CN112410618B - Gh4698高温合金模具制备方法 - Google Patents

Gh4698高温合金模具制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种GH4698高温合金模具制备方法，属于合金材料技术领域。本发明的GH4698高温合金模具制备方法包括：将铸锭加热到1160～1180℃进行第一次锻造，锻造过程总变形量20％以下；再加热到1160～1180℃进行第二次锻造，锻造过程总变形量25％以下；再加热到1160～1180℃进行第三次锻造，锻造过程总变形量35％以下；将第三次锻造后的铸锭拔皮得到棒料；将得到的棒料在1140～1160℃进行三火镦饼完成模块制造，三火镦饼时棒料鐓粗变形量不超过40％，鐓粗完成后再进行滚圆消除鼓肚的影响；热处理、精加工得到GH4698高温合金模具。采用本发明的方法制备模具，成本大幅降低。

Description

GH4698高温合金模具制备方法
技术领域
本发明涉及一种GH4698高温合金模具制备方法，属于合金材料技术领域。
背景技术
航空发动机常用转动件为GH4169等高温合金，这些转动件通常采用模锻件的形式，从成本角度考虑模具一般选择热作模具钢5CrNiMo，使用温度为300℃，但是在连续生产中模具温度会超过500℃，此时会造成回火软化，模具的磨损将会加剧，寿命降低，型腔尺寸精度将会变差，无法满足长寿命使用要求。GH4698高温合金模具能够用于锻造GH4169航空发动机常用转动件，但是采用传统的GH4698高温合金锻棒制作的GH4698高温合金模具成本极高，经济性不具有优势。
鉴于以上情况，需要寻求既经济、又耐用的一种GH4698高温合金材料模具制备方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种新的GH4698高温合金模具制备方法。
为解决本发明的技术问题，本发明的GH4698高温合金模具制备方法包括：
a.将铸锭加热到1160～1180℃进行第一次锻造，锻造过程总变形量20％以下；
b.将第一次锻造后的铸锭加热到1160～1180℃进行第二次锻造，锻造过程总变形量25％以下；
c.将第二次锻造后的铸锭加热到1160～1180℃进行第三次锻造，锻造过程总变形量35％以下；
d.将c步骤第三次锻造后的铸锭拔皮得到棒料；
e.将d步骤得到的棒料在1140～1160℃进行三火镦饼完成模块制造，三火镦饼时棒料鐓粗变形量不超过40％，鐓粗完成后再进行滚圆消除鼓肚的影响；
f.热处理、精加工得到GH4698高温合金模具；
其中a步骤所述铸锭的成份为：C 0.03～0.07％；Cr 13.0～16.0％；Ti 2.45～2.85％；Al 1.50～1.90％；Mo 2.80～3.20％；Ni余量；Nb 2.0～2.40％；Fe≤2.00％；Mn≤0.40％；Si≤0.50％；S≤0.007％；P≤0.015％；Mg≤0.008％；Zr≤0.05％；B≤0.005％；
所述模具优选为镶芯模模具。
在一种具体实施方式中，所述Ti 2.75～2.85％，优选Ti 2.80～2.85％。
在一种具体实施方式中，所述Al优选为1.80～1.90％，更优选Al为1.85～1.90％。
在一种具体实施方式中，所述Nb 2.20～2.40％，优选Nb 2.3～2.40％。
在一种具体实施方式中，a步骤所述铸锭采用真空感应+真空自耗或真空感应+电渣重溶冶炼得到。
在一种具体实施方式中，a步骤所述铸锭加入了40％～95％返回料。
所述返回料是步骤a～f产生的。
在一种具体实施方式中，c步骤第三次锻造后硬度为HB302～363。
在一种具体实施方式中，f步骤所述热处理为：1070～1090℃，保温6～10h，空冷；990～1010℃，保温2～6h，风冷；时效：765～785℃，保温14～18h，空冷；690～710℃，保温14～18h，空冷。
