CN112893722B - GH4720Li高温合金锻件快速成型的方法 - Google Patents

GH4720Li高温合金锻件快速成型的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及GH4720Li高温合金锻件快速成型的方法，属于材料成型及控制技术领域。GH4720Li高温合金锻件快速成型的方法，步骤为：a、准备：锻件设计单边余量9‑12mm；一次模锻过程棒料在模具型腔中的最小变形量在50％以上；棒料在常温下依次包覆涂有石墨的纤维布、硅酸铝保温棉和金属层；采用四段升温预热棒料；模芯预热至500‑650℃，模套预热至300‑400℃；模具准备好后，下模型腔依次铺盖涂石墨的纤维布和硅酸铝保温棉，将预热后的棒料放在模具型腔中，棒料上表面盖上涂有石墨的纤维布；b、锻造：压机在接触棒料后，锻造成形。本发明方法，锻件直接从棒料到模锻一火成型，缩短50％以上的锻造工序。

Description

GH4720Li高温合金锻件快速成型的方法
技术领域
本发明涉及材料成型及控制技术领域，主要涉及GH4720Li高温合金锻件快速成型的方法。
背景技术
GH4720Li高温合金是一种高强度、耐腐蚀和时效强化的镍基高温合金，该合金的合金化程度非常高，主要强化相γ’的形成元素Al和Ti含量之和高达7.5％，服役状态下γ’相的体积分数高达40％～50％，居变形高温合金之首，属于典型的难变形高温合金，该合金锻造过程中始锻温度和终锻温度之间的窗口只有50℃，锻造窗口温度狭窄，变形抗力大且塑性差，极易开裂。高温合金锻件通常的制备工艺为镦饼、加工定位孔和模锻，该工序周期长，且镦饼过程中存在不均匀变形，这种不均匀的组织对后续的模锻组织均匀性会产生影响，往往需要采用机械加工的方式去除不均匀组织，因此本发明旨在结合GH4720Li高温合金高温下的流变特点以及锻件结构形式，通过多种方式的综合应用来实现锻件的快速成型。
发明内容
针对现在GH4720Li高温合金锻件的制备工艺流程长的问题，本发明解决的第一个技术问题是提供一种GH4720Li高温合金锻件快速成型的方法。
GH4720Li高温合金锻件快速成型的方法，包括以下步骤：
a、准备工作：
①设计锻件：锻件设计单边余量为9～12mm；
②棒料规格的选择：保证一次模锻过程中，棒料在模具型腔中的最小变形量在50％以上；
③棒料的包套方式：首先，棒料在常温状态下包覆一块涂有石墨的纤维布，然后在纤维布外表面包裹一块硅酸铝保温棉，再在硅酸铝保温棉外表面用金属板封装固定；
④棒料预热：采用四段升温：将棒料升温至450～550℃下加热1～1.5h；再按照100～200℃/h的升温速率升温至750～850℃保温2.5～3.5h；再按50～150℃/h的升温速率升温至950～1050℃保温2.5～3.5h；然后再按照50～60℃/h的升温速率升温至1100～1140℃保温9.5～10.5h；得到预热后的棒料；
⑤模具的处理：模具使用组合模，模芯和模套分开预热，其中模芯预热至500～650℃，模套预热至300～400℃，在棒料出炉生产前30min内进行模具热装配；
模具准备好后，在下模型腔铺盖一层涂有石墨的纤维布，然后再盖上硅酸铝保温棉，将预热后的棒料放置在模具型腔中后，在棒料上表面盖一张涂有石墨的纤维布；
b、锻造：压机在接触棒料后，按照10～20mm/s的速度匀速锻造成形；
其中，所述涂有石墨的纤维布上，纤维布正反两面均涂有石墨，单面石墨厚度为0.1～0.4mm，纤维布厚度≤0.5mm；硅酸铝保温棉厚度为4～10mm；金属板厚度≤1mm。
在一种实施方式中，步骤a中，锻件设计单边余量为10mm。
在一种实施方式中，步骤a，涂有石墨的纤维布，其正反两面的石墨厚度均为0.2mm；纤维布厚度为0.3mm；硅酸铝保温棉为5mm；金属板厚度为0.8mm。
在一种实施方式中，步骤a中，在500℃下加热1～1.5h；再按照150℃/h的升温速率升温至800℃保温2.5～3.5h；再按100℃/h的升温速率升温至1000℃保温2.5～3.5h；然后再按照50～60℃/h的升温速率升温至1100～1120℃保温9.5～10.5h；优选的，在500℃下加热1h；再按照150℃/h的升温速率升温至800℃保温3h；再按100℃/h的升温速率升温至1000℃保温3h；再按照55℃/h的升温速率升温至1100～1120℃进行保温10h。
