CN110976740B - 一种制造鼓筒轴锻件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于合金锻造领域，具体涉及一种制造鼓筒轴锻件的方法。该方法包括：选择棒材；在第一始锻温度下，对棒材进行一火约束镦粗，获得圆柱度小于5的饼坯并使饼坯在30分钟内表面温度下降至600℃以下；在第二始锻温度下，对饼坯进行一火预锻，获得柱状中间坯并使柱状中间坯在30分钟内表面温度下降至600℃以下，其中柱状中间坯轴向截面为类倒I型；在第三始锻温度下，对柱状中间坯进行一火终锻，获得鼓筒轴锻件并使鼓筒轴锻件在15至20分钟内表面温度下降至600℃以下，其中鼓筒轴锻件的轴向截面为类H型。通过将传统的自由锻制坯改为模锻制坯，消除了锻造成形过程中不可控的因素，保证了锻造工艺中对加热和变形量的控制。

Description

一种制造鼓筒轴锻件的方法
技术领域
本发明属于合金锻造领域，具体涉及一种制造鼓筒轴锻件的方法。
背景技术
鼓筒轴锻件是航空发动机核心部位的关键承力转动件，GH4169合金是制造鼓筒轴锻件的常用材料，其锻件要求往往为GH4169合金的高强工艺，即锻件各部位晶粒度为8级或更细，锻件室温抗拉强度σb≥1345MPa，室温屈服强度σb≥1100MPa，高温持久寿命为650℃/725MPa≥25h。
鼓筒轴锻件是典型的薄壁直筒型锻件，锻件的设计过去采用“U”型截面，采用这种设计成形的锻件，属于反挤压成形，成形难度极大，需要设备具有大吨位，而且在成形过程中一直是锻件底部受到镦粗变形，锻件其他部位仅为平移变形，锻件整体变形量不均匀，而且锻件锻件筒体和筒底在各成形工步截面差异很大，冷却过程中合金强化相的析出和分布存在较大差异，导致最终锻件各部位组织性能存在较大差异。而且锻件成形火次多，锻件每火次之间均需要机加打磨，生产周期长，生产效率低。
发明内容
本发明的目的：提供一种制造鼓筒轴锻件的方法，以改善锻件组织性能的均匀性和一致性。
本发明的技术方案：
第一方面，提供了一种制造鼓筒轴锻件的方法，包括：
选择棒材；
在第一始锻温度下，对棒材进行一火约束镦粗，获得圆柱度小于5的饼坯并使饼坯在30分钟内表面温度下降至600℃以下；
在第二始锻温度下，对饼坯进行一火预锻，获得柱状中间坯并使柱状中间坯在30分钟内表面温度下降至600℃以下，其中柱状中间坯轴向截面为类倒I型；
在第三始锻温度下，对柱状中间坯进行一火终锻，获得鼓筒轴锻件并使鼓筒轴锻件在15至20分钟内表面温度下降至600℃以下，其中鼓筒轴锻件的轴向截面为类H型。
进一步地，还包括：在一火终锻之后，对鼓筒轴锻件进行粗加工。
进一步地，还包括：在粗加工之后，对鼓筒轴锻件进行固溶和时效处理。
进一步地，对鼓筒轴锻件进行固溶处理，具体包括：对粗加工之后的鼓筒轴锻件采用965℃到980℃的固溶温度进行固溶。
进一步地，对鼓筒轴锻件进行时效处理，具体包括：对固溶之后的鼓筒轴锻件720℃均热2至4小时，保温8小时；并炉冷至620℃，均热2小时，保温8小时；空冷。
进一步地，选择棒材，具体包括：
棒材晶粒度应控制在5级以上，各部位晶粒度级差≤3级，棒材化学成分包括C：0.015～0.036％，Nb：5.25～5.5％，P：0.005～0.015％，B：0.002～0.006％，Al：0.35～0.60％，Ti：0.8～1.10％。
进一步地，在第一始锻温度下，对棒材进行一火约束镦粗，具体包括：镦粗变形量控制在30％以上，第一始锻温度为1000℃至1015℃。
进一步地，在第二始锻温度下，对饼坯进行一火预锻，获得柱状中间坯，具体包括：预锻变形量控制在12％以上，第二始锻温度为990℃至1010℃。
