CN114054533A - 一种高材料利用率的挤压坯及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高材料利用率的挤压坯及其制造方法，属于金属加工技术领域，解决了现有技术中的大直径镍基合金棒料挤压过程中变形不均匀、镍基合金材料利用率低的问题。所述挤压坯包括预挤压坯、设置在所述预挤压坯头部的第一挤压部和设置在所述预挤压坯尾部的第二挤压部；所述第一挤压部用于改善预挤压坯的头部应力；所述第二挤压部用于改善预挤压坯的尾部缩尾；所述第一挤压部和所述第二挤压部与所述预挤压坯的变形温度区间相同或相近。本发明的高材料利用率的挤压坯挤压时预挤压坯的材料利用率显著提高。

Description

一种高材料利用率的挤压坯及其制造方法

技术领域

本发明涉及金属加工技术领域，尤其涉及一种高材料利用率的挤压坯及其制造方法。

背景技术

航空航天用镍基合金棒料对组织均匀性、晶粒尺寸、晶粒度级差等具有非常高的要求，目前国内大规格镍基合金棒料一般采用快锻的方式生产。由于镍基合金棒料在挤压过程中应力状态复杂，其应力的不均匀性会对组织控制带来很大的影响，尤其是坯料整体组织的不均匀性，都将增加镍基合金热挤压过程的组织控制难度。

发明人在生产过程中发现镍基合金棒料挤压时头部一部分区域为自由面，变形量很小，尾部未完全通过挤压模的变形区及定径带，从而保留了较多的坯料组织，如此，会造成挤压后镍基合金棒料的头部、尾部与中间部分的晶粒度级差大于2级，难以满足航空航天用细晶棒料的要求。供货时需切除首尾两端一部分棒料，导致材料利用率较低，由于高温合金中镍、铬、钼等昂贵金属较多，从而造成生产成本居高不下。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种高材料利用率的挤压坯及其制造方法，用以解决现有技术中大直径镍基合金棒料挤压过程中变形不均匀、镍基合金材料利用率低的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明公开了一种高材料利用率的挤压坯，所述挤压坯包括预挤压坯、设置在所述预挤压坯头部的第一挤压部和设置在所述预挤压坯尾部的第二挤压部；

所述第一挤压部用于改善预挤压坯的头部应力；

所述第二挤压部用于改善预挤压坯的尾部缩尾；

所述第一挤压部和所述第二挤压部与所述预挤压坯的变形温度区间相同或相近。

进一步的，所述预挤压坯为圆柱形，所述第一挤压部为圆柱形垫片，所述第二挤压部为圆环形垫片；所述预挤压坯的材料为镍基合金，所述第一挤压部和第二挤压部的材料为不锈钢。

进一步的，所述第一挤压部的直径等于预挤压坯的直径D。

进一步的，所述第一挤压部的高度H₁为1/15～1/6D，其中，D为预挤压坯的直径。

进一步的，所述第二挤压部的高度H₂满足下式：

式中：α为挤压模的模角；λ为挤压比；x为定径带的长度；R为预挤压坯2的半径，η为第二挤压部的内径与预挤压坯的直径的比值。

进一步的，所述第二挤压部的高度为100～300mm。

进一步的，所述第二挤压部的内径为预挤压坯的直径的1/4～1/2。

进一步的，所述第一挤压部的一端进行倒圆角，所述圆角的半径为r20～r50mm。

另一方面，本发明还提供了一种高材料利用率的挤压坯的制造方法，包括：

步骤1、采用自由锻镦粗或闭式镦粗的方式对镍基合金铸锭进行开坯及制坯处理；

步骤2、对制坯完成的镍基合金坯料进行表面机械加工，车掉黑皮和表面缺陷，获得圆柱形锻坯作为预挤压坯；

步骤3、将第一挤压部焊接到预挤压坯的头部，将第二挤压部焊接到预挤压坯的尾部，得到挤压坯；其中，第一挤压部、预挤压坯和第二挤压部三者的轴心对齐。

进一步的，所述第一挤压部和第二挤压部的材质均为奥氏体不锈钢。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

