CN111761007B - 一种添加返回料的gh4169合金盘锻件制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高温合金返回料再利用技术领域，具体涉及一种添加返回料的GH4169合金盘锻件制备方法；本发明采用添加GH4169返回料的GH4169合金棒材，返回料添加比例≥50％；制坯采用胎模锻造，改善了传统镦饼工艺所造成的坯料变形不均匀性，缩短了传统机加工制坯工时，减少了投料量；同时采用大变形量和低温锻造，提高了锻件实际变形量，促进了锻件组织细化与组织均匀性；另外采用复合包套提升锻件保温、润滑效果及各部位变形均匀性，进而解决了盘锻件变形死区的问题，改善锻件的组织均匀性。

Description

一种添加返回料的GH4169合金盘锻件制备方法
技术领域
本发明属于高温合金返回料再利用技术领域，具体涉及一种添加返回料的GH4169合金盘锻件制备方法。
背景技术
GH4169合金是我国先进航空发动机压气机盘、涡轮盘等关键转动盘类件的关键材料之一，也是用量最大的变形高温合金，GH4169合金成熟度的不断提高是确保先进航空发动机安全性、可靠性、经济性的基础。当前GH4169盘锻件仍然存在黑斑及元素偏析等冶金缺陷，锻件的组织均匀性较差、存在晶粒尺寸超标现象，锻件性能裕度低、性能一致性差，成本偏高等问题，以上问题的原因一方面来源与棒材，即棒材中冶金缺陷、粗大组织遗传至锻件中，另一方面来源与锻件的锻造工艺不成熟。当前国内GH4169盘锻件所用棒材均为矿冶新料经熔炼和锻造所制造，返回料的使用仅局限于各冶金厂自身熔炼和锻造过程所产生的“废料”，使用比例非常低。高温合金返回料中的碎屑料和块状料均是合格高温合金材料加工的边角余料，是经过了多次的真空提纯和精炼，纯净度水平要高于矿冶新料，如果能够实现同等级别相同材料的循环利用，将有效提升高温合金材料的纯净度，且原材料成本显著降低。这也是国外相同合金IN718质量优、价格低的主要原因之一。为了提高返回料再生利用技术成熟度，促进GH4169合金制造成熟度的提高，提升GH4169盘锻件整体质量，同时降低盘锻件的制造成本，本发明提出一种添加返回料的GH4169合金盘锻件制备方法，该方法可以细化盘锻件的晶粒组织，提升锻件组织均匀性，同时缩短锻件制造周期，降低锻件成本。
发明内容
本发明主要用于提供一种添加返回料的GH4169合金盘锻件制备方法，选用高返回料添加比的GH4169合金棒材制备盘锻件，采用胎模锻造制坯、大变形模锻成形、复合包套控温润滑，可显著细化锻件组织，提升锻件组织均匀性，同时降低锻件成本，应用本发明中的方法制备锻件可满足现有技术标准的要求，从而解决先进航空发动机对GH4169合金高可靠性、低成本盘锻件需求。
本发明技术方案如下：一种添加返回料的GH4169合金盘锻件制备方法，其特征在于，该方法包括：
(1)对添加GH4169返回料的GH4169合金棒料进行硅酸铝纤维软包套后进行锻前加热，随后采用胎模锻方式预制坯料；
(2)去除预制坯料表面氧化皮以及微小裂纹，并将处理后的预制坯料进行复合包套处理；
(3)对复合包套后的预制坯料进行锻前加热，随后采用压机温模或热模锻造一次成形盘锻件。
所述的GH4169合金棒料添加GH4169返回料添加比例≥50％。
所述GH4169合金棒料为圆柱形；
所述的预制坯复合包套分为四部分结构，润滑层(3)、保温层(4)、硬包套(2)和加强套(5)，其中润滑层(3)为玻璃润滑剂；保温层(4)为硅酸铝纤维，应覆盖预制坯料高度的1/4～3/4，硬包套(2)和加强套(5)为不锈钢板或铁皮材质，加强套(5)的高度应为预制坯高度的40％～70％。
所述添加GH4169返回料的GH4169合金棒料锻前采用台阶式加热，加热温度980～1020℃，加热保温时间为棒料直径D与热透速率0.8min/mm乘积，锻后空冷至室温。