进一步地，在第三始锻温度下，对饼坯进行一火预锻，获得柱状中间坯并使柱状中间坯，具体包括：第三始锻温度为985℃至1000℃，终锻变形量控制在10％以上。
本发明的有益效果：
采用锻造过程数值模拟、棒材晶粒度和化学成分优选，将传统的“自由锻制坯”改为“模锻制坯”，消除了锻造成形过程中不可控的因素，保证了锻造工艺中对加热和变形量的控制；在热处理前对锻件进行粗加工，保证了热处理时锻件尺寸的一致性，减小锻件有效截面尺寸，保证最终经固溶时效处理后的锻件组织性能的均匀性和一致性，提高了鼓筒轴锻件的生产效率，降低了制造成本。
具体实施方式
本发明的制造鼓筒轴锻件的方法，包括：选择棒材；在第一始锻温度下，对棒材进行一火约束镦粗，获得圆柱度小于5的饼坯并使饼坯在30分钟内表面温度下降至600℃以下；
在第二始锻温度下，对饼坯进行一火预锻，获得柱状中间坯并使柱状中间坯在30分钟内表面温度下降至600℃以下，其中柱状中间坯轴向截面为类倒I型；在第三始锻温度下，对柱状中间坯进行一火终锻，获得鼓筒轴锻件并使鼓筒轴锻件在15至20分钟内表面温度下降至600℃以下，其中鼓筒轴锻件的轴向截面为类H型。
进一步地，还包括：在一火终锻之后，对鼓筒轴锻件进行粗加工。去除工艺余量，减小热处理有效截面厚度。
进一步地，还包括：在粗加工之后，对鼓筒轴锻件进行固溶和时效处理。
进一步地，对鼓筒轴锻件进行固溶处理，具体包括：对粗加工之后的鼓筒轴锻件采用965℃到980℃的固溶温度进行固溶。
进一步地，对鼓筒轴锻件进行时效处理，具体包括：对固溶之后的鼓筒轴锻件720℃均热2至4小时，保温8小时；并炉冷至620℃，均热2小时，保温8小时；空冷。
进一步地，选择棒材，具体包括：棒材晶粒度应控制在5级以上，各部位晶粒度级差≤3级，棒材化学成分包括C：0.015～0.036％，Nb：5.25～5.5％，P：0.005～0.015％，B：0.002～0.006％，Al：0.35～0.60％，Ti：0.8～1.10％。
进一步地，在第一始锻温度下，对棒材进行一火约束镦粗，具体包括：镦粗变形量控制在30％以上，第一始锻温度为1000℃至1015℃。
进一步地，在第二始锻温度下，对饼坯进行一火预锻，获得柱状中间坯，具体包括：预锻变形量控制在12％以上，第二始锻温度为990℃至1010℃。
进一步地，在第三始锻温度下，对饼坯进行一火预锻，获得柱状中间坯并使柱状中间坯，具体包括：第三始锻温度为985℃至1000℃，终锻变形量控制在10％以上。
实施例：
以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
本发明所述的大型GH4169合金高强工艺鼓筒轴锻件，外径φ453mm，高度348mm，锻件重量293Kg。
其锻造步骤详细如下：
第一步 根据锻件结构特征，设计锻件“H”型截面，其中连皮厚度约为总高度的1/5,锻件上型腔深度为下型腔深度的2倍；锻件中间坯高度为锻件最终高度的90％，连皮厚度为中间坯高度的60％，中间坯上型腔深度为下型腔深度的2倍。
第二步 选择的棒材各部位晶粒度为5～7级，晶粒度级差为2级；C：0.027％，Nb：5.42％，P：0.007％，B：0.003％，Al：0.52％，Ti：1.01％。
第三步 约束镦粗：利用专用工装，一火成形，锻造加热温度选择1010℃，镦粗变形量为35％，锻后冷却为风冷。
第四步 预锻：利用专用预锻模具，一火成形，锻造加热温度选择1000℃，锻件各部位最小变形量15％，锻后冷却为风冷。
第五步 终锻：利用专用终锻模具，一火成形，锻造加热温度选择990℃，锻件各部位最小变形量为12％，锻后冷却为风冷。
第六步 完成锻造工序后，锻件在热处理前进行粗加工，去除工艺余量，减小热处理有效截面厚度。
