CN113458308B

CN113458308B - 一种实现超大型涡轮盘锻件的极限成形方法

Info

Publication number: CN113458308B
Application number: CN202110722553.8A
Authority: CN
Inventors: 姚志浩; 姚凯俊; 董建新
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2021-06-28
Filing date: 2021-06-28
Publication date: 2022-04-05
Anticipated expiration: 2041-06-28
Also published as: CN113458308A

Abstract

本发明涉及一种实现超大型涡轮盘锻件的极限成形方法，该方法使用双联熔炼工艺或三联熔炼工艺制备的高温合金铸锭进行均匀化开坯处理，再将获得圆柱坯加热后转移至压力机上镦粗，将镦粗坯加热后转移至预模锻下模具上，对正镦粗坯中心与下模具中心放置，驱动压力机对镦粗坯进行中间部分的预模锻成形；将锻坯回炉加热后转移至终模锻下模具上，对正锻坯中心与下模具中心放置，驱动压力机对锻坯进行边缘部位的终模锻成形，整个转移过程均使用包套保温。通过设计合理的上下模模具形状实现合金定向流动充形模具，确保锻件最终形状尺寸符合精度要求；同时实现对锻件微观组织的精细控制，制造出组织性能优良的合格涡轮盘锻件，具有广泛应用前景。

Description

一种实现超大型涡轮盘锻件的极限成形方法

技术领域

本发明属于金属材料加工成形技术领域，尤其涉及超大型涡轮盘锻件的极限成形方法。

背景技术

燃气轮机是一种先进而复杂的成套动力机械装备，主要包括压气机、燃烧室和涡轮盘三个核心部件，其中涡轮盘是承受高温、大应力的核心热端部件，需要长时间承受各种应力，工作环境十分恶劣。燃气轮机涡轮盘常使用高温合金作为原材料，其所含的合金元素较多，铸造偏析程度和变形抗力较大，所以对于热加工过程控制要求极其严格。大功率重型燃气轮机需要更大尺寸的高温合金涡轮盘进行承载，但超大型高温合金燃气轮机涡轮盘制造难度极大，生产过程中除达到成分、组织、性能均匀外，还需要考虑机械加工的设备能力。

涡轮盘锻造主要有自由锻和模锻两种工艺，自由锻经济性较好，但模锻件的性能较好，用热模锻造方法生产高温合金涡轮盘，可提高盘锻件不同部位组织一致性。但限制我国大型重燃机用涡轮盘热模锻工艺发展的一个重要因素是锻压设备能力不足。2013年，我国自主设计研制的世界最大的8万吨模锻液压机投入生产，并已经成功实现GH4738合金直径1.5m盘件、GH4706合金直径2m盘件的热模锻生产。但是对于直径更大、材料合金化程度更高的高温合金涡轮盘来说，满足其热锻工艺生产所需要的锻压能力和模具强度仍然是一个十分严峻的考验。

发明内容

本发明的目的在于提供超大型涡轮盘锻件的极限成形方法，一方面解决超大型涡轮盘热模锻过程中载荷超出设备额定压力的问题，同时可以保护模具不在高应力状态下开裂破损，另一方面可确保获得形状尺寸精确、组织性能优良的超大型涡轮盘锻件。

本发明的技术方案如下：一种实现超大型涡轮盘锻件的极限成形方法，该方法对高温合金铸锭进行均匀化开坯处理，获得合金圆柱坯；将圆柱坯加热后转移至压力机上镦粗成镦粗坯，将镦粗坯加热后转移至预模锻下模具上，对镦粗坯进行中间部分的预模锻成形；将锻坯回炉加热后转移至终模锻下模具上，再对锻坯进行边缘部位的终模锻成形，得到超大型涡轮盘锻件。