在一种实施方式中，步骤a中，模芯预热至600℃，模套预热至350℃。
在一种实施方式中，步骤a中，模具准备好后，纤维布铺盖在下模型腔中，硅酸铝保温棉铺盖在设计好的定位槽中及除定位斜面外的其余型腔中。
在一种实施方式中，步骤a中，所述金属板为铁皮或钢板。
在一种实施方式中，步骤b中，压机在接触棒料后，按照15mm/s的速度匀速锻造成形。
在一种实施方式中，棒料在模具中的定位结构：采用在模具上设计沉孔定位槽，再修整棒料的一侧端头用来匹配模具的定位槽。
本发明的有益效果：
1、本发明提供了一种GH4720Li高温合金锻件快速成型的方法，该方法制得的高温合金锻件晶粒度更细更均匀，均匀性好，塑性好，不易开裂。
2、本发明的方法，锻件可以直接从棒料到模锻一火成型，省去镦饼、机加中间工序；通过本方法能够实现如GH4720Li等难变形高温合金的快速成型，缩短50％以上的锻造工序。
附图说明
图1为某盘前封严环设计简图；
图2为某盘前封严环变形分布图，右侧为等效应变(mm/mm)：其中：Min：0.176；Max:3.42；
图3为棒料包套截面示意图；
图4为棒料包套截面放大图；
图5为棒料的加热曲线；t的单位为分钟；
图6为锻件、模具的保温、润滑示意图；
图7为模具润滑及保温细节三维示意图；
图8为棒料、模具快速定位设计图；
图9为定位三维示意图；
图10为定位细节三维示意图；
图11为锻件的晶粒度照片；
图12为锻件成品实物图。
附图标记：
1-0.8mm厚钢板；2：5mm保温棉；3-0.3mm纤维布；4-0.2mm厚石墨；
5-首件；6-尾件；7-石墨纤维布；8-石墨纤维布、保温棉、铁皮组成的包套层；
9-保温棉石墨纤维布；10-提前压实的石墨纤维布、保温棉；
11-GH4720Li棒料；12-上模；13-下模；14-5mm厚保温棉；
15-纤维布；16-纤维布两面各有0.2mm厚石墨(黑)；
17-第二底面；18-第一底面；19-第一斜面；20-第一型腔面；21-第二斜面。
具体实施方式
GH4720Li高温合金锻件快速成型的方法，包括以下步骤：
a、准备工作：
①设计锻件：锻件设计单边余量为9～12mm；
在现有技术中，单边余量通常为8mm，本发明根据锻件特点，单边余量厚度不一，适当增加了单边余量，其目的是为了防止锻件冷模层出现在锻件深度及表面可能产生的裂纹深度。
②棒料规格的选择：保证一次模锻过程中，棒料在模具型腔中的最小变形量在50％以上；
如果变形量低，会导致锻件各项力学性能低，晶粒较粗大。
③棒料的包套方式：首先，棒料在常温状态下包覆一块涂有石墨的纤维布，然后在纤维布外表面包裹一块硅酸铝保温棉，再在硅酸铝保温棉外表面用金属板封装固定；
现有技术中，包套方式仅仅是采用一层保温棉，外面用铁皮包裹。而如果采用现有包套方式入炉加热后，会因为缺乏润滑层致使生产过程中摩擦太大，影响成型和模具寿命。
④棒料预热：采用四段升温：将棒料升温至450～550℃下加热1～1.5h；再按照100～200℃/h的升温速率升温至750～850℃保温2.5～3.5h；再按50～150℃/h的升温速率升温至950～1050℃保温2.5～3.5h；然后再按照50～60℃/h的升温速率升温至1100～1140℃保温9.5～10.5h；得到预热后的棒料；
本发明棒料预热方法需要进行四段升温，若不按程序升温，会导致锻件升温不均匀对组织有影响，同时产生内部应力导致棒料出现裂纹。
⑤模具的处理：模具使用组合模，模芯和模套分开预热，其中模芯预热至500～650℃，模套预热至300～400℃，在棒料出炉生产前30min内进行模具热装配；
如果模具温度较低，锻件的温降会很快，最终导致锻件表面裂纹，力学性能差、组织不合，锻件冷模层厚。
优选的，模芯采用高温合金制成，在一种具体实施方式中，模芯使用GH4698材料制成，该材料在高温条件下仍能有较好性能。
模具准备好后，在下模型腔铺盖一层涂有石墨的纤维布，然后再盖上硅酸铝保温棉，将预热后的棒料放置在模具型腔中后，在棒料上表面盖一张涂有石墨的纤维布；
b、锻造：压机在接触棒料后，按照10～20mm/s的速度匀速锻造成形；
其中，所述涂有石墨的纤维布上，纤维布正反两面均涂有石墨，单面石墨厚度为0.1～0.4mm，纤维布厚度≤0.5mm；硅酸铝保温棉厚度为4～10mm；金属板厚度≤1mm。