在一种具体实施方式中，所述第一次锻造、第二次锻造、第三次锻造后的铸锭均无缺陷。
在一种具体实施方式中，所述锻造包括将铸锭加热后进行软包套并保证两端封闭严密；所述三火镦饼包括将棒料加热后进行软包套并保证两端封闭严密。
有益效果：
采用本发明方法直接将铸锭制备成模具，成本大幅降低，同时又满足长寿命使用要求，力学性能满足要求，硬度为HB302～363。
本发明的化学成份范围宽，模具高温拉伸性能及硬度能达到要求，同时降低冶炼难度、降低制造成本。
本发明还使用40％～95％返回料，进一步降低了成本。
采用本发明的热处理工艺，模具的硬度高。
采用本发明制造的模具，使用温度可达到650～700℃。
具体实施方式
为解决本发明的技术问题，本发明的GH4698高温合金模具制备方法包括：
a.将铸锭加热到1160～1180℃进行第一次锻造，锻造过程总变形量20％以下；
b.将第一次锻造后的铸锭加热到1160～1180℃进行第二次锻造，锻造过程总变形量25％以下；
c.将第二次锻造后的铸锭加热到1160～1180℃进行第三次锻造，锻造过程总变形量35％以下；
d.将c步骤第三次锻造后的铸锭拔皮得到棒料；
e.将d步骤得到的棒料在进行三火镦饼完成模块制造，三火镦饼时棒料鐓粗变形量不超过40％，鐓粗完成后再进行滚圆消除鼓肚的影响；
f.热处理、精加工得到GH4698高温合金模具；
其中a步骤所述铸锭的成份为：C 0.03～0.07％；Cr 13.0～16.0％；Ti 2.45～2.85％；Al 1.50～1.90％；Mo 2.80～3.20％；Ni余量；Nb 2.0～2.40％；Fe≤2.00％；Mn≤0.40％；Si≤0.50％；S≤0.007％；P≤0.015％；Mg≤0.008％；Zr≤0.05％；B≤0.005％；
所述模具优选为镶芯模模具。
本发明制造模具所用的铸锭化学成份和军品锻件棒材化学成分要求如表1所示：
表1化学成份
Figure BDA0002788033870000031
由表1可见，相比锻件，本发明的采用的铸锭对化学成份的要求低，不用控制合金中的Ce、Bi、As、Sn、Sn等等的范围，化学成份的范围要求广，成本低。
在一种具体实施方式中，所述Ti 2.75～2.85％，优选Ti 2.80～2.85％。
在一种具体实施方式中，所述Al优选为1.80～1.90％，更优选Al为1.85～1.90％。
在一种具体实施方式中，所述Nb 2.20～2.40％，优选Nb 2.3～2.40％。
在一种具体实施方式中，a步骤所述铸锭采用真空感应+真空自耗或真空感应+电渣重溶冶炼得到。
在一种具体实施方式中，a步骤所述铸锭采用加入了40％～95％返回料。
在一种具体实施方式中，c步骤第三次锻造后硬度为HB302～363。
在一种具体实施方式中，f步骤所述热处理为：1070～1090℃，保温6～10h，空冷；990～1010℃，保温2～6h，风冷；时效：765～785℃，保温14～18h，空冷；690～710℃，保温14～18h，空冷。
在一种具体实施方式中，所述第一次锻造、第二次锻造、第三次锻造后的铸锭均无缺陷。
在一种具体实施方式中，所述锻造包括将铸锭加热后进行软包套并保证两端封闭严密；所述三火镦饼包括将棒料加热后进行软包套并保证两端封闭严密。
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
根据模锻件外形尺寸确定选用的模具规格，然后再模具最大外形尺寸上增加加工余量确定模块毛坯尺寸，在加上铸锭开坯过程排伤量、棒材加工扒皮用量、镦饼过程排伤量，最终确定需要的GH4698高温合金铸锭尺寸。
某锻件需要的模具规格为φ920×370mm，根据换算，需要的GH4698高温合金铸锭规格为φ610×905mm。