进一步，所述方法包括如下步骤：

S1)将使用双联熔炼工艺或三联熔炼工艺制备的高温合金铸锭进行均匀化开坯处理，获得高质量高温合金圆柱坯；

S2)将S1)得到的圆柱坯按照一定加热规范加热至锻造温度，然后进行镦粗，镦粗过程为一火次或多火次完成，每火次结束后，需回炉加热至锻造温度；镦粗结束后空冷至室温，得到镦粗坯；

S3)将S2)得到的镦粗坯按照一定加热规范加热至锻造温度，然后转移至预模锻下模具上，驱动压力机对镦粗坯进行中间部分的模锻成形；

S4)将S3)得到的锻坯回炉加热，然后转移至终模锻下模具上，驱动压力机对锻坯进行边缘部分的模锻成形，得到超大型涡轮盘锻件。

进一步，所述S1)中的高温合金铸锭的各个组分的质量百分比为：Ni50.0～55.0，Cr 17.0～21.0，Nb 5.00～5.50，Ti 0.65～1.15，Al 0.20～0.80，C0.02～0.06，Co 0～1.00，Mo 2.80～3.30，Mn≤0.35，Si≤0.35，Cu≤0.35，P≤0.015，S≤0.015，Mg≤0.005，B≤0.005，余量为Fe。

进一步，所述S1)中的双联熔炼工艺为真空感应熔炼+真空自耗重溶，或真空感应熔炼+电渣重溶；所述S1)中三联熔炼工艺为真空感应熔炼+电渣重溶+真空自耗重溶。

进一步，所述S2)具体步骤为：

S2.1)将S1)得到的圆柱坯加热，加热炉温度控制在700～750℃，加热5～6h，再调节加热炉温度至1030～1050℃，加热10～15h；

S2.2)将S2.1)加热后的圆柱坯取出，包覆石棉保温材料，坯料与保温材料之间采用高温粘结剂胶结，保温材料厚度5～10mm，包套后的圆柱坯继续回炉保温4～7h；

S2.3)将S2.2)回炉加热后的圆柱坯取出，5min之内转移至自由锻模具上进行自由锻镦粗，模具温度不低于350℃，压下量为圆柱坯原始高度的10％～40％，压下速度为10～20mm/s；

S2.4)将S2.3)自由锻镦粗后的镦粗坯取下，清除保温材料；

S2.5)若为一火次镦粗，则将S2.4)的镦粗坯空冷至室温；若为多火次镦粗，则继续重复S2.2)～S2.4)过程，再将镦粗坯空冷至室温；总的压下量为圆柱坯原始高度的30％～40％后结束镦粗；若镦粗后出现表面开裂，必须将开裂处车削去除。

进一步，所述S3)具体步骤为：

S3.1)将S2.5)得到的镦粗坯加热，加热炉温度控制在700～750℃，加热4～7h，再调节加热炉温度至1030～1050℃，加热13～15h；

S3.2)将S3.1)加热后的镦粗坯取出，包覆石棉保温材料，坯料与保温材料之间采用高温粘结剂胶结，保温材料厚度5～10mm，包套后的圆柱坯继续回炉保温4～7h；

S3.3)将S3.2)回炉加热后的镦粗坯取出，5min之内转移至预模锻模具上，放置时确保镦粗坯中心与下模具中心对正，进行镦粗坯的中间部分模锻成形，模具温度不低于350℃，压下量为圆柱坯原始高度的40％～50％，压下速度为10～20mm/；

S3.4)将S3.3)预模锻成形后的锻坯取下，清除保温材料。

进一步，所述S3.3)中的预模锻模具的成形部位形状为带有倒圆的凸台，其直径与镦粗坯的上下表面的直径相近。

进一步，所述S4)具体步骤为：

S4.1)将S3.4)得到的锻坯再重新包覆新的保温材料，回炉加热4～7h；

S4.2)将S4.1)回炉加热后的锻坯取出，5min之内转移至终模锻模具上，放置时确保锻坯中心与下模具中心对正，进行锻坯的边缘部分模锻成形，模具温度不低于350℃，压下量为圆柱坯原始高度的15％～25％，其中前10％～20％压下量的压下速度为10～20mm/s，最后5％压下量的压下速度为1～2mm/s；

