CN111659894B - 粉末高温合金棒材及盘件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及材料加工制造领域,公开了一种粉末高温合金棒材及盘件的制备方法,所述方法包括:S1、对热等静压后的棒坯在Tγ′以上进行退火处理,其中Tγ′为所述棒坯合金γ′相的全溶温度;S2、在Tγ′以上以自由锻方式进行两次镦拔,每次镦粗的变形量为20‑60%且拔回原长;S3、在Tγ′以下进行至少一次镦拔;S4、在Tγ′以下将棒坯锻造到最终尺寸。通过在全溶温度Tγ′以上进行高温镦拔,有效消除PPB,通过全溶温度Tγ′以下低温镦拔累积变形量,能够破碎非金属夹杂,提高探伤通过性;通过本发明的方法,棒材组织转变为双相细晶组织,具有较好的塑性,适于后期通过低成本热模锻造进行盘件大批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及材料加工制造领域,具体地涉及粉末高温合金棒材及盘件的制备方法。
背景技术
粉末高温合金以其优异的耐温性、低偏析等优点,广泛的应用于航空发动机热端部件。
粉末高温合金在其制备过程中,一方面粉末颗粒表面氧元素富集形成一层含C、Ti、Al等的氧化物、碳化物等薄膜,这在后续热等静压过程中会阻碍元素成分的扩散,形成原始颗粒边界,即PPB。该边界是粉末高温合金常见的缺陷之一,对力学性能有重要的影响;另一方面在粉末颗粒中又不可避免的混有非金属夹杂,严重影响盘件疲劳寿命,也是粉末高温合金的常见缺陷之一。
在粉末冶金标准工艺过程中,为了消除原始颗粒边界,国内外开发了多种工艺,包括添加Hf、Ce等强碳化物形成元素,如CN102676881A;特殊热等静压工艺,如CN103551573A等技术;而针对非金属夹杂,则采用高挤压比开坯的方式来破碎非金属夹杂,后期采用等温锻造技术来确保盘件成型,整个制备过程成本较高,影响了合金的推广使用。
因此,现有技术中,高性能盘件通常采用粉末冶金+热等静压+挤压开坯+等温锻造来制备。其中挤压开坯、等温锻造对设备的依赖非常的巨大,进行大规模生产的时候,往往有产量瓶颈的问题,因此急需开发一种低成本的粉末高温合金热加工工艺。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的成本较高的问题,提供一种粉末高温合金棒材的制备方法,能够在保证性能的情况下大幅度的减低盘件的成本。
为了实现上述目的,本发明一方面提供一种粉末高温合金棒材的制备方法,其中,所述方法包括:
S1、对热等静压后的棒坯在Tγ′以上进行退火处理,其中Tγ′为所述棒坯的全溶温度;
S2、在Tγ′以上以自由锻方式进行两次镦拔,每次镦粗的变形量为20-60%且拔回原长;
S3、在Tγ′以下进行至少一次镦拔;
S4、在Tγ′以下将棒坯锻造到最终尺寸。
优选地,步骤S1中,对热等静压后的棒坯在Tγ′+ΔT1进行退火处理,ΔT1为20-60℃。
优选地,步骤S2中,在Tγ′+ΔT2以自由锻方式进行两次镦拔,ΔT2为10-30℃,优选地,在Tγ′+ΔT2保温4-6h后进行镦拔,每次镦粗的变形量为20-60%,然后拔回原长。
优选地,步骤S3中,依次在Tγ′-ΔT3、Tγ′-ΔT4、Tγ′-ΔT5各进行至少一次镦拔,其中,ΔT3为10-30℃,ΔT4为40-60℃,ΔT5为80-100℃,优选地,在Tγ′-ΔT3、Tγ′-ΔT4、Tγ′-ΔT5各保温2-6h后进行镦拔。
优选地,步骤S3中,依次在Tγ′-ΔT3、Tγ′-ΔT4、Tγ′-ΔT5各进行一到两次镦拔,每次镦粗的变形量为20-60%,优选地,镦粗变形量为25-40%,然后拔回原长。
优选地,步骤S4中,在Tγ′-ΔT6将棒坯锻造到最终尺寸,ΔT6为10-100℃,优选地,40-60℃,优选地,采用自由锻和径锻组合开坯的方式进行所述锻造。
优选地,步骤S1中,退火保温6-32h。
本发明还提供一种粉末高温合金盘件的制备方法,其中,所述方法包括:
