CN112317662B - 一种难变形高温合金挤压-镦拔复合开坯方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种难变形高温合金挤压‑镦拔复合开坯方法，包括：(1)铸锭包套形成挤压锭坯，并在所述挤压锭坯外表面涂覆润滑剂；(2)对挤压锭坯进行热挤压，所述挤压锭坯的预热温度为相变点±20℃，获得挤压棒材，垂直于挤压方向切割挤压棒材并精整获得料段；(3)对料段进行多火次的反复镦拔，并最终加工至所需棒坯尺寸。本发明针对难变形高温合金开坯易开裂、难以充分变形和无法获得均匀细晶组织等难题，采用挤压‑镦拔复合开坯工艺制备难变形合金细晶棒材。相比于快锻开坯，解决了棒坯开坯开裂和外缘混晶难题；相比于热挤压开坯，解决了单一变形温度和有限变形量难以获得均匀细晶组织的难题，弥补了难变形高温合金制坯工艺的不足。

Description

一种难变形高温合金挤压-镦拔复合开坯方法
技术领域
本发明属于热加工技术领域，具体涉及一种难变形高温合金挤压-镦拔复合开坯方法。
背景技术
变形高温合金是航空发动机涡轮盘的重要选材。涡轮盘性能的提升需要变形高温合金不断提高使用温度和服役性能，其基本途径是提高合金中Al、Ti、Nb等γ′相形成元素和Co、Cr、Mo、W等固溶强化和组织稳定化元素。目前相当一部分涡轮盘用高温合金(GL720Li、GL975等)的γ′相含量超过40％，Al+Ti含量超过6％。大量合金元素的加入在提高合金的高温性能的同时也导致合金热加工非常困难，表现为热加工温度区间收窄，热变形抗力增大，热加工塑性恶化，同时粗大的铸态晶粒和发达的枝晶组织更加剧了变形开裂的风险，常规的单向拔长或反复镦拔不但造成严重的开坯开裂，而且难以获得均匀的细晶组织。
作为金属材料开坯的重要手段，挤压已广泛应用于铝、镁、铜等有色金属细晶棒材的制备，挤压通过对金属坯料施加三向压应力使得热加工塑性提高，变形开裂风险降低，近年来国内外研究者已开始尝试采用挤压工艺对镍基高温合金铸锭进行开坯，但单纯的挤压开坯存在变形温度单一，累积变形量偏小等问题，难以获得涡轮盘用晶粒度ASTM6.0级以上的细晶棒材。为此需将挤压与镦拔开坯工艺配合，发明新的复合开坯工艺以满足难变形合金涡轮盘研制的迫切需求。
发明内容
鉴于现有技术的上述情况，本发明的目的是提供一种难变形高温合金挤压-镦拔复合开坯方法。本发明的方法可解决难变形高温合金开坯易开裂、晶粒组织难控制等问题，能使难变形高温合金棒料获得ASTM 6.0级以上的均匀细晶组织，从而满足涡轮盘对难变形高温合金均质细晶棒坯的需求。
本发明的上述目的是利用以下的技术方案实现的：
一种难变形高温合金挤压-镦拔复合开坯方法，包括如下步骤：
(1)铸锭包套形成挤压锭坯，并在所述挤压锭坯外表面涂覆润滑剂；
(2)对挤压锭坯进行热挤压，所述挤压锭坯的预热温度为相变点±20℃，获得挤压棒材，垂直于挤压方向切割挤压棒材并精整获得料段；
(3)对所述料段进行多火次的反复镦拔，并最终加工至所需棒坯尺寸。
进一步地，其中步骤(3)中的所述反复镦拔为不同预热温度的镦拔变形，且料段在每个镦拔预热温度进行1～3火次的镦拔。更进一步地，其中所述反复镦拔的初始预热温度为所述挤压锭坯的预热温度以下20～40℃，之后依次降低预热温度20～40℃至相变点以下60～90℃结束镦拔，其中镦拔过程中料段预热时间＝料段直径×时间系数，所述时间系数为0.6～2.0min/mm，镦拔用平砧模预热温度≥200℃。