S4.3)将S4.2)终模锻成形后的锻件取下，清除保温材料，空冷至室温。

进一步，所述S3.3)中的终模锻模具的成形部位形状为带有限流凸起的凹台，其限流凸起位置的直径与预模锻模具凸台直径相近。

与现有单次成形的技术相比，本发明具有的有益效果是：

(1)本发明适用于超大型涡轮盘锻件的极限锻造成形，分步锻造的设计降低了锻造载荷，解决了难变形高温合金成形力大于设备额定压力的问题，提高了设备的生产效率；

(2)本发明通过设计合理的上下模模具形状，实现合金定向流动充形模具，确保锻件最终形状尺寸符合精度要求；同时实现对锻件微观组织的精细控制，制造出组织性能优良的合格涡轮盘锻件，具有广泛应用前景。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1为本发明锻造过程流程示意图；

图2为实施例中预模锻上下模具形状示意图；

图3为实施例中终模锻上下模具形状示意图；

图4为实施例中传统锻造与分布锻造终模锻载荷对比示意图；

图5为实施例中最终锻件晶粒尺寸大小示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明一种实现超大型涡轮盘锻件的极限成形方法，该方法将对高温合金铸锭进行均匀化开坯处理，获得合金圆柱坯；将圆柱坯加热后转移至压力机上镦粗成镦粗坯，将镦粗坯加热后转移至预模锻下模具上，对镦粗坯进行中间部分的预模锻成形；将锻坯回炉加热后转移至终模锻下模具上，再对锻坯进行边缘部位的终模锻成形，得到超大型涡轮盘锻件，如图5所示。

所述方法包括如下步骤：

所述S1)中的高温合金铸锭的各个组分的质量百分比为：Ni 50.0～55.0，Cr 17.0～21.0，Nb 5.00～5.50，Ti 0.65～1.15，Al 0.20～0.80，C 0.02～0.06，Co 0～1.00，Mo2.80～3.30，Mn≤0.35，Si≤0.35，Cu≤0.35，P≤0.015，S≤0.015，Mg≤0.005，B≤0.005，余量为Fe。

所述S1)中的双联熔炼工艺为真空感应熔炼+真空自耗重溶，或真空感应熔炼+电渣重溶；所述S1)中的三联熔炼工艺为真空感应熔炼+电渣重溶+真空自耗重溶。

所述S2)具体步骤为：

S2.4)将S2.3)自由锻镦粗后的镦粗坯取下，清除保温材料；

所述S3)具体步骤为：

S3.1)将S2.5)得到的镦粗坯加热，加热炉温度控制在700～750℃，加热5～6h，再调节加热炉温度至1030～1050℃，加热13～15h；

S3.4)将S3.3)预模锻成形后的锻坯取下，清除保温材料。

所述S3.3)中的预模锻模具的成形部位形状为带有倒圆的凸台，其直径与镦粗坯的上下表面的直径相近。

所述S4)具体步骤为：

所述S3.3)中的终模锻模具的成形部位形状为带有限流凸起的凹台，其限流凸起位置的直径与预模锻模具凸台直径相近。

实施例以GH4169超大型涡轮盘分步锻造成形数值模拟为例，来说明该方法的具体实施方式：

该高温合金的主要化学成分含量(质量分数)为Ni 50.0～55.0，Cr17.0～21.0，Nb5.00～5.50，Ti 0.65～1.15，Al 0.20～0.80，C 0.02～0.06，Co 0～1.00，Mo 2.80～3.30，其他元素Mn≤0.35、Si≤0.35、Cu≤0.35，P≤0.015、S≤0.015，Mg≤0.005，、B≤0.005，余量为Fe。