S10:采用本发明上述的方法制备所述棒材;
S20:对所述棒材在Tγ′以下进行热模锻造以得到盘件。
优选地,在步骤S20中,对所述棒材在Tγ′-ΔT7进行热模锻造,其中ΔT7为10-100℃,优选地,ΔT7为40-60℃。
优选地,在步骤S20中,热模锻造的应变速率为常规工程应变速率。
通过上述技术方案,通过在全溶温度Tγ′以上进行高温镦拔,有效消除PPB,通过全溶温度Tγ′以下低温镦拔累积变形量,能够破碎非金属夹杂,提高探伤通过性;通过本发明的方法,棒材组织转变为双相细晶组织,具有较好的塑性,适于后期通过低成本热模锻造进行盘件大批量生产。
附图说明
图1是根据本发明的方法的实施例1在热等静压后的金相组织;
图2a是根据本发明的方法的实施例1在1140℃镦拔后的金相组织,可以看出PPB被大量消除;
图2b是根据本发明的方法的实施例1在1110℃镦拔后的金相组织,可以看出在晶界处发生双相细晶组织转变;
图2c是根据本发明的方法的实施例1在1060℃镦拔后的金相组织,可以看出已经发生了大面积的组织转变;
图2d是根据本发明的方法的实施例1在1020℃镦拔后的金相组织,可以看出棒材晶粒转变成双相细晶晶粒,PPB基本消除;
图3是根据本发明的方法的实施例1锻造到最终尺寸的棒材的金相组织;
图4是根据本发明的方法的实施例1中非金属夹杂在低温镦拔后有效破碎,采用高分辨率三维X射线显微镜(型号:ZeissXradia 510Versa);
图5a是实施例1热模锻造的盘件实物图;
图5b是实施例1的盘件成品图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是,此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明,并不用于限制本发明。
在本发明中,在未作相反说明的情况下,使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指参考附图所示的上、下、左、右;“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。
根据本发明的一个方面,提供一种粉末高温合金棒材的制备方法,其中,所述方法包括:
S1、对热等静压后的棒坯在Tγ′以上进行退火处理,其中Tγ′为所述棒坯的全溶温度;
S2、在Tγ′以上以自由锻方式进行两次镦拔,每次镦拔的变形量为20-60%且拔回原长;
S3、在Tγ′以下进行至少一次镦拔;
S4、在Tγ′以下将棒坯锻造到最终尺寸。
通过在全溶温度Tγ′以上进行高温镦拔,可以有效消除PPB。通过全溶温度Tγ′以下低温镦拔累积变形量,能够破碎非金属夹杂,提高探伤通过性;通过本发明的方法,棒材组织转变为双相细晶组织,具有较好的塑性,适于后期通过低成本热模锻造进行盘件大批量生产。
优选地,为在晶粒内部和边界上形成粗大的γ′相,从而形成弯曲晶界,以有效提高合金的热加工塑性,步骤S1中,对热等静压后的棒坯在Tγ′+ΔT1进行退火处理,ΔT1为20-60℃。另外,步骤S1中,可以退火保温6-32h。
另外,可以选择适当的温度进行高温镦拔(即步骤S2),以消除PPB。具体的,步骤S2中,可以在Tγ′+ΔT2以自由锻方式进行两次镦拔,ΔT2为10-30℃。优选地,在Tγ′+ΔT2保温4-6h后进行镦拔,每次镦粗的变形量为20-60%,然后拔回原长。
在低温镦拔(即步骤S3)中,可以选择适当的温度,并可以采用阶梯降低温度的方式进行。优选地,步骤S3中,依次在Tγ′-ΔT3、Tγ′-ΔT4、Tγ′-ΔT5各进行至少一次镦拔,其中,ΔT3为10-30℃,ΔT4为40-60℃,ΔT5为80-100℃。另外,为确保镦拔的温度,优选地,在Tγ′-ΔT3、Tγ′-ΔT4、Tγ′-ΔT5各保温2-6h后进行镦拔。
其中,在Tγ′-ΔT3、Tγ′-ΔT4、Tγ′-ΔT5的各个温度,可以分别进行一次或多次镦拔,具体可以根据需要设置。优选地,步骤S3中,依次在Tγ′-ΔT3、Tγ′-ΔT4、Tγ′-ΔT5各进行一到两次镦拔,每次镦粗的变形量为20-60%,优选地,镦粗变形量为25-40%,然后拔回原长。