(1)本发明的高材料利用率的挤压坯通过在预挤压坯的头部设置圆柱形垫片作为第一挤压部，挤压开始时圆柱形垫片可对预挤压坯的头部产生反向作用力，进而将传统预挤压坯头部的自由面区域的两向压应力一向拉应力改善为与预挤压坯其他部位相同的三向压应力，从而增加了预挤压坯的头部的变形量，使挤压后的预挤压坯的坯料整体应变更加均匀，减小轴向晶粒度级差(例如，头部、尾部与中段的晶粒度级差小于或等于1级)。

(2)本发明的高材料利用率的挤压坯通过在预挤压坯的尾部设置圆环形垫片作为第二挤压部，改善了传统挤压方式的缩尾现象并可将预挤压坯的材料全部从挤压模挤出，大大提高了预挤压坯(预挤压坯为昂贵的镍基合金材料)材料的利用率(例如，材料利用率达到90％以上)，降低生产成本。

(3)本发明的高材料利用率的挤压坯中第一挤压部和第二挤压部均采用奥氏体不锈钢，奥氏体不锈钢与镍基合金这两种金属的变形温度区间相近，且较容易焊接，另外这两种金属材料可使用相同型号的润滑剂，为挤压操作带来方便。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书实施例以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明的挤压坯的示意图；

图2为本发明采用的挤压模的双锥模示意图；

图3为传统方法的棒材挤压时的尾部缩尾示意图；其中(a)为剖视图之一；(b)为另一个视角的剖视图；

图4为本发明的挤压坯挤压时的示意图。

附图标记：

1-第一挤压部，2-预挤压坯，3-第二挤压部，4-双锥模入口处，5-定径带。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

航空航天用镍基合金棒料对组织均匀性、晶粒尺寸、晶粒度级差等具有非常高的要求，目前国内大规格镍基合金细晶棒料一般采用快锻的方式生产。由于挤压过程的应力状态复杂，其应力的不均匀性会对组织控制带来很大的影响，尤其是会导致坯料整体组织的不均匀。现有的镍基合金棒料挤压时的挤压模多采用双锥模，如下图2所示，模角组合为60°和45°，模角之间采用圆弧过渡，R30mm，模角与定径带之间采用圆弧过渡，R100mm。发明人在实践中经过深入研究发现：镍基合金棒料挤压时头部的一部分区域为自由面，变形量很小，尾部未完全通过挤压模的变形区及定径带，从而保留了较多的坯料组织，且棒料直径越大缩尾现象越严重，缩尾现象如下图3所示。如此会造成镍基合金棒料的头部、尾部与中间段的晶粒度级差大于2级，难以满足航空航天用细晶棒料的要求。供货时需要切除头部、尾部两端的一部分棒料，导致镍基合金棒料的材料利用率较低，由于航空航天用镍基高温合金中镍、铬、钼等昂贵金属较多，从而造成生产成本居高不下。

本发明公开了一种高材料利用率的挤压坯，上述挤压坯自上而下包括第一挤压部1、预挤压坯2和第二挤压部3；预挤压坯2为圆柱形，第一挤压部1为圆柱形垫片，第二挤压部3为圆环形垫片；预挤压坯2的材料为镍基合金，第一挤压部1和第二挤压部3的材料为不锈钢。

与现有技术相比，本发明通过在挤压坯的预挤压坯的头部设置第一挤压部，并将第一挤压部设置为圆柱形垫片，挤压开始时圆柱形垫片可对预挤压坯的头部产生反向作用力，进而将传统的预挤压坯头部的自由面区域的两向压应力一向拉应力改善为与预挤压坯其他部位相同的三向压应力，从而增加了预挤压坯头部的变形量，使挤压后的预挤压坯整体应变更加均匀，减小轴向晶粒度级差。通过在预挤压坯的尾部设置圆环形垫片，改善了传统挤压方式的缩尾现象并可将预挤压坯的材料全部从挤压模挤出，大大提高了预挤压坯(材料为昂贵的镍基高温合金材料)的利用率，降低生产成本。