所述的软包套为根据GH4169合金棒料外观尺寸裁剪出的厚度为5mm～10mm的硅酸铝纤维，且硅酸铝纤维与棒料接触的面上均匀撒高温粘结剂，对棒料进行全表面包套。
所述的预制坯料采用胎模锻造成形，变形量不应小于40％，锻造速率为1mm/s～10mm/s。
所述的去除氧化皮以及微小裂纹是采用吹沙并排伤方法。
所述的终锻成形前预制坯的加热温度为980℃～1020℃，加热保温时间为预制坯纵横界面中最大的厚度L与热透速率的乘积；盘锻件采用大变形量成形，锻造过程变形量不小于60％，当采用温模锻造时，模具预热温度应选择在350～550℃，当采用热模锻造时，模具预热温度不低于900～1000℃，锻造速率为0.5mm/s～5mm/s。
所述的高温粘结剂为玻璃粉粘接剂，耐温900～1100℃。
本发明的有益效果：
(1)采用高返回料添加比的GH4169合金高纯净度棒材，与全新矿冶纯元素料制备的棒材相比，添加高比例返回料棒材的成本更低，促使盘锻件成本降低；(2)胎模锻制坯改善了传统镦饼工艺所造成的坯料变形不均匀性，缩短了传统机加工制坯工时，减少了投料量，降低材料消耗成本；(3)大变形量成形和低温锻造，提高了锻件实际变形量，同时利用δ相对晶界的钉扎作用，抑制锻造过程中的晶界迁移，促进锻造过程中的再结晶过程，实现锻件组织进一步细化，提升了组织均匀性；(4)采用复合包套提升锻件保温、润滑效果及各部位变形均匀性，进而解决了盘锻件变形死区的问题，改善锻件的组织均匀性。
附图说明
图1为预制坯复合包套纵截面示意图
图2 GH4169合金盘锻件形貌(a)和固溶+时效处热理后的金相组织(b)
图3 GH4169合金盘锻件形貌(a)和固溶+时效处热理后的金相组织(b)
具体实施方式
下面通过具体实施示例对本发明中所述盘锻件制备技术方案作进一步的详细描述。
一种添加返回料的GH4169合金盘锻件制备方法，该工艺包括以下步骤：
步骤一、对添加GH4169返回料的GH4169合金棒料进行硅酸铝纤维软包套后进行锻前加热，随后采用胎模锻方式预制坯料；所述GH4169合金棒料为圆柱形；添加GH4169返回料重量比不小于50％；添加GH4169返回料的GH4169合金棒料锻前采用台阶式加热，加热温度980～1020℃，加热保温时间为棒料直径D(单位：mm)与热透速率0.8min/mm乘积，锻后空冷至室温；所述的软包套为根据GH4169合金棒料外观尺寸裁剪出的厚度为5mm～10mm的硅酸铝纤维，且硅酸铝纤维与棒料接触的面上均匀撒高温粘结剂，对棒料进行全表面包套；所述的预制坯料采用胎模锻造成形，变形量不应小于40％，锻造速率为1mm/s～10mm/s；所述的高温粘结剂为玻璃粉粘接剂，耐温900～1100℃。
步骤二、对预制坯料表面氧化皮以及微小裂纹进行吹沙并排伤处理，并将处理后的预制坯料进行复合包套处理；所述的预制坯复合包套分为四部分结构，润滑层(3)、保温层(4)、硬包套(2)和加强套(5)，其中润滑层(3)为玻璃润滑剂；保温层(4)为硅酸铝纤维，应覆盖预制坯料高度的1/4～3/4，硬包套(2)和加强套(5)为不锈钢板或铁皮材质，加强套(5)的高度应为预制坯高度的40％～70％，见图1。
步骤三、对复合包套后的预制坯料进行锻前加热，随后采用压机温模或热模锻造一次成形盘锻件；所述的终锻成形前预制坯的加热温度为980℃～1020℃，加热保温时间为预制坯纵横界面中最大的厚度L(单位：mm)与热透速率(1min/mm)的乘积；盘锻件采用大变形量成形，锻造过程变形量不小于60％，当采用温模锻造时，模具预热温度应选择在350～550℃，当采用热模锻造时，模具预热温度不低于900～1000℃，锻造速率为0.5mm/s～5mm/s。
实施示例1
