯镦粗
将锭坯从加热炉转运到锻造压机，转运时间要求小于300s。操作锻造压机上模下行，镦粗变形量30％～70％，下压速度5mm/s～100mm/s。镦粗后的中间坯空冷或包覆硅酸铝纤维毡缓冷；
(4)中间坯包套
设计并加工钢质包套，钢质包套包括筒状结构和能够盖住筒状结构开口的堵头，在中间坯外圆最大鼓肚处车出一定长度直边，中间坯能够置入钢质包套的筒状结构内部，且中间坯的鼓肚直边与钢质包套筒状结构内壁间隙配合；将堵头盖合筒状结构开口，并将堵头与筒状结构固定连接为一个整体，形成挤压坯；
(5)挤压坯加热
挤压坯全表面吹砂，并刷涂厚度0.5mm～2mm的玻璃润滑剂并自然晾干。挤压坯在600℃以下入炉，升至最高温度前每隔200℃～300℃设置一个保温台阶，最后升温至γ’全熔温度以下20℃～100℃，各温度保温时间按0.4min/mm～3.0min/mm计算；
(6)热挤压
挤压前采用挤压模专用加热工装将挤压模预热至不低于300℃。挤压坯出炉滚涂或喷涂玻璃粉，挤压模与挤压锭坯间放置专用玻璃垫。挤压锭坯出炉转运到挤压机时间≤300s。操作挤压机对挤压锭坯进行挤压，挤压速度10mm/s～150mm/s。挤压后棒材空冷或包覆硅酸铝纤维毡缓冷；
(7)棒材机加工
切割或车削去除挤压棒材头、尾钢质堵头与外圆周包裹的钢质包套。
实施例1
Φ280mm规格GH4720Li合金细晶棒材制备的步骤是：
A、铸锭加工
利用带锯将三联熔炼并经均匀化处理的Φ508的GH4720Li铸锭截为高径比为2.8圆柱状料段，平整表面，端面倒圆角R10。
B、铸锭镦粗
B.1、锻前准备：对锭坯全表面进行吹砂，将专用玻璃润滑剂均匀刷涂坯料表面，玻璃润滑剂厚度0.5mm，自然晾干。
B.2、锭坯加热：锭坯室温入炉，加热制度为：
200℃×4h→400℃×4h→600℃×4h→800℃×4h→1070℃×4h。
B.3、平模预热：采用模具加热炉将平模预热至350℃～400℃。
B.4、镦粗：使用机械手将锭坯从加热炉转运到平模，转运时间小于90s。操作压机滑块下行，镦粗变形量60％，滑块下压速度30mm/s。镦粗后的中间坯包覆硅酸铝纤维毡缓冷。
C、中间坯包套
加工1Cr18Ni9Ti不锈钢包套，包套分前后堵头和中间套筒三部分，前、后堵头尺寸均为Φ680mm×250mm，在中间坯外圆最大鼓度处车至Φ660mm(直边长度大于150mm)，中间套筒尺寸Φ680mm×Φ661mm×569mm，前堵头加工出与挤压模相配合的锥度。中间套筒应在套装中间坯后与前后堵头焊接组装成挤压锭坯，焊道周向留6处20mm长的排气口。
D、中间坯挤压
D.1、挤压前准备：对挤压坯锭坯全表面吹砂并刷涂专用玻璃润滑剂，润滑剂厚度1mm自然晾干。
D.2、挤压坯加热：锭坯室温入炉，加热制度为：
200℃×4h→400℃×4h→600℃×4h→800℃×4h→1070℃×4h。
D.3、挤压模具预热：采用预热工装将挤压筒预热至300℃～400℃。
D.4、热挤压：挤压锭坯出炉滚玻璃粉，挤压模与挤压锭坯间放置专用玻璃垫。挤压锭坯出炉转运到挤压机时间≤120s。操作挤压机对挤压锭坯进行挤压，挤压杆速度按120mm/s。棒材空冷至室温。
E、棒材机加工：切割去除棒材头、尾不锈钢堵头，车削去除挤压棒材外周包裹的不锈钢包套。
实施例2
Φ250mm规格GH4175合金细晶棒材制备的步骤是：
A、铸锭加工
利用带锯将三联熔炼并经均匀化处理的Φ508的GH4175铸锭截为高径比为2.0圆柱状料段，平整表面，端面倒圆角R50。
B、铸锭镦粗
B.1、锻前准备：对锭坯全表面吹砂并涂覆专用玻璃润滑剂，润滑剂厚度2mm，自然晾干。
B.2、锭坯加热：锭坯300℃入炉，加热制度为300℃×10h→900℃×10h→1130℃×10h。
B.3、模具预热：采用模具炉将平模预热至350℃左右。
B.4、镦粗：使用机械手将锭坯从加热炉转运到平模，转运时间小于90s。操作锻造压机对锭坯进行镦粗，工程应变40％，液压机下压速度5mm/s。将镦粗后的中间坯包覆硅酸铝纤维毡缓冷。
C、中间坯包套