进一步地，其中步骤(3)中的每个镦拔过程为依次进行的料段端头镦锻、整体镦粗、打八方拔长。具体地，其中所述端头镦锻过程中控制料段中轴线与镦拔用平砧模呈60°～80°，下压量为料段直径的1/3～2/3，端头镦锻次数N＝4～8次，每次料段周向旋转角度为360°/N，获得镦头中间坯，所述整体镦粗过程中，镦头中间坯垂直于平砧模进行镦粗，获得镦粗中间坯，镦粗中间坯长度为料段长度的0.4～0.7，所述打八方拔长过程平砧模单次下压量为镦粗中间坯直径的1/5～1/3，最终拔长至长度为料段长度±20mm的八方中间坯。
进一步地，其中在所述热挤压中，挤压锭坯转运到挤压筒时间≤180s，挤压筒预热温度≥200℃，热挤压速度20～120mm/s，挤压比3～8。
进一步地，其中所述挤压锭坯的保温时间为挤压锭坯直径×时间系数，所述时间系数为0.6～2.0min/mm。
本发明针对难变形高温合金开坯易开裂、难以充分变形和无法获得均匀细晶组织等难题，采用挤压-镦拔复合开坯工艺制备难变形合金细晶棒材。相比于快锻开坯，解决了棒坯开坯开裂和外缘混晶难题；相比于热挤压开坯，解决了单一变形温度和有限变形量难以获得均匀细晶组织的难题，弥补了难变形高温合金制坯工艺的不足。
附图说明
图1是图解说明本发明方法中的镦拔过程的示意图。
其中：1-上平砧模，2-下平砧模，3-料段，4-镦头中间坯，5-镦粗中间坯，6-八方中间坯。
具体实施方式
为了更清楚地理解本发明的目的、技术方案及优点，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
本发明提供一种难变形高温合金挤压-镦拔复合开坯方法，包括如下步骤：
(1)铸锭包套形成直径D0×长度L0的挤压锭坯，并在所述挤压锭坯外表面涂覆玻璃润滑剂；
(2)将所述挤压锭坯预热后转移至预热后的挤压筒中，并在挤压锭坯与挤压模之间布置玻璃粉固化粘结垫，推进挤压杆进行热挤压，获得的挤压棒材空冷或包覆硅酸铝纤维毡缓冷，去除包裹高温合金棒材的钢皮，垂直于挤压方向切割并精整获得直径D1×长度L1的料段；
(3)将所述挤压料段预热后转移至预热后的快锻机平砧模进行多火次的反复镦拔，并最终加工至所需棒坯尺寸。
在加工圆棒的情况下，最末火次拔长时，棒坯拔长至与所需圆棒接近尺寸，倒棱，滚圆，获得高温合金圆棒，空冷或包覆缓冷，最后车削或磨削所述高温合金棒坯外圆，获得细晶棒材。
其中步骤(3)中的所述反复镦拔为不同预热温度的镦拔变形，且料段在每个镦拔预热温度进行1～3火次的镦拔。所述反复镦拔的初始预热温度为所述挤压锭坯的预热温度以下20～40℃，之后依次降低预热温度20～40℃至相变点以下60～90℃结束镦拔，其中镦拔过程中料段预热时间＝料段直径×时间系数，所述时间系数为0.6～2.0min/mm，镦拔用平砧模预热温度≥200℃。
其中步骤(3)中的每个镦拔过程为依次进行的料段端头镦锻、整体镦粗、打八方拔长。图1图解说明了本发明方法中的镦拔过程。如图所示，所述端头镦锻过程中控制料段3中轴线与镦拔用平砧模(包括上平砧模1和下平砧模2)呈60°～80°，上平砧模1下压量为料段直径的1/3～2/3，端头镦锻次数N＝4～8次，每次料段周向旋转角度为360°/N，获得镦头中间坯4，所述整体镦粗过程中，镦头中间坯4垂直于平砧模进行镦粗，获得镦粗中间坯5，镦粗中间坯长度为料段长度的0.4～0.7，所述打八方拔长过程平砧模单次下压量为镦粗中间坯直径的1/5～1/3，最终拔长至长度为料段长度±20mm的八方中间坯6。
其中在所述热挤压中，挤压锭坯转运到挤压筒时间≤180s，挤压筒预热温度≥200℃，热挤压速度20～120mm/s，挤压比3～8。
其中所述挤压锭坯的保温时间为挤压锭坯直径×时间系数，所述时间系数为0.6～2.0min/mm。
