CN112589021B - 一种in718合金双法兰高筒机匣环件的制造方法 - Google Patents

一种in718合金双法兰高筒机匣环件的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于航天技术领域，尤其涉及一种IN718合金双法兰高筒机匣环件的制造方法，包括异形预轧坯料的设计、镦粗冲孔、马架扩孔、异形预轧、异形终轧步骤。本发明采用逆向轧制成型的设计思路设计异形预轧坯料，设计出来的异形预轧坯料与最终锻件型面轮廓不相似，但保证异形预轧坯料体积分布满足终轧要求，使得在后续的异形终轧过程中能保证型面的填充完整性，锻件尺寸满足双法兰高筒机匣环件的交付要求；本发明提供的双法兰高筒机匣环件的制造方适用于直径小、变形量小的IN718合金双法兰高筒机匣环件的制造，制造工艺简单且合格率高。

Description

一种IN718合金双法兰高筒机匣环件的制造方法
技术领域
本发明属于航天技术领域，尤其涉及一种IN718合金双法兰高筒机匣环件的制造方法。
背景技术
双法兰高筒机匣环件是航空发动机的重要组成部分，应用于燃烧室机匣；高度较高(295mm)但是总体直径较小(内径仅为517mm)，轧制变形量小(56％)，且两端带有法兰(根据JB/T 10478复杂系数S为0.57)，如附图1所示。航空发动机用机匣类锻件一般采用高温合金或钛合金材料，材料成本高。IN178合金是目前用于航空发动机机匣锻件的主要合金之一，具有高温强度高、高温稳定性好、抗氧化性好、热疲劳性能及冲击韧性优异等特点；但是为难变形合金，材料流动性差，变形抗力大，对双法兰高筒机匣成型过程提出了更高的要求。双法兰高筒机匣环件在轧制成型时需要制备体积分布合理的异形中间坯料，根据锻造过程坯料体积不变原理，坯料的型面、斜度、壁厚差等问题都会对终轧造成影响，所以异形坯料的制备是锻件成型的关键。
传统锻造工艺按照最终锻件型面的轮廓来设计中间坯料的体积大积分配，但对于高筒小变形量的机匣来说，在中间坯制备过程中没有足够的变形量来制备传统方式的中间坯，中间坯体积分布不均会导致最终锻件尺寸超差。目前，也有不少关于法兰机匣类锻件的锻造研及中间坯料的设计研究。
公开号为CN111112526A的专利公开了一种IN718合金轴向非对称多法兰机匣环件的制造方法，采用异形坯料在模具中成型后轧制来制备异形带锥度的机匣环件，包括镦粗冲孔、马架扩孔、异形预轧、胎模成型、异形终轧步骤。该专利公开的技术方案为本发明人前期的研究，先通过异形预轧的方法提前分配锻件体积，然后在胎模中制备与最终锻件型面相似的中间坯料，该过程采用异形预轧的方法提前分配锻件体积分布，减少了胎模成型工序的操作步骤和模具数量。该方法适用于需要进行胎模成型的锻件，进行预轧的目的是为了减少胎模工序的操作难度。
又如公开号为CN106984747B的专利公开了一种TC4合金内T形截面异形环件坯料的设计方法，将成品TC4合金内T形截面异形环件作为基础，根据环件轧制过程中的金属流动的特性，设置中间坯料及最终坯料的高度与环件的高度一致，并将环件分成若干块，然后根据每一块在塑性变形过程中的体积不变的原则，精确计算出每一块的坯料尺寸，最后结合成最终坯料。该专利公开的技术方案在考虑中间坯料的设计时，设计中间坯料界面形状与环锻件截面形状高度相似，均为异形截面，在实际生产过中必须要有足够的变形量才能实现，不能用于直径小、变形量小的双法兰高筒机匣环件的锻造。