加工1Cr18Ni9Ti不锈钢包套，包套分前后堵头和中间套筒三部分，前后堵头尺寸均为Φ680mm×200mm，在中间坯外圆最大鼓度处车至Φ640mm，中间套筒尺寸Φ680mm×Φ651mm×700mm，前堵头加工出与挤压模相配合的锥度。中间套筒应在套装中间坯后与前后堵头焊接组装成挤压锭坯，焊接时焊道周向留3处100mm长的排气口。
D、中间坯挤压
D.1、挤压前准备：对挤压坯锭坯全表面吹砂并刷涂专用玻璃润滑剂，玻璃润滑剂厚度2mm，自然晾干。
D.2、挤压坯加热：锭坯室温入炉，加热制度为300℃×10h→600℃×10h→900℃×10h→1130℃×10h。
D.3、挤压模具预热：采用预热工装将挤压筒预热至350℃左右。
D.4、热挤压：挤压锭坯出炉喷涂玻璃粉，挤压模与挤压锭坯间放置专用玻璃垫。挤压锭坯出炉转运到挤压机时间≤120s。操作挤压机对挤压锭坯进行挤压，挤压速度按20mm/s。挤压后棒材包覆硅酸铝纤维毡缓冷。
E、棒材机加工：切割去除棒材头、尾不锈钢堵头，车削去除挤压棒材外周包裹的不锈钢包套。

Claims (8)

1.一种制备大规格难变形高温合金细晶棒材的方法，其制备方法是：
(1)铸锭加工
将双联或三联熔炼并经均匀化处理的铸锭截为圆柱状锭坯；
(2)锭坯加热
将锭坯入炉，使其最后升温至γ’全熔温度以下20℃～100℃，对其的保温时间应能使锭坯热透；
(3)锭坯镦粗
将锭坯从加热炉转运到锻造压机，操作锻造压机，使锭坯发生镦粗变形，得到中间坯；
(4)中间坯包套
设计并加工钢质包套，钢质包套包括筒状结构和能够盖住筒状结构开口的堵头，在中间坯外圆最大鼓肚处车出直边，中间坯能够置入钢质包套的筒状结构内部，且中间坯的鼓肚直边与钢质包套筒状结构内壁间隙配合；将堵头盖合筒状结构开口，并将堵头与筒状结构固定连接为一个整体，形成挤压坯；
(5)挤压坯加热
将挤压坯入炉，使其最后升温至γ’全熔温度以下20℃～100℃，且对其的保温时间能使挤压坯热透；
(6)热挤压
挤压坯出炉后，在挤压模与挤压锭坯之间放置专用玻璃垫；操作挤压机的挤压筒和挤压杆对挤压锭坯进行挤压，得到挤压棒材；挤压筒内径与中间坯包套的外径间隙配合；
(7)棒材机加工
去除挤压棒材头、尾钢质堵头与外圆周包裹的钢质包套。
2.如权利要求l所述的一种制备大规格难变形高温合金细晶棒材的方法，其特征在于，步骤(1)中所述截得的圆柱锭坯的高径比为1.5～3.0，端面倒圆角R5～R100。
3.如权利要求l所述的一种制备大规格难变形高温合金细晶棒材的方法，其特征在于，步骤(2)中锭坯在600℃以下入炉，升至最高温度前每隔200℃～300℃设置一个保温台阶，各温度保温时间按0.4min/mm～3.0min/mm计算。
4.如权利要求1所述的一种制备大规格难变形高温合金细晶棒材的方法，其特征在于，在步骤(2)之前还包括镦粗前准备的步骤，即将锭坯全表面吹砂，并刷涂厚度0.5mm～3mm的玻璃润滑剂并自然晾干。
5.如权利要求1所述的一种制备大规格难变形高温合金细晶棒材的方法，其特征在于，在步骤(3)中将锭坯从加热炉转运到锻造压机的转运时间要求小于300s；使锭坯镦粗变形量达到20％～70％，锻造压机的下压速度1mm/s～100mm/s；镦粗后的中间坯空冷或包覆硅酸铝纤维毡缓冷。
6.如权利要求1所述的一种制备大规格难变形高温合金细晶棒材的方法，其特征在于，在步骤(4)中钢质包套采用不锈钢材料，堵头应加工出与挤压模相配合的锥度以保证挤压过程的定位。
7.如权利要求1所述的一种制备大规格难变形高温合金细晶棒材的方法，其特征在于，将步骤(5)中挤压坯在600℃以下入炉，升至最高温度前每隔200℃～300℃设置一个保温台阶，各温度保温时间按0.4min/mm～3.0min/mm计算。
8.如权利要求1所述的一种制备大规格难变形高温合金细晶棒材的方法，其特征在于，将步骤(6)挤压坯出炉后涂润滑剂，挤压锭坯出炉转运到挤压机时间≤300s；操作挤压机对挤压锭坯进行挤压的挤压速度10mm/s～150mm/s；并对挤压后棒材空冷或包覆硅酸铝纤维毡缓冷。
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