具体的，上述预挤压坯2的材料为含镍大于30％的γ相为基体的高温合金；第一挤压部1和第二挤压部3的材料为奥氏体不锈钢，这样奥氏体不锈钢与镍基合金这两种金属的变形温度区间相同或相近(例如奥氏体不锈钢与镍基合金这两种金属的初始变形温度相差小于60℃)，且较容易焊接，另外这两种金属材料可使用相同型号的润滑剂，为挤压操作带来方便。

具体的，上述预挤压坯2的直径D为300～900mm(例如300mm、350mm、400mm、450mm、500mm、550mm、600mm、650mm、700mm、750mm、800mm、850mm、900mm)。

具体的，上述预挤压坯2的直径D等于第一挤压部1的直径，可避免第一挤压部1的直径太大时，挤压时，第一挤压部1的边缘被预挤压坯2边缘的尖角剪切断裂，而断裂的垫片部分会卡在挤压模处将挤压件(即预挤压坯2)表面划伤；并且如果第一挤压部1的直径大于预挤压坯2的直径，挤压时，垫片会包覆在预挤压坯2的头部，造成预挤压坯2的头部直径变细，起不到提高材料利用率的目的。

具体的，上述第一挤压部1的高度H₁过大会导致挤压后垫片包住预挤压坯2的头部，造成预挤压坯2的头部直径尺寸不足；高度H₁过小则第一挤压部1很容易变形从而起不到给预挤压坯2的头部施加反向作用力的目的。因此，控制第一挤压部1的高度H₁为(1/15～1/6)D；具体的，第一挤压部1的高度H₁为40～100mm(例如40mm、50mm、60mm、70mm、80mm、90mm、100mm)。

具体的，为了让挤压坯在挤压时更容易进入挤压模，避免发生“闷车”现象，减小破壳力；需要将第一挤压部1的头部进行倒圆角。

需要说明的是，第一挤压部1的圆角半径过大时不能进一步减小破壳力，同时加工圆角需要的工时增加，降低生产效率；过小则起不到倒圆角的目的。因此，控制第一挤压部1的圆角半径为r20～r50mm。

需要说明的是，上述第二挤压部3设置为圆环形垫片而不是圆柱形垫片是因为如果设置为圆柱形垫片，挤压完成后垫片会进入到预挤压坯的缩尾内部，必须从缩尾顶点处将挤压棒料的缩尾以及垫片材料锯掉。会造成材料的浪费，起不到加垫片的作用。尾部加圆环形垫片可以减轻挤压棒料的缩尾现象。

具体的，上述第二挤压部3的内径过大即环形部分的“高厚比”较大，在巨大的挤压力作用下垫片会失稳而产生折叠；第二挤压部3的内径过小则起不到减轻挤压缩尾的目的。因此，控制第二挤压部3的内径为预挤压坯2的直径的η倍，根据不同锭形、不同牌号合金发生缩尾的难易程度选取η值的范围为1/4～1/2。

具体的，上述第二挤压部3的高度H₂过大会造成垫片材料没必要的浪费；第二挤压部3的高度H₂过小则不能将预挤压坯2全部挤出模具。实际生产中可根据模具变形区和定径带内的体积推算第二挤压部3的高度H₂，即H₂需满足下式：

式中：α为挤压模的模角，双锥模则为两个角的平均值；λ为挤压比；x为定径带5的长度；R为预挤压坯2的半径。式(1)可简化为：

上式没有考虑模具变形区入口及出口处的倒圆，为了将预挤压坯2全部从模具中挤出，计算出第二挤压部3的高度H₂后向上取整。因此，控制第二挤压部3的高度H₂为100～300mm，例如100mm，120mm，150mm，170mm，200mm，220mm，250mm，270mm，300mm。

考虑到挤压工序的方便操作性，第一挤压部1、预挤压坯2和第二挤压部3采用焊接的方式连接。具体的，焊接时，将第一挤压部1的无倒圆角的一面焊接到预挤压坯2的头部一端上。

