CN111761014A - 一种提高gh4169盘锻件组织均匀性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于锻造热加工领域，具体涉及一种提高GH4169盘锻件组织均匀性的方法；本发明采用两火次锻造方式即可实现成形，本发明采用上模型腔呈“M”形、下模型腔呈“W”形，模具及终锻模具确保终锻过程中的最小等效应变不小于0.25，通过模锻制坯，锻造温度控制在980℃～1020℃，锻造速率控制在1mm/s～20mm/s，模具加热温度控制在300℃～500℃；吹沙和打磨方式去除预制坯料表面氧化皮及锻造裂纹等表面缺陷；最后进行盘锻件终锻成形，锻造温度控制在990℃～1010℃，锻造速率控制在0.5mm/s～5mm/s，模具加热温度≥350℃；利用本发明方法可有效地提升GH4169盘锻件组织均匀性，进而提升锻件不同部位性能的一致性。

Description

一种提高GH4169盘锻件组织均匀性的方法
技术领域
本发明属于锻造热加工领域，具体涉及一种提高GH4169盘锻件组织均匀性的方法。
背景技术
我国先进航空发动机大量选用GH4169合金制造压气机盘、涡轮盘等关键转动盘件，该合金盘锻件质量一定程度上决定了航空发动机的安全性。GH4169合金组织对热加工工艺非常敏感，工艺控制不当极易产生混晶、粗晶等组织不均匀现象，进而影响到锻件的综合性能。当前GH4169盘锻件锻造工艺通常采用镦饼+模锻方式制造，镦饼工艺中采用上下平模对圆柱棒料进行垂直压缩，由于棒料上下表面的摩擦作用，导致整个棒料在压缩变形过程中各部位的变形量产生非常大的差距，产生上下端面变形死区或小变形区和中心的大变形区，各部位的再结晶程度差异性非常大，进而导致预制坯组织不均匀，这种不均匀的组织进一步遗传至锻件中，导致锻件组织的不均匀。针对该问题国内通常采用的方法是对镦饼后的坯料进行机加工，调整模锻过程锻件各部位的变形量，该方法一定程度上可以提升锻件的组织均匀性，但对于盘件轮毂、辐板、盘缘厚度差异性大的盘锻件，该方法很难适用，另外通过机加工改变坯料形状，增加了机加工工时，同时还增加材料的损耗，造成制造成本增加；为了提高GH4169合金盘锻件整体组织均匀性，国内还开发出了热模锻和等温锻造成形方式，模具温度的提高，可以减少锻件锻造过程中的温降，促进润滑，提升金属流动性，但仍未能改变镦饼造成的变形量不均匀问题，同时由于模具需要长时间的预热，制造周期延长，制造成本增加。为了提高GH4169盘锻件组织均匀性，尤其是不同部位厚度差异性大的锻件，本发明提出一种提高GH4169盘锻件组织均匀性的方法，该方法采用模锻方式进行坯料预制，避免了平模镦粗所造成的变形不均匀性，随后借助于适宜的终锻工艺，可以显著提升锻件组织均匀性，同时避免了长时的机加工工序，减少了材料的投入量。
发明内容
本发明目的在于提供一种提高GH4169盘锻件组织均匀性的方法，采用该方法既可以提高GH4169盘锻件不同部位组织的均匀性，同时减少投料量，避免长时的机加工制坯工序，进而促进盘件综合性能的提升和成本的降低。
本发明技术方案如下：1、一种提高GH4169盘锻件组织均匀性的方法，其特征在于，该方法包括：
(1)制坯用模具制造，模具上模型腔呈“M”形、下模型腔呈“W”形，以盘锻件横向中心剖面为对称平面，采取等体积原则设计上下模型腔尺寸，制坯过程中的最小等效应变不小于0.2；
(2)制造终锻模具；
(3)模锻预制坯料，锻造温度控制在980℃～1020℃，锻造速率控制在1mm/s～20mm/s，模具加热温度控制在300℃～500℃；
(4)去除步骤(3)预制坯料表面缺陷；
(5)进行盘锻件终锻成形，锻造温度控制在990℃～1010℃，,锻造速率控制在0.5mm/s～5mm/s，模具加热温度≥350。
所述的上下模型腔尺寸依据锻件最终尺寸和制坯过程中的变形量采用数值模拟方式反复优化确定。
所述的终锻模具根据锻件最终尺寸和终锻过程中的变形量确定，型腔的尺寸借助于有限元数值模拟分析方法，确保终锻过程中的最小等效应变不小于0.25。