GH4169超大型涡轮盘分步锻造成形，包括如下步骤，全部过程如图1所示：

(1)获得均匀圆柱坯：使用真空感应熔炼+真空自耗重溶的熔炼工艺制备GH4169合金铸锭，然后按照工艺规范进行均匀化开坯处理，获得高质量GH4169合金圆柱坯，尺寸规格为φ1000mm×1930mm；

(2)进行第一次镦粗：将步骤(1)得到的圆柱坯加热，加热规范为700±5℃/8h+1040±5℃/14h，取出后使用高温粘结剂胶结包覆10mm厚石棉保温材料，继续回炉保温6h；然后转移至压力机上，转移过程需要在5min内完成，同时避免包套掉落或破损；第一次镦粗模具温度为400℃，压下量为300mm，压下速度为20mm/s；镦粗后清除保温材料。

(3)进行第二次镦粗：将步骤(2)得到的镦粗坯重新包覆新的保温材料后立即回炉加热5h，然后再次转移至压力机上，转移过程需要在5min内完成，同时避免包套掉落或破损；第二次镦粗模具温度为400℃，压下量为400mm，压下速度为20mm/s；镦粗后清除保温材料，然后空冷至室温；镦粗后出现表面开裂，将开裂处车削去除。

(4)进行预模锻成形：将步骤(3)得到的镦粗坯加热，加热规范为700±5℃/8h+1040±5℃/14h，取出后使用高温粘结剂胶结包覆10mm厚石棉保温材料，继续回炉保温6h；然后转移至压力机上，转移过程需要在5min内完成，同时避免包套掉落或破损；预模锻进行中间部分的模锻成形，上下模具形状如图2，该模具的中心位置的凸台可将锻坯中间部分一次性完全成形；放置于下模具时确保锻坯中心与下模具中心对正，模具温度为400℃，压下量为926mm，压下速度为20mm/s；预模锻成形后清除保温材料。

(5)进行终模锻成形：将步骤(4)得到的锻坯重新包覆新的保温材料后立即回炉加热4h，然后再次转移至压力机上，转移过程需要在5min内完成，同时避免包套掉落或破损；终模锻进行边缘部分的模锻成形，上下模具形状如图3，该模具的凹台对锻坯的边缘部分进行成形，同时限流凸起限制锻坯边缘位置的合金向中间位置锻造流动；放置于下模具时确保锻坯中心与下模具中心对正，模具温度为400℃，压下量为395mm，前295mm压下量的压下速度为20mm/s，后100mm压下量的压下速度为2mm/s；终模锻成形后清除保温材料，然后空冷至室温。

从图4和图5锻造的最终结果可看出，同传统分段锻造相比，分布锻造的优势在于极大程度地降低载荷，同时可以保证最终锻件成品的微观组织结构优良，具有广泛应用前景。

以上对本申请实施例所提供的一种实现超大型涡轮盘锻件的极限成形方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims

1.一种实现超大型涡轮盘锻件的极限成形方法，其特征在于，该方法对高温合金铸锭进行均匀化开坯处理，获得合金圆柱坯；将圆柱坯加热后转移至压力机上自由锻造成镦粗坯，将镦粗坯加热后转移至预模锻下模具上，对镦粗坯进行中间部分的预模锻成形；将锻坯回炉加热后转移至终模锻下模具上，再对锻坯进行边缘部分的终模锻成形，得到超大型涡轮盘锻件，所述方法包括如下步骤：

S1) 将使用双联熔炼工艺或三联熔炼工艺制备的高温合金铸锭进行均匀化开坯处理，获得高质量高温合金圆柱坯；

所述S1) 中的高温合金铸锭的各个组分的质量百分比为：Ni 50.0~55.0，Cr 17.0~21.0，Nb 5.00~5.50，Ti 0.65~1.15，Al 0.20~0.80，C 0.02~0.06，Co 0~1.00，Mo 2.80~3.30，Mn≤0.35，Si≤0.35，Cu≤0.35，P≤0.015，S≤0.015，Mg≤0.005，B≤0.005，余量为Fe，