本发明方法的基本原理是：铸锭进行包套制备挤压锭坯，选择相变点附近的温度进行热挤压，获得具有变形态过渡组织和一定工艺塑性的挤压棒材，对其切割、精整后进行逐步降温的反复镦拔以使晶粒组织逐步细化，同时通过控制镦拔过程变形量的分配，保证棒坯各部位组织的均匀一致，最终得到均质细晶棒坯。
本方法采用挤压-镦拔高低温组合变形工艺。选择挤压温度Tγ′±20℃可使析出相回溶，变形抗力降低，合金工艺塑性提高，配合挤压三向压应力状态，使得铸锭发生大的变形量而不开裂，为再结晶储存足够的畸变能。并且，上述挤压温度可充分激活动态再结晶过程，使铸态组织发生完全再结晶从而获得变形态过渡组织。相比于粗大的铸态晶粒组织，该组织晶界比率提高，可为后续镦拔过程进一步再结晶提供形核址，也为镦拔变形提供了必要的工艺塑性，如此以来，反复镦拔便为再结晶储存足够的变形畸变能。随着镦拔变形温度的逐步降低，析出相不断沿晶界补充析出，不仅有利于再结晶新晶粒形核，还能钉扎晶界，这就使得变形过程晶粒不断细化，最终形成细晶组织。
反复镦拔过程中实现了镦拔变形量均匀化分配。组织均匀性控制依赖棒坯各部位获得相对均匀一致的开坯变形量，本发明通过控制料段与平砧模角度、平砧模下压量和圆周向旋转，料段端头可获得周向均匀的、一定程度的变形量，消除了常规镦粗过程上下端面的变形死区，之后整体镦粗以使料段中部发生变形，这保证了镦粗过程料段变形量的均匀分配；拔长过程通过圆柱打八方可改善常规拔长(打四方)工艺中坯料侧壁变形死区，保证了料段外缘周向变形量的均匀，而通过控制砧模下压量，可使料段外缘与心部变形量相对一致。
采用本发明方法制备的难变形高温合金棒材具备均匀细晶组织，棒材平均晶粒度可达ASTM6.0级以上，可用于制备具有均匀细晶组织结构的航空发动机涡轮盘锻件。
例1
Φ110mm规格GH720Li合金(相变点Tγ′＝1150℃)细晶棒材制备的步骤是：
(1)选择Φ508mm规格自耗锭，车外圆、平端面，得到Φ500mm×1000mm规格铸锭，加工钢质包套前、后堵头和中间套筒，前、后堵头Φ520mm×50mm，套筒Φ520mm×Φ501mm×1000mm。将铸锭置入套筒后与前、后堵头组装并焊接成整体，形成Φ520mm×1100mm挤压锭坯，外表面喷涂玻璃润滑剂。
(2)挤压锭坯室温入炉，分别在300℃、600℃、900℃设置保温台阶后升至1150℃，各温度保温5h。随炉放置3件钢料用于挤压模预热，挤压前依次取出置于挤压筒中，每件预热时长不少于15min。挤压锭坯转运至挤压筒时间85s，挤压速度100mm/s，挤压比4，挤压棒材空冷。
(3)车削去除包裹高温合金棒料的钢皮，获得直径Φ260mm的挤压棒材，切割并精整为Φ240mm×500mm的料段。
(4)料段室温入炉，分别在300℃、600℃、900℃设置保温台阶，900℃保温结束后出炉包裹硅酸铝纤维毡后回炉升至1120℃，各温度保温3h。随炉放置3件钢块，镦拔前依次取出对平砧模预热，每件钢块预热时长不少于15min。保温结束后料段转运至快锻机平砧模，控制料段轴线与平砧模呈70°，平砧模单次下压量120mm，共镦锻6次，每次棒坯周向旋转60°。之后整体镦粗至Φ340mm×250mm。之后将镦粗中间坯躺置于下平砧模锻八方拔长，上平砧模单次下压量85mm，最终拔长料段至500mm长，镦拔结束后热回炉保温并重复以上镦拔操作1次。1120℃镦拔结束后，降低变形温度至1090℃，按照上述操作进行2火次镦拔操作。1090℃最末火次拔长并滚圆棒坯至Φ120mm×2000mm，空冷。