所述坯料表面采用硅酸铝纤维进行全表面包覆。
所述的预制坯料表面清理，采用吹沙方式去除表面氧化皮，采用打磨方式去除表面裂纹。
所述的盘锻件终锻成形时当模具温度在350℃～700℃时，坯料进行复合包套处理；当模具温度＞700℃时，坯料只采用硅酸铝纤维全表面包覆。
所述复合包套处理，即内层采用硅酸铝纤维全表面包覆，外层采用不锈钢薄板包覆。
所述表面缺陷为表面氧化皮及锻造裂纹。
所述模具材料选用优质模具钢。
所述终锻模具材料选用优质模具钢或高温合金。
本发明的优点在于：盘锻件采用两火次锻造方式即可实现成形，其中第一火次为模锻制坯，第二火次为终锻所述的盘锻件成形方式为两火次均为模锻，该方法极大的缩短了锻造工序，提高了生产效率。通过采用“M”、“W”形型腔模具模锻制坯可显著提升预制坯料不同部位的变形均匀性，进而提升了预制坯料各部位的组织均匀性，随后借助于适宜的终锻工艺，提升了锻件组织均匀性，同时减少了原材料投入量，避免了长时的机加工制坯工序，降低了锻件的制造成本，缩短了锻件的制造周期，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，从而满足先进航空发动机对GH4169合金高可靠性、低成本盘锻件需求。
附图说明
图1为实施示例1发动机高压涡轮盘锻件示意图
图2为实施示例2和实施例3发动机低压涡轮盘锻件示意图
图3为预制坯用模具上下模型腔示意图
图4为采用本发明所获得的盘锻件锻态晶粒组织形貌；其中：a低压涡轮盘锻件；b高压涡轮盘锻件
具体实施方式
下面通过具体实施示例对本发明中所述技术方案作进一步的详细描述。
实施示例1
某发动机高压涡轮盘锻件，如图1所示，锻件重量340公斤，锻件外轮廓尺寸约为Φ700mm×200mm，采用的GH4169合金棒料规格为Φ275mm×730mm。
首先完成了两套模具的设计与制造，设计了制坯用模具，模具上模型腔呈“M”形、下模型腔呈“W”形，型腔采用数值模拟方式反复优化，制坯过程中的最小等效应变约为0.21，采用H13钢完成制坯模具加工；设计终锻模具，型腔采用数值模拟方式反复优化，终锻过程中的最小等效应变约为0.27，采用H13钢完成终锻模具的加工。
对上述规格棒料表面喷涂玻璃润滑剂后采用硅酸铝纤维进行软包套，后采用台阶式升温方式将棒料加热至1010℃并保温烧透，出炉进行模锻制坯，压机下压速率为5mm/s，制坯模具预热温度为500℃；锻后出模空冷，待冷至室温进行吹沙和排伤出炉。
将上述预制坯料表面喷涂玻璃润滑剂后采用硅酸铝纤维和不锈钢板进行复合包套，后采用台阶式升温方式将预制坯料加热至1000℃并保温烧透，出炉进行终锻，压机下压速率为3mm/s，终锻模具预热温度为500℃；锻后快速去除表面包套，水冷。
对盘锻件的轮毂、辐板、盘缘分别取样，进行理化检验，锻件各部位的晶粒度均细于11级，各部位的晶粒度极差不超过1.5级，无粗晶/混晶等组织。
实施示例2
某发动机低压涡轮盘锻件，如图2所示，锻件重量170公斤，锻件外轮廓尺寸约为Φ580mm×120mm，采用的GH4169合金棒料规格为Φ230mm×520mm。
首先完成了两套模具的设计与制造，设计了制坯用模具，模具上模型腔呈“M”形、下模型腔呈“W”形，型腔采用数值模拟方式反复优化，制坯过程中的最小等效应变约为0.25，采用H13钢完成制坯模具加工；设计终锻模具，型腔采用数值模拟方式反复优化，终锻过程中的最小等效应变约为0.29，采用H13钢完成终锻模具的加工。
对上述规格棒料表面喷涂玻璃润滑剂后采用硅酸铝纤维进行软包套，后采用台阶式升温方式将棒料加热至1000℃并保温烧透，出炉进行模锻制坯，压机下压速率为5mm/s，制坯模具预热温度为500℃；锻后出模空冷，待冷至室温进行吹沙和排伤出炉。
将上述预制坯料表面喷涂玻璃润滑剂后采用硅酸铝纤维和不锈钢板进行复合包套，后采用台阶式升温方式将预制坯料加热至1000℃并保温烧透，出炉进行终锻，压机下压速率为3mm/s，终锻模具预热温度为500℃；锻后快速去除表面包套，水冷。