具体的，为了在挤压的时候获得表面质量良好的锻坯，控制预挤压坯2的整体光洁度为Ra6.3。

具体的，为了保证挤压坯能够顺利进行挤压，第一挤压部1的直径等于或略小于双锥模入口处4的最大直径。

具体的，上述高材料利用率的挤压坯的制造方法包括：

步骤1、采用自由锻镦粗或闭式镦粗的方式对镍基合金铸锭进行开坯及制坯处理；

步骤2、对制坯完成的镍基合金坯料进行表面机械加工，车掉黑皮和表面缺陷，获得圆柱形锻坯作为预挤压坯2；

步骤3、将第一挤压部1(优选的，第一挤压部1为圆柱形垫片)焊接到预挤压坯2的头部，将第二挤压部3(优选的，第二挤压部3为圆环形垫片)焊接到预挤压坯2的尾部，得到挤压坯；其中，第一挤压部1、预挤压坯2和第二挤压部3三者的轴心对齐。

具体的，上述步骤1中，开坯时的加热温度过高会导致坯料发生热裂现象；过低时由于材料变形抗力增大而变形困难，同时增加了压机的吨位要求。因此，控制开坯时的加热温度为900～1200℃(例如，900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃、1200℃)。开坯变形量过大很容易导致坯料开裂，并且在镦粗时发生失稳现象；过小则起不到破碎铸态组织的作用，单一火次的变形量较小时，需要增加变形火次，从而导致生产成本增大、生产效率降低。因此，控制开坯变形量为20％～50％(例如，20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％)。

具体的，上述步骤1中，制坯时的温度过高会导致晶粒长大，为后续挤压控制晶粒度带来困难；过低则金属变形抗力增大，需要的设备吨位增大。因此，控制制坯时的加热温度为1060～1120℃(例如，1060℃、1070℃、1080℃、1090℃、1100℃、1110℃、1120℃)。制坯变形量过大会导致坯料变形时失稳，锭身产生折叠等缺陷，后续需机加工清除，造成材料利用率降低，成本增大。因此，要根据目标挤压坯料直径来确定开坯后棒料的直径，控制制坯时的变形量小于70％。

具体的，上述步骤3中，在垂直挤压机上挤压且操作方便时，第二挤压部3也可不与预挤压坯2焊接，第二挤压部3的加热温度可低于预挤压坯2的加热温度50～100℃，这样可增加第二挤压部3的强度，有利于缩尾的进一步减小。挤压时第二挤压部3先放在挤压杆上，与挤压杆对中，再将预挤压坯2置于第二挤压部3上并对中，然后挤压。

具体的，上述高材料利用率的挤压坯的挤压方法包括：对挤压坯进行加热，加热温度为930～1080℃，挤压坯热透后继续保温1～4h，然后出炉进行热挤压得到镍基合金棒料。其中，热挤压前对挤压坯进行喷涂润滑剂处理；如图4所示，挤压时，第一挤压部1先进入挤压模。

具体的，上述挤压坯挤压时，为了防止预挤压坯2和垫片高温加热时产生氧化皮，导致出炉后涂不上玻璃润滑剂，同时也可减少“除鳞”工序。挤压坯入炉前在其表面喷涂防氧化涂料。

具体的，上述挤压坯挤压时，热挤压前对挤压坯进行润滑剂处理，润滑剂包括玻璃垫和涂覆于预挤压坯2及第一挤压部1表面的玻璃粉，玻璃垫置于挤压模与第一挤压部1之间。

具体的，上述挤压坯挤压时，挤压比太小时不能充分发挥挤压工艺通过大变形来细化晶粒组织的优势；挤压比太大则需要模具具有很高的强度和硬度，且模具的磨损增加，减少模具寿命，造成成本增加，另外会增大挤压机的吨位需求，不具有普适性。挤压速度太慢，坯料的散热时间增加，导致坯料表面温度降低、变形抗力增大，挤压后期可能挤不动；挤压速度太快则摩擦力增大，导致挤压力增大，同时变形速度太快不利于再结晶细化晶粒。因此，控制热挤压时挤压比为2～9，如2、4、6、9等，挤压速度为5～30mm/s，如5mm/s、10mm/s、15mm/s、20mm/s、25mm/s、30mm/s。

