CN111069491B - 一种提高gh4586合金盘形件组织均匀性的热成形方法 - Google Patents

一种提高gh4586合金盘形件组织均匀性的热成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种提高GH4586合金盘形件组织均匀性的热成形方法，其步骤为：(1)、在1065℃～1090℃、应变量0.35～0.5条件下镦粗、拔长2次，改善原材料组织均匀性；(2)、设计一种从边缘到中间梯度升高的双面陀螺形预制坯形状；(3)、在1050℃～1070℃条件下，模锻液压机上进行制坯、模锻成形，设备下压速率4mm/s～8mm/s，成形过程中对坯料进行软包套。成形后沿锻件径向不同位置取样，分别检测锻态和固溶态晶粒度。本发明相较于现有工艺提高了盘形件组织均匀性，且力学性能和超声波探伤等级均满足要求。此方法可用于提高火箭发动机高温合金盘形件组织均匀性和可靠性。

Description

一种提高GH4586合金盘形件组织均匀性的热成形方法
技术领域
本发明属于高温合金热成形技术领域，特别涉及一种提高火箭发动机中GH4586合金盘形件组织均匀性的热成形方法。
背景技术
以涡轮盘为代表的盘形件是我国新一代火箭发动机关键部件之一，工作过程中转速极高、离心应力极大，且需要承受高温、高压、高速富氧燃气的强力冲蚀，服役环境及其恶劣，目前采用镍基沉淀强化GH4586合金锻造成形。
由于GH4586合金材料合金化程度高，原材料组织均匀性差，热变形参数对组织、性能影响极大，且不易通过后续热处理改善。目前的锻件晶粒度等级4～9级，锻件不同位置晶粒度等级差异大，微观组织均匀性差，进而导致力学性能的稳定性较差，影响到产品使用的可靠性。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术存在的问题，提供了一种提高GH4586合金盘形件组织均匀性的方法，能够保证产品力学性能的稳定性和使用的可靠性。
本发明的技术解决方案是：
一种提高GH4586合金盘形件组织均匀性的热成形方法，包括下列步骤：
(1)对坯料进行反复镦粗、拔长，改善原材料组织均匀性；
(2)设计一种从边缘到中心梯度升高的双面陀螺形预制坯形状，以减小热成形过程中难变形区范围和应变分布不均匀；
(3)利用步骤(1)得到的坯料，在液压机上按照步骤(2)设计的预制坯形状进行制坯、模锻成形，得到合金盘形件。
所述步骤(1)中，对坯料进行两轮镦粗+拔长操作。
每轮镦粗+拔长操作的实现方式如下：将坯料在温度≤850℃时装炉，先预热，预热温度850℃～900℃，预热系数1.0mm/min；然后加热，加热温度为1065℃～1090℃，加热系数0.8mm/min，然后进行镦粗+拔长操作，终锻温度≥980℃，锻后在空气中冷却。
镦粗应变量控制在0.35～0.55，拔长应变量控制在0.35～0.55。
所述步骤(2)中，所述预制坯形状为：中间为圆盘状结构，上下两侧为对称的陀螺形状。
上下两侧陀螺形相较于水平面梯度升高斜度30°～40°。
所述步骤(3)中，制坯时，将步骤(1)得到的坯料在温度≤850℃时装炉，先预热，预热温度850℃～900℃，预热系数1.0mm/min；然后加热，加热温度1050℃～1070℃，加热系数0.8mm/min，然后在液压机上制坯、模锻成形，终锻温度≥980℃，锻后在空气中冷却。
液压机下压速率为4mm/s～8mm/s。
所述步骤(3)中，加热后，在坯料表面喷涂润滑保护剂，并进行软包套，软包套控制要求为：坯料加热保温到时后取出，准备5mm～12mm厚硅酸铝纤维，使用高温合金黏合剂进行软包套，包套完成后回炉保温30～60分钟后开始模锻成形。
在得到合金盘形件后，利用如下方法检测GH4586合金盘形件不同位置的锻态和固溶态晶粒度：
(1)首先在盘形锻件从中心到边缘若干位置线切割切取锻态金相试样，然后对切取试样后的锻件进行固溶热处理，固溶热处理制度为：1070℃～1100℃，保温4小时，在热处理后的盘形锻件上切取固溶态金相试样，取样数、取样位置与锻态试样相同；所述盘形锻件即为热成形后的合金盘形件；
(2)对各个金相试样进行电解抛光，电解液配比为：60ml HClO4+540ml C2H5OH，抛光电压为20V，抛光时间为30s～45s，抛光温度控制在8℃～15℃；
(3)采用3g CuSO4+80ml HCl+40ml C2H5OH的腐蚀剂对金相试样抛光表面进行化学腐蚀，完成后用酒精冲洗并吹干；
(4)利用光学显微镜观测各个金相试样的锻态和固溶态晶粒度。