对盘锻件的轮毂、辐板、盘缘分别取样，进行理化检验，锻件各部位的晶粒度均细于11级，各部位的晶粒度极差不超过1.5级，无粗晶/混晶等组织。
实施例3
某发动机低压涡轮盘锻件，如图2所示，锻件重量170公斤，锻件外轮廓尺寸约为Φ580mm×120mm，采用的GH4169合金棒料规格为Φ230mm×520mm。
首先完成了两套模具的设计与制造，设计了制坯用模具，模具上模型腔呈“M”形、下模型腔呈“W”形，型腔采用数值模拟方式反复优化，制坯过程中的最小等效应变约为0.25，采用H13钢完成制坯模具加工；设计终锻模具，型腔采用数值模拟方式反复优化，终锻过程中的最小等效应变约为0.29，采用GH4169合金完成终锻模具的加工。
对上述规格棒料表面喷涂玻璃润滑剂后采用硅酸铝纤维进行软包套，后采用台阶式升温方式将棒料加热至1000℃并保温烧透，出炉进行模锻制坯，压机下压速率为5mm/s，制坯模具预热温度为500℃；锻后出模空冷，待冷至室温进行吹沙和排伤出炉。
将上述预制坯料表面喷涂玻璃润滑剂后采用硅酸铝纤维进行软包套，后采用台阶式升温方式将预制坯料加热至1000℃并保温烧透，出炉进行终锻，压机下压速率为1mm/s，终锻模具预热温度为710℃，锻后水冷。
对盘锻件的轮毂、辐板、盘缘分别取样，进行理化检验，锻件各部位的晶粒度均细于11级，各部位的晶粒度极差不超过1.5级，无粗晶/混晶等组织。

Claims (10)

1.一种提高GH4169盘锻件组织均匀性的方法，其特征在于，该方法包括：
(1)制坯用模具制造，模具上模型腔呈“M”形、下模型腔呈“W”形，以盘锻件横向中心剖面为对称平面，采取等体积原则设计上下模型腔尺寸，制坯过程中的最小等效应变不小于0.2；
(2)制造终锻模具；
(3)模锻预制坯料，锻造温度控制在980℃～1020℃，锻造速率控制在1mm/s～20mm/s，模具加热温度控制在300℃～500℃；
(4)去除步骤(3)预制坯料表面缺陷；
(5)进行盘锻件终锻成形，锻造温度控制在990℃～1010℃，,锻造速率控制在0.5mm/s～5mm/s，模具加热温度≥350℃。
2.依据权利要求1所述的提高GH4169盘锻件组织均匀性的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的上下模型腔尺寸依据锻件最终尺寸和制坯过程中的变形量采用数值模拟方式反复优化确定。
3.依据权利要求1所述的提高GH4169盘锻件组织均匀性的方法，其特征在于，步骤2中，所述的终锻模具根据锻件最终尺寸和终锻过程中的变形量确定，型腔的尺寸借助于有限元数值模拟分析方法，确保终锻过程中的最小等效应变不小于0.25。
4.依据权利要求1所述的提高GH4169盘锻件组织均匀性的方法，其特征在于，步骤3中，所述坯料表面采用硅酸铝纤维进行全表面包覆。
5.依据权利要求1所述的提高GH4169盘锻件组织均匀性的方法，其特征在于，步骤4中，所述的预制坯料表面清理，采用吹沙方式去除表面氧化皮，采用打磨方式去除表面裂纹。
6.依据权利要求1所述的提高GH4169盘锻件组织均匀性的方法，其特征在于，步骤5中，所述的盘锻件终锻成形时当模具温度在350℃～700℃时，坯料进行复合包套处理；当模具温度＞700℃时，坯料只采用硅酸铝纤维全表面包覆。
7.依据权利要求6所述的提高GH4169盘锻件组织均匀性的方法，其特征在于，所述复合包套处理，即内层采用硅酸铝纤维全表面包覆，外层采用不锈钢薄板包覆。
8.依据权利要求1所述的提高GH4169盘锻件组织均匀性的方法，其特征在于，步骤(4)表面缺陷为表面氧化皮及锻造裂纹。
9.依据权利要求1所述的提高GH4169盘锻件组织均匀性的方法，其特征在于，步骤(1)模具材料选用优质模具钢。
10.依据权利要求1所述的提高GH4169盘锻件组织均匀性的方法，其特征在于，步骤(2)，终锻模具材料选用优质模具钢或高温合金。
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