又如公开号为CN109794568A的专利公开了一种确定内外表面异形的环件轧制坯料尺寸的方法，以设计提出的环件为出发点，采用逆推方式，先确定环件中间坯料的尺寸，再确定环件初始坯料尺寸的确定方法，通过获得的环件中间坯料轴向对称面以上部分的各参数，即可得到预轧轧比K1和终轧轧比K2的取值范围。该专利技提供的中间坯料设计方法是用于轴向对称的内外表面异形的环件，不能用于本发明双法兰高筒机匣环件的中间轧制坯料的设计与锻造。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种IN718合金双法兰高筒机匣环件的制造方法，具体是通过以下技术方案实现的。
一种IN718合金双法兰高筒机匣环件的制造方法，包括以下步骤：
(1)异形预轧坯料的设计：按照最终锻件截面的体积分布，将最终锻件沿高度方向分为上、中、下3个部分，上部分的高度为最终锻件高度的23％，中部分的高度为最终锻件高度的53％，下部分的高度为最终锻件高度的24％，分别计算3个部分的体积；设计异形预轧坯料与最终锻件等高，按等体积的原则将异形预轧坯料分为上、中、下三部分，设计成内外径有凹槽的异形环坯料，如附图2所示；按照设计的异形预轧坯料进行锻造；
(2)镦粗冲孔：在IN718合金棒材的上下端面垫石棉，对其进行镦粗、冲孔，获得环形坯料；
(3)马架扩孔：将环形坯料进行马架扩孔，获得矩形坯料；
(4)异形预轧：矩形坯料进行预轧前，先根据异形预轧芯辊模和异形预轧主辊模具将其高度分为上段、中段、下段，加热后进行异形预轧，开始预轧时，矩形坯料的中段先接触异形预轧主辊和异形预轧芯辊发生形变，上段和下段未接触，而随着预轧的进行，矩形坯料的中段壁厚逐渐减小，矩形坯料的中段壁厚逐渐减小，中段高度h2逐渐增大，下段高度h1和上段高度h3逐渐减小,上段和下段开始贴向异形预轧主辊和异形预轧芯辊，当坯料完全贴合异形预轧主辊和芯辊，坯料的外径达到要求尺寸，轧制完成，得异形预轧坯料；
(5)异形终轧：将异形预轧坯料加热后，采用异形芯辊和异形主辊对上述异形预轧坯料进行异形终轧，获得双法兰高筒机匣环件。
优选地，所述镦粗冲孔，始锻造温度为1100℃，终锻温度为≥900℃。
优选地，所述马架扩孔，始锻造温度为1040℃，终锻温度为≥900℃，变形量为15-20％。
优选地，所述异形预扎，始锻造温度为1000℃，终锻温度为≥900℃，变形量为15-20％。
优选地，所述异形终轧，异形预轧坯料在1000℃～1100℃加热，保温t+30min～t+180min，t指坯料中心的温度在加热时升高到加热温度下14℃所需时间。
优选地，所述异形终轧，终锻温度为≥900℃，变形量为20-25％。
优选地，所述异形预轧，矩形坯料的整体高度为h，矩形坯料下段的高度为h1、体积为k1，中段的高度为h2、体积为k2，上段的高度为h3、体积为k3；所述异形预轧坯料的整体高度为H，异形预轧坯料与矩形坯料相对应的下段、中段、上段的体积分别为V1、V2、V3，下段、中段、上段相对应的高度分别为H1、H2、H3；异形预轧后，k1＝V1，k2＝V2，k3＝V3，H＝h。如附图3所示。
本发明提供的上述IN718合金双法兰高筒机匣环件的制造方法，用于内径为φ400-650mm的N718合金双法兰高筒机匣环件的制造。
需要说明的是，本发明提供的上述IN718合金双法兰高筒机匣环件的制造方法还适用于其他内径的双法兰高筒机匣环件的制造。
需要说明的是，本发明提供的上述IN718合金双法兰高筒机匣环件的制造方法还适用于其他高温合金材料的双法兰高筒机匣环件的制造,根据需要其他高温合金材料变形的要求，选择合适的锻造参数。
本发明的有益效果在于：
本发明采用逆向轧制成型的设计思路设计异形预轧坯料，虽然设计出来的异形预轧坯料与最终锻件形状不符合，但是设计出来的异形预轧坯料体积满足要求，在后续的异性终轧成型过程中能保证型面的的填充，尺寸、变形量满足双法兰高筒机匣环件的加工要求；而且在终轧成形过程中不受异形预轧坯料尺寸的限制，成形率高。本发明提供的双法兰高筒机匣环件的制造方适用于内径为φ400-650mm的IN718合金双法兰高筒机匣环件的制造，制造工艺简单且合格率高。