第七步 锻件固溶：970℃，1h，油冷；时效：720℃，均热4h，保温8h，以50℃/h炉冷至620℃，均热2h，保温8h，空冷。
该工艺成形的鼓筒轴锻件，经测试，锻件组织性能均满足标准要求。
本发明公开了一种轴向截面形状为“H”型的大型鼓筒轴锻件的组织性能控制方法。通过对分析鼓筒轴锻件结构特征，设计锻件成形方案，借助锻造成形数值模拟技术，优化“H”型截面锻件的设计方案，进而利用GH4169合金组织演变规律结合数值模拟优选合理的中间坯设计方案，然后确定初始饼坯尺寸，再利用体积不变原理确定棒材规格。从而保证了大型鼓筒轴锻件在制坯、预锻和终锻的各个工序，坯料各部位均有合适的变形，均能在锻造过程中实现再结晶达到细化晶粒的目的。锻造各个工序均设计了专用工装，消除了变形过程中的不可控的因素，保证了锻造工艺的一致性。
GH4169合金的初始晶粒度和化学成分对最终锻件的组织和性能有较大影响。其中Nb、Al、Ti含量对GH4169合金中δ、γ′、γ″相的含量有重大影响；C含量对碳化物、碳氮化物的含量和分布影响较大；最新研究显示适量的P、B元素能提高GH4169合金的持久寿命。而且大量实践证明，GH4169合金锻件锻造和热处理后采用快冷的冷却方式对强化相的数量和分布有利。
本发明的GH4169合金大型鼓筒轴锻件采用截面形状为“H”型锻件成形方式，优选棒材的组织及化学成分、利用工装控制锻造过程的变形量、锻后采用快速冷却及优选热处理工艺参数等方法，可实现大型GH4169合金鼓筒轴高强工艺锻件的组织性能控制。
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种制造鼓筒轴锻件的方法，其特征在于，包括：
选择棒材，棒材晶粒度应控制在5级以上，各部位晶粒度级差≤3级，棒材化学成分包括C：0.015~0.036%，Nb：5.25~5.5%，P：0.005~0.015%，B：0.002~0.006%，Al：0.35~0.60%，Ti：0.8~1.10%；
在第一始锻温度下，对棒材进行一火约束镦粗，获得圆柱度小于5的饼坯并使饼坯在30分钟内表面温度下降至600℃以下，镦粗变形量控制在30%以上，第一始锻温度为1000℃至1015℃；
在第二始锻温度下，对饼坯进行一火预锻，获得柱状中间坯并使柱状中间坯在30分钟内表面温度下降至600℃以下，其中柱状中间坯轴向截面为类倒I型，预锻变形量控制在12%以上，第二始锻温度为990℃至1010℃；
在第三始锻温度下，对柱状中间坯进行一火终锻，获得鼓筒轴锻件并使鼓筒轴锻件在15至20分钟内表面温度下降至600℃以下，其中鼓筒轴锻件的轴向截面为类H型，第三始锻温度为985℃至1000℃，终锻变形量控制在10%以上。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：在一火终锻之后，对鼓筒轴锻件进行粗加工。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：在粗加工之后，对鼓筒轴锻件进行固溶处理和时效处理。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对鼓筒轴锻件进行固溶处理，具体包括：对粗加工之后的鼓筒轴锻件采用965℃到980℃的固溶温度进行固溶处理。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，对鼓筒轴锻件进行时效处理，具体包括：对固溶处理之后的鼓筒轴锻件720℃均热2至4小时，保温8小时；并炉冷至620℃，均热2小时，保温8小时；空冷。
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