S2) 将S1) 得到的圆柱坯按照一定加热规范加热至锻造温度，然后进行镦粗，镦粗过程为一火次或多火次完成，每火次结束后，需回炉加热至锻造温度；镦粗结束后空冷至室温，得到镦粗坯；

S3) 将S2) 得到的镦粗坯按照一定加热规范加热至锻造温度，然后转移至预模锻下模具上，驱动压力机对镦粗坯进行中间部分的模锻成形；

具体步骤为：

S3.1)将得到的镦粗坯加热，加热炉温度控制在700~750℃，加热5~6h，再调节加热炉温度至1030~1050℃，加热13~15h；

S3.2) 将S3.1) 加热后的镦粗坯取出，包覆保温材料，镦粗坯与保温材料之间采用高温粘结剂胶结，保温材料厚度5~10mm，包套后的镦粗坯继续回炉保温4~7h；

S3.3) 将S3.2) 回炉加热后的镦粗坯取出，5min之内转移至预模锻模具上，放置时确保镦粗坯中心与下模具中心对正，进行镦粗坯的中间部分模锻成形，模具温度不低于350℃，压下量为圆柱坯原始高度的40%~50%，压下速度为10~20mm/；所述预模锻模具的成形部位形状为带有倒圆的凸台，其直径与镦粗坯的上下表面的直径相近，

S3.4) 将S3.3) 预模锻成形后的锻坯取下，清除保温材料，

S4) 将S3) 得到的锻坯回炉加热，然后转移至终模锻模具上，驱动压力机对锻坯进行边缘部分的模锻成形，得到超大型涡轮盘锻件；

具体步骤为：

S4.1) 将得到的锻坯再重新包覆新的保温材料，回炉加热4~7h；

S4.2) 将S4.1) 回炉加热后的锻坯取出，5min之内转移至终模锻模具上，放置时确保锻坯中心与下模具中心对正，进行锻坯的边缘部分模锻成形，模具温度不低于350℃，压下量为圆柱坯原始高度的15%~25%，

所述终模锻模具的成形部位形状为带有限流凸起的凹台，其限流凸起位置的直径与预模锻模具凸台直径相近，

压下量的控制为前10%~20%压下量的压下速度为10~20mm/s，最后5%压下量的压下速度为1~2mm/s，

S4.3) 将S4.2) 终模锻成形后的锻件取下，清除保温材料，空冷至室温。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1) 中的双联熔炼工艺为真空感应熔炼+真空自耗重溶，或真空感应熔炼+电渣重溶；

所述S1) 中的三联熔炼工艺为真空感应熔炼+电渣重溶+真空自耗重溶。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S2) 具体步骤为：

S2.1) 将S1) 得到的圆柱坯加热，加热炉温度控制在700~750℃，加热5~6h，再调节加热炉温度至1030~1050℃，加热10~15h；

S2.2) 将S2.1) 加热后的圆柱坯取出，包覆石棉保温材料，坯料与保温材料之间采用高温粘结剂胶结，保温材料厚度5~10mm，包套后的圆柱坯继续回炉保温4~7h；

S2.3) 将S2.2) 回炉加热后的圆柱坯取出，5min之内转移至自由锻模具上进行自由锻镦粗，模具温度不低于350℃，压下量为圆柱坯原始高度的10%~40%，压下速度为10~20mm/s；

S2.4) 将S2.3) 自由锻镦粗后的镦粗坯取下，清除保温材料；

S2.5) 若为一火次镦粗，则将S2.4) 的镦粗坯空冷至室温；若为多火次镦粗，则继续重复S2.2) ~ S2.4) 过程，再将镦粗坯空冷至室温；总的压下量为圆柱坯原始高度的30%~40%后结束镦粗；若镦粗后出现表面开裂，必须将开裂处车削去除。