步骤一、选用GH4169返回料添加重量比为50％的GH4169锻制棒材，棒材的直径为230mm，棒料高度为590mm。采用台阶式加热方式将棒料加热至1000℃，选用厚度为5mm厚的硅酸铝纤维及高温粘结剂进行全表面软包套，随后继续回炉在1000℃加热保温，保温时间为184min；
步骤二、将经步骤一处理后的棒料进行胎模锻造制坯，锻后空冷至室温，其中整体压下变形量为51％，即锻后最厚部位的高度为289mm，锻造速率为7mm/s；
步骤三、将经步骤二处理后的预制坯进行吹沙，去除锻造过程坯料表面的氧化皮，同时打磨去除微小裂纹；
步骤四、将经步骤三处理后的预制坯进行包套处理，预制坯预热至200℃后表面喷涂玻璃润滑剂，而后采用5mm厚的硅酸铝纤维及高温粘结剂进行软包套，而后采用不锈钢板完成硬包套和加强套，加强套的高度为175mm(预制坯高度的60％)。
步骤五、将经步骤四处理后的预制坯进行锻前加热处理，采用台阶式升温方式加热至1000℃，保温时间为289min；
步骤六、将经步骤五处理后的预制坯采用温模锻方式进行终锻成形，采用4万吨压机锻造成形，模具预热温度为400℃，锻造过程压下量为70％，锻造速率为3mm/s。
本实施示例制备的GH4169合金盘锻件经固溶时效处理后力学测试结果见表1～3，本实施示例制备的GH4169合金盘锻件形貌尺寸与固溶时效处理后的金相组织见图2。
表1 GH4169合金盘锻件标准热处理后室温拉伸性能
Figure BDA0002532935620000041
表2 GH4169合金盘锻件标准热处理后650℃拉伸性能
Figure BDA0002532935620000042
表3 GH4169合金盘锻件标准热处理后650℃/690MPa组合持久性能
Figure BDA0002532935620000051
注：GH4169合金盘锻件固溶+时效热处理制度：固溶处理—965℃±10℃/保温1h/空冷至室温，时效处理—720℃±5℃/保温8h/以50℃±10℃的冷却速率炉冷至620℃±5℃/保温8h/空冷至室温。
由表1～3和图2可知，实施示例中所制备GH4169合金盘锻件经固溶+时效热处理后的晶粒尺寸均匀，且力学性能可满足产品使用技术要求。
实施示例2
步骤一、选用GH4169返回料添加重量比为70％的GH4169锻制棒材，棒材的直径为270mm，棒料高度为730mm。棒料加热至990℃，选用厚度为5mm厚的硅酸铝纤维及高温粘结剂进行全表面软包套，随后继续回炉在990℃加热保温，保温时间为216min；
步骤二、将经步骤一处理后的棒料进行胎模锻造制坯，锻后空冷至室温，其中整体压下变形量为60％，即锻后最厚部位的高度为292mm，锻造速率为5mm/s；
步骤三、将经步骤二处理后的预制坯进行吹沙，去除锻造过程坯料表面的氧化皮，同时打磨去除微小裂纹；
步骤四、将经步骤三处理后的预制坯进行包套处理，所述预制坯包套分为四部分结构，润滑层(3)、保温层(4)、硬包套(2)和加强套(5)，具体结构如图1所示，其中预制坯预热至200℃后表面喷涂玻璃润滑剂，而后采用5mm厚的硅酸铝纤维及高温粘结剂进行软包套，而后采用不锈钢板完成硬包套和加强套，加强套的高度为175mm(预制坯高度的60％)。
步骤五、步骤五、将经步骤四处理后的预制坯进行锻前加热处理，采用台阶式升温方式加热至1000℃，保温时间为430min；
步骤六、将经步骤五处理后的预制坯进行热模锻终锻成形，采用2万吨压机锻造成形，模具预热温度为900℃，锻造过程压下量为70％，锻造速率为1mm/s。
本实施示例制备的GH4169合金盘锻件经固溶时效处理后力学测试结果见表4～6，本实施示例制备的GH4169合金盘锻件形貌尺寸与固溶时效处理后的金相组织见图3。
表4 GH4169合金盘锻件标准热处理后室温拉伸性能
Figure BDA0002532935620000061