具体的，上述高材料利用率的挤压坯挤压后得到的镍基合金棒料的组织均匀细小，头部、尾部与中段的晶粒度级差小于或等于1级。

具体的，上述高材料利用率的挤压坯挤压后得到的镍基合金棒料的材料利用率达到90％以上。

实施例1

本实施例提供了一种高材料利用率的挤压坯及其制造方法和挤压方法，本实施例用于制备直径为Φ300mm的镍基合金细晶棒料。

包括以下步骤：

步骤1、利用自由锻水压机采用自由镦粗的方式对镍基合金Φ508mm铸锭进行开坯锻造：铸锭经均匀化处理后将温度降到1100℃，待铸锭温度均匀后出炉进行开坯，开坯变形量为40％，镦粗后进行规圆，保证坯料直径为600mm。

步骤2、对制坯完成的坯料进行表面机械加工，车掉黑皮和表面缺陷，坯料整体光洁度为Ra6.3，得到圆柱形锻坯作为预挤压坯2。

步骤3、加工出一个不锈钢圆柱形垫片和一个不锈钢圆环形垫片，圆柱形垫片的高度为60mm，圆柱形垫片的一端倒圆角，圆角半径r30mm；圆环形垫片的高度为180mm，内径为圆柱形锻坯直径的1/3。将圆柱形垫片无倒圆一面焊接到圆柱形锻坯一端上作为第一挤压部1，将圆环形垫片焊接到圆柱形锻坯另一端作为第二挤压部3，保证三者轴心对齐。

步骤4、在焊接好的挤压坯表面喷涂防氧化涂料，涂料干结后入炉加热，加热温度为1020℃，挤压坯热透后继续保温3h，然后出炉进行热挤压，挤压前挤压坯表面涂覆玻璃润滑剂，第一挤压部1先进入挤压模，将玻璃润滑垫夹在挤压模与第一挤压部1之间，挤压速度为20mm/s，整体挤压比为4。

考虑到挤压完成后头部的不锈钢圆柱形垫片一般很容易脱落，头部的圆弧状凸起减轻，挤压坯全部被挤出，尾部有部分合金金属包覆不锈钢垫环，将粘连的不锈钢垫环全部切除。通过此方法生产的棒料，头尾质量均良好，表面质量良好，机加工量很小，可实现预挤压坯的92％的材料利用率。棒料有效区轴向晶粒度为5～6级，晶粒度级差为1级，镍基合金棒料的整体组织均匀性好。

实施例2

本实施例用于制备直径为Φ150mm的镍基合金细晶棒料。

步骤1、铸锭经均匀化处理后利用自由锻液压机采用镦粗+拔长的方式进行制坯，制坯加热温度为1080℃，镦粗变形量为50％，镦粗后拔长至Φ350mm。

步骤2、将坯料进行表面机加工处理，去除黑皮和缺陷，获得表面光整的圆柱形锻坯作为预挤压坯2。

步骤3、用奥氏体不锈钢加工出一个圆柱形垫片(作为第一挤压部1)和一个圆环形垫片(作为第二挤压部3)，圆柱形垫片的高度为40mm，一端倒圆角；圆环形垫片的高度为150mm，内径为挤压坯料直径的1/4。将圆柱形不锈钢垫片未倒圆角一面焊接到挤压坯的一端，焊接时两者轴心重合。圆环形垫片不进行焊接。

步骤4、将第一挤压部1和预挤压坯2加热到990℃，将圆环形垫片加热到930℃，入炉前表面均匀喷涂防氧化涂料，坯料均温后继续保温2h，然后出炉进行热挤压，挤压前坯料表面涂覆玻璃润滑剂，第一挤压部1先进入挤压模，将玻璃润滑垫置于挤压模和第一挤压部1之间。挤压速度30mm/s，挤压比5.5。