本发明提高了GH4586合金盘形件的组织均匀性，降低了热变形参数对组织、性能的影响，能够保证产品力学性能的稳定性和使用的可靠性。与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明首先在材料再结晶温度附近反复镦粗、拔长，确保原材料能够进行充分的动态再结晶。反复镦、拔对原材料组织进行了改善，细化了原材料心部组织，提高了原材料的组织均匀性，为最终成形组织均匀的合金盘形件奠定了基础。
(2)本发明采用从边缘到中心高度梯度升高的双面陀螺形预制坯方案，大幅减小了成形过程中的难变形区域范围，提高了成形件的应变均匀性。
(3)本发明终锻成形加热温度相较于现有工艺降低了15℃～40℃，通过控制成形设备下压速率，保证坯料在变形过程中能够再结晶的前提下，避免热成形温升效导致坯料内部温度急剧升高，引起的心部晶粒长大。
(4)成形时采用软包套减小了坯料表面温度降低速率，减小了成形过程中坯料内部温度和表面温度的差异，同时也避免因表面温度降低过快产生的开裂现象。
附图说明
图1是本发明实施例1锻件(热成形后的合金盘形件)图及取样位置；
图2是本发明实施例1预制坯形状示意图；
图3是本发明实施例1锻件不同位置锻态显微组织对比；
图4是本发明实施例1锻件不同位置固溶态显微组织对比。
具体实施方式
本发明提供了一种提高GH4586合金盘形件组织均匀性的方法，以下将结合附图及具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。
本发明包括下列步骤：
(1)对坯料进行两轮镦粗+拔长操作，改善原材料组织均匀性；
每轮镦粗+拔长操作的实现方式如下：将坯料在温度≤850℃时装炉，先预热，预热温度850℃～900℃，预热系数1.0mm/min；然后加热，加热温度为1065℃～1090℃，加热系数0.8mm/min，然后进行镦粗+拔长操作，终锻温度≥980℃，锻后在空气中冷却。镦粗应变量控制在0.35～0.55，拔长应变量控制在0.35～0.55。
(2)设计一种从边缘到中心梯度升高的双面陀螺形预制坯形状，以减小热成形过程中难变形区范围和应变分布不均匀；预制坯形状：中间为圆盘状结构，上下两侧为对称的陀螺形状。上下两侧陀螺形相较于水平面梯度升高斜度30°～40°。
(3)利用步骤(1)得到的坯料，在液压机上按照步骤(2)设计的预制坯形状进行制坯、模锻成形，得到合金盘形件。
制坯时，将步骤(1)得到的坯料在温度≤850℃时装炉，先预热，预热温度850℃～900℃，预热系数1.0mm/min；然后加热，加热温度1050℃～1070℃，加热系数0.8mm/min，然后在液压机上制坯、模锻成形，终锻温度≥980℃，锻后在空气中冷却。液压机下压速率为4mm/s～8mm/s。
加热后，在坯料表面喷涂润滑保护剂，并进行软包套，软包套控制要求为：坯料加热保温到时后取出，准备5mm～12mm厚硅酸铝纤维，使用高温合金黏合剂进行软包套，包套完成后回炉保温30～60分钟后开始模锻成形。
在得到合金盘形件后，利用如下方法检测GH4586合金盘形件不同位置的锻态和固溶态晶粒度：
(1)首先在盘形锻件从中心到边缘若干位置线切割切取锻态金相试样，然后对切取试样后的锻件进行固溶热处理，固溶热处理制度为：1070℃～1100℃，保温4小时，在热处理后的盘形锻件上切取固溶态金相试样，取样数、取样位置与锻态试样相同；盘形锻件即为热成形后的合金盘形件；
(2)对各个金相试样进行电解抛光，电解液配比为：60ml HClO4+540ml C2H5OH，抛光电压为20V，抛光时间为30s～45s，抛光温度控制在8℃～15℃；
(3)采用3g CuSO4+80ml HCl+40ml C2H5OH的腐蚀剂对金相试样抛光表面进行化学腐蚀，完成后用酒精冲洗并吹干；
(4)利用光学显微镜观测各个金相试样的锻态和固溶态晶粒度。
实施例1
(1)按发明内容中所述加热制度，对原材料进行两轮镦拔操作，改善组织均匀性，其中热回炉可不进行预热直接加热，加热保温系数降低40％，镦粗、拔长工序如下：
第一火：将Φ90mm×170mm坯料镦粗至约Φ116mm×100mm，拔长至约80mm×80mm×165mm；
第二火：将80mm×80mm×165mm坯料镦粗至约Φ115mm×100mm拔长至约80mm×80mm×165mm，整形至约Φ98mm×140mm；锻后在空气中冷却，将坯料车光至Φ90mm×130mm。
(2)依据锻件图(图1)设计一种从边缘到中心梯度升高的预制坯形状(图2)，并按照锻件图、制坯图设计制造锻模和制坯模。