其中,在镦拔过程中,如果出现裂纹,可以在热打磨后继续进行。
步骤S4中,可以选择适当的温度进行锻造,例如在Tγ′-ΔT6将棒坯锻造到最终尺寸,ΔT6为10-100℃,优选地,40-60℃。其中,在锻造到最终尺寸的过程中,可以采用适当的锻造方式,优选地,采用自由锻和径锻组合开坯的方式进行所述锻造。具体的,可以先进行自由锻,在棒材直径达到预定尺寸(例如300mm以下)后使用径锻。
其中,随着镦拔温度的降低,合金基体强度快速上升,相对于非金属杂质的比强度提高,在多次镦拔累积变形的过程中,逐渐将非金属夹杂破碎,如图4所示,下文的实施例1在步骤S4之后,采用高分辨率三维X射线显微镜,对预制非金属夹杂进行了三维观察(图4中a至c分别为同一非金属夹杂在正交的三个平面的照片),非金属夹杂有效破碎,相对于传统的挤压开坯,本发明通过自由锻开坯可以有更多变形量/温度的组合搭配来实现非金属夹杂的破碎。
本发明的方法,适于各种粉末高温合金,例如FGH96或FGH98等。
另外,本发明的各个镦拔、自由锻操作,可以采用适当的设备,例如均可以采用快锻机进行。
根据本发明的另一方面,提供一种粉末高温合金盘件的制备方法,其中,所述方法包括:
S10:采用本发明上述的方法制备所述棒材;
S20:对所述棒材在Tγ′以下进行热模锻造以得到盘件。
其中,在通过步骤S10制备棒材后,可以对棒材进行精加工(例如精车)、磨光,以便进行探伤。
在步骤S20中,可以采用适当的温度进行热模锻造,优选地,对所述棒材在Tγ′-ΔT7进行热模锻造,其中ΔT7为10-100℃,优选地,ΔT7为40-60℃。
通过本发明的方法获得的棒材,已经具有良好的塑性,可以承受更高的应变速率。优选地,在步骤S20中,热模锻造的应变速率为常规工程应变速率,例如,应变速率范围为0.01S-1到0.1S-1。
在获得盘件后,可以进行标准热处理,以获得所需性能的盘件。
下面通过实施例说明本发明的方法。
实施例1
制备FGH96合金的棒材,其中,FGH96合金的Tγ′为1120℃。
首先,在步骤S1中,通过热等静压(1180℃/130MPa/4h)制备直径Ф450mm,长度1500mm的棒材,棒材组织如图1;随后对棒材在1160℃(Tγ′+ΔT1)保温8小时,并梯度炉冷处理。
在步骤S2中,将棒材加热到1140℃(Tγ′+ΔT2),保温6小时,第一次镦粗到750mm,回炉保温6小时后八角拔长到500×500mm,长度约1150mm,回炉保温6小时后第二次镦粗到750mm,回炉保温6小时后八角拔长到500×500mm,长度约1150mm,棒材组织如图2a所示。
在步骤S3中,将棒材加热到1110℃(Tγ′-ΔT3),保温6小时,然后镦粗到750mm;回炉保温6小时,然后八角拔长到500×500mm,长度约1150mm,棒材组织如图2b所示;回炉降温到1060℃(Tγ′-ΔT4),保温6小时,然后镦粗到750mm,回炉保温6小时,然后八角拔长到500×500mm,长度约1150mm,棒材组织如图2c所示;回炉降温到1020℃(Tγ′-ΔT5),保温6小时,然后镦粗到750mm,回炉保温6小时,然后八角拔长到500×500mm,长度约1150mm,棒材组织如图2d所示。
在步骤S4中,棒材在1060℃(Tγ′-ΔT6)保温6小时,先用快锻机八角拔长到440×440mm,回炉保温6小时,继续用快锻机八角拔长到390mm×390mm,回炉保温6小时,继续用快锻机八角拔长到340mm×340mm,回炉保温4小时,用径锻机拔长到Ф290mm,长度约3600mm,棒材组织如图3所示。
将步骤S1-S4获得的棒材制备为盘件。