铸锭的成份为：C 0.049％；Cr 14.69％；Ti 2.57％；Al 1.7％；Mo 3.06％；Ni余量；Nb 2.06％；Fe0.46％；Mn0.02％；Si0.06％；S0.001％；P0.006％；Mg≤0.008％；Zr0.033％；B0.003％。
GH4698高温合金铸锭开坯锻造设备为45MN快锻机，锻造温度为1170±10℃，采用天然气炉加热。
GH4698高温合金铸锭按照三火开坯实现铸态组织向锻态组织的转变。
第一火开坯为GH4698高温合金铸锭加热出炉后迅速放在准备好的保温棉上进行软包套，并保证两端封闭严密，然后将φ610×905mm铸锭拔长至560×560×960mm，再将坯料拔长至520×520×1045mm，最终拔长至
Figure BDA0002788033870000047
(八方)×1085mm，然后回炉加热进行第二火开坯。
第二火开坯为棒料出炉后迅速放在准备好的保温棉上进行软包套，并保证两端封闭严密，然后将第一火开坯完的坯料镦粗至1000mm，停顿6～8秒，再将坯料镦粗至900mm高度，停顿6～8秒，最终将坯料镦粗至800mm高度，然后回炉加热进行第三火开坯。
第三火开坯为棒料出炉后迅速放在准备好的保温棉上进行软包套，并保证两端封闭严密，将第二火开坯完的坯料拔长至540×540×940mm，再将坯料拔长至470×470×1210mm，最终滚圆至
Figure BDA0002788033870000048
将开坯好的坯料采用机加拔皮，去除表面冷硬层及表面微裂纹缺陷，然后进行三火镦饼，锻造设备为45MN，锻造温度1150±10℃，采用电炉炉加热。
第一火镦饼为加热好的棒料出炉后迅速放在准备好的保温棉上进行软包套，并保证两端封闭严密，棒料镦至
Figure BDA0002788033870000041
再将其滚圆至
Figure BDA0002788033870000042
然后回炉加热进行第二火镦饼。
第二火镦饼为棒料出炉后迅速放在准备好的保温棉上进行软包套，并保证两端封闭严密，棒料镦至
Figure BDA0002788033870000043
再将其滚圆至
Figure BDA0002788033870000044
然后回炉加热进行第三火镦饼。
第三火镦饼为棒料出炉后迅速放在准备好的保温棉上进行软包套，并保证两端封闭严密，棒料一火镦至
Figure BDA0002788033870000045
再将其滚圆至
Figure BDA0002788033870000046
镦饼完成后规格为
Figure BDA0002788033870000051
的GH4698模块转入机加工序，加工上下表面，饼坯厚度为360mm，并采用接触法进行超声波检测，验收等级为B级，模块硬度为硬HB302～363。
在锻后的模块心部或接近心部位置套取理化测试试棒，试棒直径不小于Φ60mm，随模块一起热处理。热处理后室温拉伸性能如表2规定。
表2室温拉伸性能
Figure BDA0002788033870000052
镦饼完成后模具首先进行粗加工，距离成品模具单边留余量8mm，然后进行模具的热处理。
为了提升模具硬度，GH4698高温合金模具热处理制度为：固溶：1080℃±10℃，保温8h，空冷+1000±10℃，保温4h，风冷。时效：775±10℃，保温16h，空冷+700±10℃，保温16h，空冷。
模具热处理后完成精加工。
计算生产成本，并与现有的采用5CrNiMo和GH4698棒材进行比较，结果详见表3。
表3各原料制作高温合金模具成本
序号 模具材质 模具规格 原材料规格 每吨价格 单套价格 使用温度
1 5CrNiMo φ900x350 φ910x360 1.5万元 5.5万元 300℃
2 GH4698棒材 φ900x350 φ450x1600 31万元 130万元 650℃
3 GH4698铸锭 φ900x350 φ610x905 17万元 74.8万元 650℃
由表3可见，使用高温合金铸锭较使用高温合金棒材成本降低43％。