在一种实施方式中，步骤a中，锻件设计单边余量为10mm。
在一种实施方式中，步骤a，涂有石墨的纤维布，其正反两面的石墨厚度均为0.2mm；纤维布厚度为0.3mm；硅酸铝保温棉为5mm；金属板厚度为0.8mm。
在一种实施方式中，步骤a中，在500℃下加热1～1.5h；再按照150℃/h的升温速率升温至800℃保温2.5～3.5h；再按100℃/h的升温速率升温至1000℃保温2.5～3.5h；然后再按照50～60℃/h的升温速率升温至1100～1120℃保温9.5～10.5h；优选的，在500℃下加热1h；再按照150℃/h的升温速率升温至800℃保温3h；再按100℃/h的升温速率升温至1000℃保温3h；再按照55℃/h的升温速率升温至1100～1120℃进行保温10h。
在一种实施方式中，步骤a中，模芯预热至600℃，模套预热至350℃。
为了定位更稳固，在一种实施方式中，步骤a中，模具准备好后，纤维布铺盖在下模型腔中，硅酸铝保温棉铺盖在设计好的定位槽中及除定位斜面外的其余型腔中。
在一种实施方式中，步骤a中，所述金属板为铁皮或钢板。
在一种实施方式中，步骤b中，压机在接触棒料后，按照15mm/s的速度匀速锻造成形。
在一种实施方式中，棒料在模具中的定位结构：采用在模具上设计沉孔定位槽，再修整棒料的一侧端头用来匹配模具的定位槽。
现有技术常用的定位方式是：在模具上设计一个定位凸台，在坯料上设计一个相应的凹槽，二者匹配完成定位。以往的方式需要对坯料进行机加工定位孔，不适用锻件的短流程生产，本方案可以省去该步骤。
其中，定位结构的定位深度、定位直径、定位斜度根据锻件及棒料的不同进行确定。
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
根据某GH4720Li盘锻件特点，选用单边10mm的锻件设计余量，设计简图如图1所示；
根据GH4720Li盘锻件重量及成形规律，选用φ200mm规格的GH4720Li高温合金棒料，在一次模锻过程中棒料在模具型腔中的最小变形量在50％以上，零件本体变形量在60％及以上；其中，变形量计算根据DEFORM软件模拟得出的变形量x，再按照ex-1计算得出；变形分布图如图2所示。
GH4720Li盘棒料采用复合包套方式，如图3、图4所示，首先棒料在常温状态下包裹一块正反两面分别涂有0.2mm厚石墨的纤维布，纤维布厚度为0.3mm，然后在纤维布外表面再包裹一块厚度为5mm的硅酸铝保温棉，最后在外表面用0.8mm厚的铁皮将包裹好的盘前封严环棒料封装并点焊固定。
GH4720Li盘前封严环棒料采用4段式、缓慢加热至1110℃，保证棒料热透，具体加热方式为：棒料在500℃下加热1h；再按照150℃/h的升温速率升温至800℃保温3h；再按100℃/h的升温速率升温至1000℃保温3h；再按照55℃/h的升温速率升温至1100～1120℃进行保温10h。
加热过程图如图5所示。其中，图中所示首件指生产的第一件，尾件指生产的最后一件，中间的1h是预计用于生产本批次全部数量的最长用时。图中“≥1040℃”是指棒料进入压机，完成锻造后立即测量的锻件温度需≥1040℃。
GH4720Li盘前封严环锻件所使用的模具为组合模，模芯和模套分开预热，其中模芯预热至600℃，模套预热至350℃。在GH4720Li高温合金棒料出炉生产前半小时进行模具热装配。
模芯、模套装配完成后，在下模型腔铺盖一层正反两面涂有0.2mm厚石墨的纤维布，再铺盖经过裁剪的5mm厚的硅酸铝保温棉在设计好的定位槽中及除定位斜面外的其余型腔中，如图7所示。准备工作完成后使用一规格为
Figure GDA0003890482370000051
的棒料至于定位槽中，压机加载100Mpa的载荷将保温棉压实后取出假料。
预热后的棒料出炉后放置在模具型腔中后，在棒料上表面盖一张正反两面涂有0.2mm厚石墨的纤维布，如图6所示。
为实现GH4720Li盘的一次变形成功，需要根据模具型腔，有针对性的设计适合棒料的定位结构，如图9和图10所示。本发明定位方案，在模具上设计沉孔定位槽，棒料匹配模具定位槽修整一侧端头。本发明的定位结构可以实现快速、稳定的定位。定位结构设计综合考虑了棒料的复合包套与模具的保温润滑措施带来的定位干扰，并配合使用分体保温棉的方式将定位处的干扰降到最低以保证锻件实现快速、准确定位。