表5 GH4169合金盘锻件标准热处理后650℃拉伸性能
Figure BDA0002532935620000062
表6 GH4169合金盘锻件标准热处理后650℃/690MPa组合持久性能
Figure BDA0002532935620000063
注：GH4169合金盘锻件固溶+时效热处理制度：固溶处理—965℃±10℃/保温1h/空冷至室温，时效处理—720℃±5℃/保温8h/以50℃±10℃的冷却速率炉冷至620℃±5℃/保温8h/空冷至室温。
由表4～6和图3可知，实施示例中所制备GH4169合金盘锻件经固溶+时效热处理后的晶粒尺寸均匀，且力学性能可满足产品使用技术要求。

Claims (9)

1.一种添加返回料的GH4169合金盘锻件制备方法，其特征在于，该方法包括：
(1)对添加GH4169返回料的GH4169合金棒料进行硅酸铝纤维软包套后进行锻前加热，随后采用胎模锻方式得到预制坯料；
(2)去除预制坯料表面氧化皮以及微小裂纹，并将处理后的预制坯料进行复合包套处理；预制坯复合包套分为四部分结构，润滑层(3)、保温层(4)、硬包套(2)和加强套(5)，其中润滑层(3)为玻璃润滑剂；保温层(4)为硅酸铝纤维，应覆盖预制坯料高度的1/4～3/4，硬包套(2)和加强套(5)为不锈钢板或铁皮材质，加强套(5)的高度应为预制坯高度的40％～70％；
(3)对复合包套后的预制坯料进行锻前加热，随后采用压机温模或热模锻造一次成形盘锻件。
2.依据权利要求1所述的GH4169合金盘锻件制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的GH4169合金棒料添加GH4169返回料添加比例≥50％。
3.依据权利要求1所述的GH4169合金盘锻件制备方法，其特征在于，所述GH4169合金棒料为圆柱形。
4.依据权利要求1所述的GH4169合金盘锻件制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述添加GH4169返回料的GH4169合金棒料锻前采用台阶式加热，加热温度980～1020℃，加热保温时间为棒料直径D与热透速率0.8min/mm乘积，锻后空冷至室温。
5.依据权利要求1所述的GH4169合金盘锻件制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的软包套为根据GH4169合金棒料外观尺寸裁剪出的厚度为5mm～10mm的硅酸铝纤维，且硅酸铝纤维与棒料接触的面上均匀撒高温粘结剂，对棒料进行全表面包套。
6.依据权利要求1所述的GH4169合金盘锻件制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的预制坯料采用胎模锻造成形，变形量不应小于40％，锻造速率为1mm/s～10mm/s。
7.依据权利要求1所述的GH4169合金盘锻件制备方法，其特征在于，步骤(2)中，去除氧化皮以及微小裂纹是采用吹沙并排伤方法。
8.依据权利要求1所述的GH4169合金盘锻件制备方法，其特征在于，步骤(3)中，终锻成形前预制坯料的加热温度为980℃～1020℃，加热保温时间为预制坯料纵横界面中最大的厚度L与热透速率的乘积；盘锻件采用大变形量成形，锻造过程变形量不小于60％，当采用温模锻造时，模具预热温度应选择在350～550℃，当采用热模锻造时，模具预热温度应选择在900～1000℃，锻造速率为0.5mm/s～5mm/s。
9.依据权利要求5所述的GH4169合金盘锻件制备方法，其特征在于，所述的高温粘结剂为玻璃粉粘接剂，耐温900～1100℃。
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