(5)车外圆，获得Φ110mm规格的细晶棒材。
例2，Φ100mm规格GH4065A合金(相变点Tγ′＝1145℃)细晶棒材制备的步骤是：
(1)选择Φ406mm规格三联冶炼铸锭，车外圆、平端面，得到Φ400mm×800mm规格铸锭，加工钢质包套前、后堵头和中间套筒，前、后堵头Φ420mm×100mm，套筒Φ420mm×Φ401mm×800mm。将铸锭置入套筒后与前、后堵头组装并焊接成整体，形成Φ420mm×1000mm挤压锭坯，外表面喷涂玻璃润滑剂。
(2)挤压锭坯室温入炉，升温至1140℃并保温5h。采用辅助预热工装将挤压筒预热至300℃。挤压锭坯出炉转运至挤压筒时间60s，挤压速度60mm/s，挤压比5，挤压棒材包覆硅酸铝纤维毡缓冷。
(3)车削去除包裹高温合金棒料的钢皮，获得直径Φ178mm的挤压棒材，切割并精整为Φ160mm×400mm的挤压料段。
(4)挤压料段室温入炉，升温至1115℃并保温3h。采用辅助预热工装将平砧模预热至300℃。挤压料段保温结束后出炉迅速包裹硅酸铝纤维毡后转移至快锻机平砧模。控制挤压料段轴线与平砧模呈75°，平砧模单次下压量100mm，共镦锻4次，每次棒坯周向旋转90°。之后整体镦粗至Φ226mm×200mm。之后将镦粗中间坯躺置于下平砧模锻八方拔长，上平砧模单次下压量60mm，最终拔长料段至385mm长。1115℃镦拔结束后，依次降低变形温度至1090℃、1065℃，按照上述操作各进行1火次镦拔操作。1065℃最末火次拔长、倒棱并滚圆棒坯至Φ110mm×846mm，包覆硅酸铝纤维毡缓冷。
(5)车外圆，获得Φ100mm规格的细晶棒材。

Claims (6)

1.一种难变形高温合金挤压-镦拔复合开坯方法，包括如下步骤：
(1)铸锭包套形成挤压锭坯，并在所述挤压锭坯外表面涂覆润滑剂；
(2)对挤压锭坯进行热挤压，所述挤压锭坯的预热温度为相变点±20℃，获得挤压棒材，垂直于挤压方向切割挤压棒材并精整获得料段；
(3)对所述料段进行多火次的反复镦拔，并最终加工至所需棒坯尺寸，其中每个镦拔过程为依次进行的料段端头镦锻、整体镦粗、打八方拔长，其中所述端头镦锻过程中控制料段中轴线与镦拔用平砧模呈60°～80°，下压量为料段直径的1/3～2/3，端头镦锻次数N＝4～8次，每次料段周向旋转角度为360°/N，获得镦头中间坯，所述整体镦粗过程中，镦头中间坯垂直于平砧模进行镦粗，获得镦粗中间坯，镦粗中间坯长度为料段长度的0.4～0.7，所述打八方拔长过程平砧模单次下压量为镦粗中间坯直径的1/5～1/3，最终拔长至长度为料段长度±20mm的八方中间坯。
2.按照权利要求1所述的方法，其中步骤(3)中的所述反复镦拔为不同预热温度的镦拔变形，且料段在每个镦拔预热温度进行1～3火次的镦拔。
3.按照权利要求2所述的方法，其中所述反复镦拔的初始预热温度为所述挤压锭坯的预热温度以下20～40℃，之后依次降低预热温度20～40℃至相变点以下60～90℃结束镦拔。
4.按照权利要求3所述的方法，其中镦拔过程中料段预热时间＝料段直径×时间系数，所述时间系数为0.6～2.0min/mm，镦拔用平砧模预热温度≥200℃。
5.按照权利要求1所述的方法，其中在所述热挤压中，挤压锭坯转运到挤压筒时间≤180s，挤压筒预热温度≥200℃，热挤压速度20～120mm/s，挤压比3～8。
6.按照权利要求1所述的方法，其中所述挤压锭坯的保温时间为挤压锭坯直径×时间系数，所述时间系数为0.6～2.0min/mm。
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