附图说明
图1为本发明双法兰高筒机匣环件的近净成型锻件示意图。
图2为异形预轧坯料的设计示意图，1为最终锻件，2为异形预轧坯料，其中，最终锻件、异形预轧坯料根据图中虚线所示分为3部分，最终锻件与异形预坯料相对应的每一部分等体积(V1＝v1；V2＝v2；V3＝v3)。
图3为本发明锻件的异形预轧示意图，其中，3为异形预轧芯辊，4为异形预轧主辊，5为矩形坯料，。
图4为本发明锻件的锻造工序示意图。
具体实施方式
下面结核具体的实施方式来对本发明的技术方案做进一步的限定，但要求保护的范围不仅局限于所作的描述。
实施例1
一种IN718合金双法兰高筒机匣环件的制造方法，包括以下步骤：
(1)异形预轧坯料的设计：按照最终锻件截面的体积分布，将最终锻件沿高度方向分为上、中、下3个部分，上部分的高度为最终锻件高度的23％，中部分的高度为最终锻件高度的53％，下部分的高度为最终锻件高度的24％，分别计算3个部分的体积；设计异形预轧坯料与最终锻件等高，按等体积的原则将异形预轧坯料分为上、中、下三部分，设计成内外径有凹槽的异形环坯料，如附图2所示；按照设计的异形预轧坯料进行锻造；
(2)镦粗冲孔：在IN718合金棒材(φ250mm)的上下端面垫石棉，对其进行镦粗、冲孔，获得环形坯料；始锻造温度为1100℃，终锻温度为≥900℃；
(3)马架扩孔：将环形坯料进行马架扩孔，获得矩形坯料；始锻造温度为1040℃，终锻温度为≥900℃，变形量为17％；
(4)异形预轧：矩形坯料进行预轧前，先根据异形预轧芯辊模和异形预轧主辊模具将其高度分为上段、中段、下段，加热后进行异形预轧，开始预轧时，矩形坯料的中段先接触异形预轧主辊和异形预轧芯辊发生形变，上段和下段未接触，而随着预轧的进行，矩形坯料的中段壁厚逐渐减小，矩形坯料的中段壁厚逐渐减小，中段高度h2逐渐增大，下段高度h1和上段高度h3逐渐减小,上段和下段开始贴向异形预轧主辊和异形预轧芯辊，当坯料完全贴合异形预轧主辊和芯辊，坯料的外径达到要求尺寸，轧制完成，得异形预轧坯料；
异形预轧过程中，始锻造温度为1000℃，终锻温度为≥900℃，变形量为17％；
异形预轧过程中，矩形坯料的整体高度为h，矩形坯料下段的高度为h1、体积为k1，中段的高度为h2、体积为k2，上段的高度为h3、体积为k3；所述异形预轧坯料的整体高度为H，异形预轧坯料与矩形坯料相对应的下段、中段、上段的体积分别为V1、V2、V3，下段、中段、上段相对应的高度分别为H1、H2、H3；异形预轧后，k1＝V1，k2＝V2，k3＝V3，H＝h；如附图3所示；
(5)异形终轧：将异形预轧坯料异形预轧坯料在1000℃加热，保温t+180min(t指坯料中心的温度在加热时升高到加热温度下14℃所需时间)后，采用异形芯辊和异形主辊对上述异形预轧坯料进行异形终轧，终锻温度为≥900℃，变形量为25％；获得内径为φ517mm的双法兰高筒机匣环件。
实施例2
一种IN718合金双法兰高筒机匣环件的制造方法，包括以下步骤：
(1)异形预轧坯料的设计：按照最终锻件截面的体积分布，将最终锻件沿高度方向分为上、中、下3个部分，上部分的高度为最终锻件高度的23％，中部分的高度为最终锻件高度的53％，下部分的高度为最终锻件高度的24％，分别计算3个部分的体积；设计异形预轧坯料与最终锻件等高，按等体积的原则将异形预轧坯料分为上、中、下三部分，设计成内外径有凹槽的异形环坯料，如附图2所示；按照设计的异形预轧坯料进行锻造；