在步骤S20中,以Ф280mm,长度540mm尺寸进行下料,在1060℃(Tγ′-ΔT7)保温4小时;使用常规热作模具,以20mm/s的速度镦粗到350mm,然后回炉保温4小时;使用常规热作模具,以10mm/s的速度镦粗到180mm,然后常规空冷;在1060℃保温4小时,使用热模锻造模具进行一火模锻,以5mm/s的速度压制获得轮缘厚72mm的全尺寸盘件,锻造完成进行常规冷却,如图5a和图5b所示,最终盘件没有裂纹,外观平整。
随后,可以对盘件进行标准热处理,例如固溶1120℃×2h,快速冷却;时效:760℃×16h,空冷;按照HB/Z34进行分区探伤,验收标准Ф0.4-15db;非金属夹杂受到有效的破碎,探伤通过性提高。
通过对标准热处理后的盘件解剖,盘件低倍组织均匀,各项力学性能满足要求。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种简单变型。本发明包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复,本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容,均属于本发明的保护范围。
Claims (12)
1.一种粉末高温合金棒材的制备方法,其特征在于,所述方法包括:
S1、对热等静压后的棒坯在Tγ′以上进行退火处理,其中Tγ′为所述棒坯合金γ′相的全溶温度;
S2、在Tγ′以上以自由锻方式进行两次镦拔,每次镦拔的变形量为20-60%且拔回原长;
S3、在Tγ′以下进行至少一次镦拔;
S4、在Tγ′以下将棒坯锻造到最终尺寸,
其中,步骤S3中,依次在Tγ′-ΔT3、Tγ′-ΔT4、Tγ′-ΔT5各进行至少一次镦拔,其中,ΔT3为10-30℃,ΔT4为40-60℃,ΔT5为80-100℃,在Tγ′-ΔT3、Tγ′-ΔT4、Tγ′-ΔT5各保温2-6h后进行镦拔。
2.根据权利要求1所述的粉末高温合金棒材的制备方法,其特征在于,步骤S1中,对热等静压后的棒坯在Tγ′+ΔT1进行退火处理,ΔT1为20-60℃。
3.根据权利要求1所述的粉末高温合金棒材的制备方法,其特征在于,步骤S2中,在Tγ′+ΔT2以自由锻方式进行两次镦拔,ΔT2为10-30℃。
4.根据权利要求3所述的粉末高温合金棒材的制备方法,其特征在于,在Tγ′+ΔT2保温4-6h后进行镦拔,每次镦粗的变形量为20-60%,然后拔回原长。
5.根据权利要求1所述的粉末高温合金棒材的制备方法,其特征在于,步骤S3中,依次在Tγ′-ΔT3、Tγ′-ΔT4、Tγ′-ΔT5各进行一到两次镦拔,每次镦粗的变形量为20-60%,然后拔回原长。
6.根据权利要求5所述的粉末高温合金棒材的制备方法,其特征在于,步骤S3中,每次镦粗的变形量为25-40%。
7.根据权利要求1所述的粉末高温合金棒材的制备方法,其特征在于,步骤S4中,在Tγ′-ΔT6将棒坯锻造到最终尺寸,ΔT6为10-100℃。
8.根据权利要求7所述的粉末高温合金棒材的制备方法,其特征在于,步骤S4中,采用自由锻和径锻组合开坯的方式进行所述锻造。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的粉末高温合金棒材的制备方法,其特征在于,步骤S1中,退火保温6-32h。
10.一种粉末高温合金盘件的制备方法,其特征在于,所述方法包括:
S10:采用权利要求1-9中任意一项所述的方法制备所述棒材;
S20:对所述棒材在Tγ′以下进行热模锻造以得到盘件。
11.根据权利要求10所述的粉末高温合金盘件的制备方法,其特征在于,在步骤S20中,对所述棒材在Tγ′-ΔT7进行热模锻造,其中ΔT7为10-100℃。
12.根据权利要求11所述的粉末高温合金盘件的制备方法,其特征在于,在步骤S20中,热模锻造的应变速率为0.01S-1到0.1S-1。
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GR01 | Patent grant | ||
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