本实施例的定位结构的定位深度、定位直径、定位斜度设计如图8所示：所述定位槽具有第一底面18、第一斜面19和第一型腔面20，所述第一底面18和第一型腔面20通过第一斜面19连接。第一底面18与第一斜面19形成定位槽，并且第一斜面19与水平面的夹角为70°，定位槽的第一斜面19与定位槽的第一底面18通过半径为5mm的圆角过渡，定位槽的第一斜面19与第一型腔面20通过半径为10mm的圆角过渡，所述定位槽第一底面18直径为185mm。
棒料修整一侧端头，使其与定位槽相适配，所述端头具有对应定位槽第一底面18的第二底面17，对应定位槽第一斜面19的第二斜面21，所述第二底面17的直径为180mm，第二斜面21与水平面的夹角为60°，第二斜面21与第二底面17通过半径为10mm的圆角过渡。
压机在接触棒料后，按照15mm/s的速度匀速锻造成形。
所制得的锻件经理化检测，发现锻件晶粒度在9.0～9.5级，晶粒度照片见图11，锻件表面实物图见图12。可见，锻件表面无裂纹，质量优异。

Claims (9)

1.GH4720Li高温合金锻件快速成型的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、准备工作：
①设计锻件：锻件设计单边余量为9～12mm；
②棒料规格的选择：保证一次模锻过程中，棒料在模具型腔中的最小变形量在50％以上；
③棒料的包套方式：首先，棒料在常温状态下包覆一块涂有石墨的纤维布，然后在纤维布外表面包裹一块硅酸铝保温棉，再在硅酸铝保温棉外表面用金属板封装固定；
④棒料预热：采用四段升温：将步骤③包套后的棒料升温至500℃下保温1～1.5h；再按照150℃/h的升温速率升温至800℃保温2.5～3.5h；再按100℃/h的升温速率升温至1000℃保温2.5～3.5h；然后再按照50～60℃/h的升温速率升温至1100～1120℃保温9.5～10.5h，得到预热后的棒料；
⑤模具的处理：模具使用组合模，模芯和模套分开预热，其中模芯预热至500～650℃，模套预热至300～400℃，在棒料出炉生产前30min内进行模具热装配；
模具准备好后，在下模型腔铺盖一层涂有石墨的纤维布，然后再盖上硅酸铝保温棉，将预热后的棒料放置在模具型腔中后，在棒料上表面盖一张涂有石墨的纤维布；
b、锻造：压机在接触棒料后，按照10～20mm/s的速度匀速锻造成形；
其中，所述涂有石墨的纤维布上，纤维布正反两面均涂有石墨，单面石墨厚度为0.1～0.4mm，纤维布厚度≤0.5mm；硅酸铝保温棉厚度为4～10mm；金属板厚度≤1mm。
2.根据权利要求1所述的GH4720Li高温合金锻件快速成型的方法，其特征在于，步骤a中，锻件设计单边余量为10mm。
3.根据权利要求1所述的GH4720Li高温合金锻件快速成型的方法，其特征在于，步骤a，涂有石墨的纤维布，其正反两面的石墨厚度均为0.2mm，纤维布厚度为0.3mm；硅酸铝保温棉为5mm；金属板厚度为0.8mm。
4.根据权利要求1所述的GH4720Li高温合金锻件快速成型的方法，其特征在于，步骤a中，将步骤③包套后的棒料升温至500℃下保温1h；再按照150℃/h的升温速率升温至800℃保温3h；再按100℃/h的升温速率升温至1000℃保温3h；再按照55℃/h的升温速率升温至1100～1120℃进行保温10h。
5.根据权利要求1所述的GH4720Li高温合金锻件快速成型的方法，其特征在于，步骤a中，模芯预热至600℃，模套预热至350℃。
6.根据权利要求1所述的GH4720Li高温合金锻件快速成型的方法，其特征在于，步骤a中，模具准备好后，纤维布铺盖在下模型腔中，硅酸铝保温棉铺盖在设计好的定位槽中及除定位斜面外的其余型腔中。
7.根据权利要求1所述的GH4720Li高温合金锻件快速成型的方法，其特征在于，步骤a中，所述金属板为铁皮或钢板。
8.根据权利要求1所述的GH4720Li高温合金锻件快速成型的方法，其特征在于，步骤b中，压机在接触棒料后，按照15mm/s的速度匀速锻造成形。
9.根据权利要求1所述的GH4720Li高温合金锻件快速成型的方法，其特征在于，棒料在模具中的定位结构：采用在模具上设计沉孔定位槽，再修整棒料的一侧端头用来匹配模具的定位槽。
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