(2)镦粗冲孔：在IN718合金棒材(φ250mm)的上下端面垫石棉，对其进行镦粗、冲孔，获得环形坯料；始锻温度为1100℃，终锻温度为≥900℃；
(3)马架扩孔：将环形坯料进行马架扩孔，获得矩形坯料；始锻造温度为1040℃，终锻温度为≥900℃，变形量为15％；
(4)异形预轧：矩形坯料进行预轧前，先根据异形预轧芯辊模和异形预轧主辊模具将其高度分为上段、中段、下段，加热后进行异形预轧，开始预轧时，矩形坯料的中段先接触异形预轧主辊和异形预轧芯辊发生形变，上段和下段未接触，而随着预轧的进行，矩形坯料的中段壁厚逐渐减小，矩形坯料的中段壁厚逐渐减小，中段高度h2逐渐增大，下段高度h1和上段高度h3逐渐减小,上段和下段开始贴向异形预轧主辊和异形预轧芯辊，当坯料完全贴合异形预轧主辊和芯辊，坯料的外径达到要求尺寸，轧制完成，得异形预轧坯料；
异形预轧过程中，始锻造温度为1000℃，终锻温度为≥900℃，变形量为15％；
异形预轧过程中，矩形坯料的整体高度为h，矩形坯料下段的高度为h1、体积为k1，中段的高度为h2、体积为k2，上段的高度为h3、体积为k3；所述异形预轧坯料的整体高度为H，异形预轧坯料与矩形坯料相对应的下段、中段、上段的体积分别为V1、V2、V3，下段、中段、上段相对应的高度分别为H1、H2、H3；异形预轧后，k1＝V1，k2＝V2，k3＝V3，H＝h；
(5)异形终轧：将异形预轧坯料异形预轧坯料在1050℃加热，保温t+120min(t指坯料中心的温度在加热时升高到加热温度下14℃所需时间)后，采用异形芯辊和异形主辊对上述异形预轧坯料进行异形终轧，终锻温度为≥900℃，变形量为20％；获得内径为φ400mm的双法兰高筒机匣环件。
实施例3
一种IN718合金双法兰高筒机匣环件的制造方法，包括以下步骤：
(1)异形预轧坯料的设计：按照最终锻件截面的体积分布，将最终锻件沿高度方向分为上、中、下3个部分，上部分的高度为最终锻件高度的23％，中部分的高度为最终锻件高度的54％，下部分的高度为最终锻件高度的24％，分别计算3个部分的体积；设计异形预轧坯料与最终锻件等高，按等体积的原则将异形预轧坯料分为上、中、下三部分，设计成内外径有凹槽的异形环坯料，如附图2所示；按照设计的异形预轧坯料进行锻造；
(2)镦粗冲孔：在IN718合金棒材(φ250mm)的上下端面垫石棉，对其进行镦粗、冲孔，获得环形坯料；始锻温度为1100℃，终锻温度为≥900℃；
(3)马架扩孔：将环形坯料进行马架扩孔，获得矩形坯料；始锻造温度为1040℃，终锻温度为≥900℃，变形量为20％；
(4)异形预轧：矩形坯料进行预轧前，先根据异形预轧芯辊模和异形预轧主辊模具将其高度分为上段、中段、下段，加热后进行异形预轧，开始预轧时，矩形坯料的中段先接触异形预轧主辊和异形预轧芯辊发生形变，上段和下段未接触，而随着预轧的进行，矩形坯料的中段壁厚逐渐减小，矩形坯料的中段壁厚逐渐减小，中段高度h2逐渐增大，下段高度h1和上段高度h3逐渐减小,上段和下段开始贴向异形预轧主辊和异形预轧芯辊，当坯料完全贴合异形预轧主辊和芯辊，坯料的外径达到要求尺寸，轧制完成，得异形预轧坯料；
异形预轧过程中，始锻造温度为1000℃，终锻温度为≥900℃，变形量为20％；
异形预轧过程中，矩形坯料的整体高度为h，矩形坯料下段的高度为h1、体积为k1，中段的高度为h2、体积为k2，上段的高度为h3、体积为k3；所述异形预轧坯料的整体高度为H，异形预轧坯料与矩形坯料相对应的下段、中段、上段的体积分别为V1、V2、V3，下段、中段、上段相对应的高度分别为H1、H2、H3；异形预轧后，k1＝V1，k2＝V2，k3＝V3，H＝h；