(3)制坯、模锻前坯料表面喷涂高温合金润滑保护剂，坯料加热保温到时后，用5mm～10mm厚硅酸铝纤维及高温合金黏合剂进行软包套，包套完成后回炉保温30分钟后开始成形，制坯、模锻在液压机上进行，设备下压速率4mm/s～8mm/s。
(4)分别检测锻件(合金盘形件)不同位置锻态显微组织(图3)和固溶态显微组织(图4)，取样位置见图1所示，取样位置从中心到边缘依次为1、2、3、4，晶粒度等级测试结果见表1，满足标准要求。
表1 GH4586锻件晶粒度检测结果
Figure BDA0002315810970000051
此外锻件力学性能检测结果见表2，满足标准要求，将锻件表面车光进行超声波探伤检测，满足GJB1580A-2004 A级要求。
表2 GH4586锻件力学性能检测结果
Figure BDA0002315810970000061
本发明依据材料特性，首先通过镦粗、拔长对原材料的组织进行改善，在此基础上设计从边缘到中心梯度升高的双面陀螺形预制坯形状，减小成形过程中难变形区域范围，配合合理的变形温度、保温系数、保温措施，提高了GH4586合金盘形件的组织均匀性。通过控制应变量、变形速率、预制坯形状和保温措施，减小了热成形过程中锻件内部应变和温度的差异，在合理的变形温度和保温系数条件下成形，最终可以获得晶粒度等级6～8级的盘形件，相较于现有工艺提高了涡轮盘组织均匀性，且力学性能和超声波探伤等级均满足要求。此方法可用于提高火箭发动机高温合金盘形锻件组织均匀性和可靠性。
以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (5)

1.一种提高GH4586合金盘形件组织均匀性的热成形方法，其特征在于包括下列步骤：
(1)对坯料进行反复镦粗、拔长，改善原材料组织均匀性；
对坯料进行两轮镦粗+拔长操作，每轮镦粗+拔长操作的实现方式如下：将坯料在温度≤850℃时装炉，先预热，预热温度850℃～900℃，预热系数1.0mm/min；然后加热，加热温度为1065℃～1090℃，加热系数0.8mm/min，然后进行镦粗+拔长操作，终锻温度≥980℃，锻后在空气中冷却；
镦粗应变量控制在0.35～0.55，拔长应变量控制在0.35～0.55；
(2)设计一种从边缘到中心梯度升高的双面陀螺形预制坯形状，以减小热成形过程中难变形区范围和应变分布不均匀；
(3)利用步骤(1)得到的坯料，在液压机上按照步骤(2)设计的预制坯形状进行制坯、模锻成形，得到合金盘形件；
制坯时，将步骤(1)得到的坯料在温度≤850℃时装炉，先预热，预热温度850℃～900℃，预热系数1.0mm/min；然后加热，加热温度1050℃～1070℃，加热系数0.8mm/min，然后在液压机上制坯、模锻成形，终锻温度≥980℃，锻后在空气中冷却；
加热后，在坯料表面喷涂润滑保护剂，并进行软包套，软包套控制要求为：坯料加热保温到时后取出，准备5mm～12mm厚硅酸铝纤维，使用高温合金黏合剂进行软包套，包套完成后回炉保温30～60分钟后开始模锻成形。
2.根据权利要求1所述的提高GH4586合金盘形件组织均匀性的热成形方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述预制坯形状为：中间为圆盘状结构，上下两侧为对称的陀螺形状。
3.根据权利要求2所述的提高GH4586合金盘形件组织均匀性的热成形方法，其特征在于：上下两侧陀螺形相较于水平面梯度升高斜度30°～40°。
4.根据权利要求1所述的提高GH4586合金盘形件组织均匀性的热成形方法，其特征在于：液压机下压速率为4mm/s～8mm/s。
5.根据权利要求1所述的提高GH4586合金盘形件组织均匀性的热成形方法，其特征在于，在得到合金盘形件后，利用如下方法检测GH4586合金盘形件不同位置的锻态和固溶态晶粒度：
(1)首先在盘形锻件从中心到边缘若干位置线切割切取锻态金相试样，然后对切取试样后的锻件进行固溶热处理，固溶热处理制度为：1070℃～1100℃，保温4小时，在热处理后的盘形锻件上切取固溶态金相试样，取样数、取样位置与锻态试样相同；所述盘形锻件即为热成形后的合金盘形件；
(2)对各个金相试样进行电解抛光，电解液配比为：60ml HClO4+540ml C2H5OH，抛光电压为20V，抛光时间为30s～45s，抛光温度控制在8℃～15℃；
(3)采用3g CuSO4+80ml HCl+40ml C2H5OH的腐蚀剂对金相试样抛光表面进行化学腐蚀，完成后用酒精冲洗并吹干；
(4)利用光学显微镜观测各个金相试样的锻态和固溶态晶粒度。
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