将表3中序号1的5CrNiMo模具用于GH4169高温合金锻件的生产，模具使用温度为350℃，坯料需要进行包套，每生产一批次将修模一次，并进行落面5mm，并且模具猝火层厚度仅为30～40mm，预计一套模具可生产锻件约为70件；
使用序号2和3的GH4698模具用于GH4169高温合金锻件的生产，模具使用温度为650～700℃，坯料不进行包套，坯料与模具之间润滑效果好，目前模具已生产20余件锻件，每批生产后打磨处理即可，表面质量良好；并且模具硬度一直在较高的硬度水平，不存在猝火层厚度问题，不存在落面后型腔表面硬度下降的问题。可以预料生产70件锻件后仍然能继续使用。

Claims (13)

1.GH4698高温合金模具制备方法，其特征在于，所述方法包括：
a.将铸锭加热到1160～1180℃进行第一次锻造，锻造过程总变形量20%以下；
b.将第一次锻造后的铸锭加热到1160～1180℃进行第二次锻造，锻造过程总变形量25%以下；
c.将第二次锻造后的铸锭加热到1160～1180℃进行第三次锻造，锻造过程总变形量35%以下；
d.将c步骤第三次锻造后的铸锭拔皮得到棒料；
e.将d步骤得到的棒料在1140～1160℃进行三火镦饼完成模块制造，三火镦饼时棒料镦粗变形量不超过40%，镦粗完成后再进行滚圆消除鼓肚的影响；
f.热处理、精加工得到GH4698高温合金模具；
其中a步骤所述铸锭的成份为：C 0.03～0.07%；Cr 13.0～16.0%；Ti 2.45～2.85%；Al1.50～1.90%；Mo 2.80～3.20%；Ni 余量；Nb 2.0～2.40%；Fe≤2.00%；Mn≤0.40%；Si≤0.50%；S≤0.007%；P≤0.015%；Mg≤0.008%；Zr≤0.05%；B≤0.005%，不用控制Ce、Bi、As、Sb、Pb、Cu的范围；
f步骤所述热处理为：1070～1090℃，保温6～10h，空冷；990～1010℃，保温2～6h，风冷；时效：765～785℃，保温14～18h，空冷；690～710℃，保温14～18h，空冷。
2.根据权利要求1所述的GH4698高温合金模具制备方法，其特征在于，所述模具为镶芯模模具。
3.根据权利要求1所述的GH4698高温合金模具制备方法，其特征在于，所述Ti 2.75～2.85%。
4.根据权利要求3所述的GH4698高温合金模具制备方法，其特征在于，所述Ti 2.80～2.85%。
5.根据权利要求1或2所述的GH4698高温合金模具制备方法，其特征在于，所述Al为1.80～1.90%。
6.根据权利要求5所述的GH4698高温合金模具制备方法，其特征在于，所述Al为 1.85～1.90%。
7.根据权利要求1或2所述的GH4698高温合金模具制备方法，其特征在于，所述Nb 2.20～2.40%。
8.根据权利要求7所述的GH4698高温合金模具制备方法，其特征在于，所述Nb 2.30～2.40%。
9.根据权利要求1或2所述的GH4698高温合金模具制备方法，其特征在于，a步骤所述铸锭采用真空感应+真空自耗或真空感应+电渣重溶冶炼得到。
10.根据权利要求1或2所述的GH4698高温合金模具制备方法，其特征在于，a步骤所述铸锭加入了40%～95%的返回料。
11.根据权利要求1或2所述的GH4698高温合金模具制备方法，其特征在于，c步骤第三次锻造后硬度为HB302～363。
12.根据权利要求1或2所述的GH4698高温合金模具制备方法，其特征在于，所述第一次锻造、第二次锻造、第三次锻造后的铸锭均无缺陷。
13.根据权利要求1或2所述的GH4698高温合金模具制备方法，其特征在于，所述锻造包括将铸锭加热后进行软包套并保证两端封闭严密；所述三火镦饼包括将棒料加热后进行软包套并保证两端封闭严密。
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