(1)异形终轧：将异形预轧坯料异形预轧坯料在1100℃加热，保温t+30min(t指坯料中心的温度在加热时升高到加热温度下14℃所需时间)后，采用异形芯辊和异形主辊对上述异形预轧坯料进行异形终轧，终锻温度为≥900℃，变形量为25％；获得内径为φ650mm的双法兰高筒机匣环件。
对比例1
对比例1按照传统工艺制成与双法兰高筒机匣环件型面轮廓相似的异形预轧坯料，然后采用该异形预轧坯料终轧成型。该方法出现终轧变形量不足，最后锻件型面填充不充分，造成产品超差。
在此有必要指出的是，以上实施例和试验例仅限于对本发明的技术方案做进一步的阐述和理解，不能理解为对本发明的技术方案做进一步的限定，本领域技术人员作出的非突出实质性特征和显著进步的发明创造，仍然属于本发明的保护范畴。

Claims (4)

1.一种IN718合金双法兰高筒机匣环件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)异形预轧坯料的设计：按照截面体积分布，将最终锻件沿高度方向分为上、中、下3个部分，上部分的高度为最终锻件高度的23％，中部分的高度为最终锻件高度的53％，下部分的高度为最终锻件高度的24％，分别计算3个部分的体积；设计异形预轧坯料与最终锻件等高，按等体积的原则将异形预轧坯料分为上、中、下三部分，设计成内外径有凹槽的异形环坯料；按照设计的异形预轧坯料进行锻造；
(2)镦粗冲孔：在IN718合金棒材的上下端面垫石棉，对其进行镦粗、冲孔，获得环形坯料；
(3)马架扩孔：将环形坯料进行马架扩孔，获得矩形坯料；
(4)异形预轧：矩形坯料进行预轧前，先根据异形预轧芯辊模和异形预轧主辊模具将其高度分为上段、中段、下段，加热后进行异形预轧，开始预轧时，矩形坯料的中段先接触异形预轧主辊和异形预轧芯辊发生形变，上段和下段未接触，而随着预轧的进行，矩形坯料的中段壁厚逐渐减小，矩形坯料的中段壁厚逐渐减小，中段高度h2逐渐增大，下段高度h1和上段高度h3逐渐减小,上段和下段开始贴向异形预轧主辊和异形预轧芯辊，当坯料完全贴合异形预轧主辊和芯辊，坯料的外径达到要求尺寸，轧制完成，得异形预轧坯料；
(5)异形终轧：将异形预轧坯料加热后，采用异形芯辊和异形主辊对上述异形预轧坯料进行异形终轧，获得双法兰高筒机匣环件；
所述异形预轧，始锻造温度为1000℃，终锻温度为≥900℃，变形量为15-20％；
所述马架扩孔，始锻造温度为1040℃，终锻温度为≥900℃，变形量为15-20％；
所述异形终轧，终锻温度为≥900℃，变形量为20-25％；
所述的IN718合金双法兰高筒机匣环件的制造方法在制造内径为φ400-650mm的IN718合金双法兰高筒机匣环件中的应用。
2.如权利要求1所述的IN718合金双法兰高筒机匣环件的制造方法，其特征在于，所述镦粗冲孔，始锻温度为1100℃，终锻温度为≥900℃。
3.如权利要求1所述的IN718合金双法兰高筒机匣环件的制造方法，其特征在于，所述异形终轧，异形预轧坯料在1000℃～1100℃加热，保温t+30min～t+180min，t指坯料中心的温度在加热时升高到加热温度下14℃所需时间。
4.如权利要求1所述的IN718合金双法兰高筒机匣环件的制造方法，其特征在于，所述异形预轧，矩形坯料的整体高度为h，矩形坯料下段的高度为h1、体积为k1，中段的高度为h2、体积为k2，上段的高度为h3、体积为k3；所述异形预轧坯料的整体高度为H，异形预轧坯料与矩形坯料相对应的下段、中段、上段的体积分别为V1、V2、V3，下段、中段、上段相对应的高度分别为H1、H2、H3；异形预轧后，k1＝V1，k2＝V2，k3＝V3，H＝h。
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