挤压后头部的不锈钢圆柱形垫片自动脱落，棒料头部圆帽状凸起较小；挤压坯全部挤出，将尾部粘连的不锈钢垫环全部切除。棒料有效区轴向晶粒度为5.5～6.5级，级差1级。经测量计算，与不加垫片的传统挤压方式相比，本申请可将预挤压坯的材料利用率提高到94％。

实施例3

本实施例用于制备直径为Φ300mm的镍基合金棒料。

包括以下步骤：

步骤1、利用自由锻水压机采用自由镦粗的方式对镍基合金Φ660mm铸锭进行开坯锻造：铸锭经均匀化处理后将温度降到1120℃，待铸锭温度均匀后出炉进行开坯，开坯变形量为30％，镦粗后进行规圆，保证坯料直径为900mm。

步骤2、对制坯完成的坯料进行表面机械加工，车掉黑皮和表面缺陷，坯料整体光洁度为Ra6.3，得到圆柱形锻坯作为预挤压坯2。

步骤3、加工出一个不锈钢圆柱形垫片(作为第一挤压部1)和一个不锈钢圆环形垫片(作为第二挤压部3)，圆柱形垫片的高度为100mm，圆柱形垫片的一端倒圆角，圆角半径r50mm；圆环形垫片的高度为200mm，内径为圆柱形锻坯直径的1/3。将圆柱形垫片无倒圆一面焊接到圆柱形锻坯一端上，将圆环形垫片焊接到圆柱形锻坯另一端，保证三者轴心对齐。

步骤4、在焊接好的挤压坯表面喷涂防氧化涂料，涂料干结后入炉加热，加热温度为1080℃，挤压坯热透后继续保温4h，然后出炉进行热挤压，挤压前挤压坯表面涂覆玻璃润滑剂，第一挤压部1先进入挤压模，将玻璃润滑垫夹在挤压模与第一挤压部1之间，挤压速度为10mm/s，整体挤压比为9。

具体的，不锈钢为奥氏体不锈钢。

考虑到挤压完成后头部的不锈钢圆柱形垫片一般很容易脱落，头部的圆弧状凸起减轻，挤压坯全部被挤出，尾部有部分合金金属包覆不锈钢垫环，将粘连的不锈钢垫环全部切除。通过此方法生产的棒料，头尾质量均良好，表面质量良好，机加工量很小，可实现预挤压坯90％的材料利用率。棒料有效区轴向晶粒度为5～6级，晶粒度级差为1级，镍基合金棒料的整体组织均匀性好。

实施例4

本实施例用于制备直径为Φ400mm的镍基合金细晶棒料。

包括以下步骤：

步骤1、利用自由锻水压机采用自由镦粗的方式对镍基合金Φ760mm铸锭进行开坯锻造：铸锭经均匀化处理后将温度降到1150℃，待铸锭温度均匀后出炉进行开坯，开坯变形量为40％，镦粗后进行规圆，保证坯料直径为600mm。

步骤2、对制坯完成的坯料进行表面机械加工，车掉黑皮和表面缺陷，坯料整体光洁度为Ra6.3，得到圆柱形锻坯作为预挤压坯2。

步骤3、加工出一个不锈钢圆柱形垫片(作为第一挤压部1)和一个不锈钢圆环形垫片(作为第二挤压部3)，圆柱形垫片的高度为80mm，圆柱形垫片的一端倒圆角，圆角半径r40mm；圆环形垫片的高度为300mm，内径为圆柱形锻坯直径的1/2。将圆柱形垫片无倒圆一面焊接到圆柱形锻坯一端上，将圆环形垫片焊接到圆柱形锻坯另一端，保证三者轴心对齐。

步骤4、在焊接好的挤压坯表面喷涂防氧化涂料，涂料干结后入炉加热，加热温度为1000℃，挤压坯热透后继续保温3h，然后出炉进行热挤压，挤压前挤压坯表面涂覆玻璃润滑剂，第一挤压部1先进入挤压模，将玻璃润滑垫夹在挤压模与圆柱形垫片之间，挤压速度为15mm/s，整体挤压比为2.25。

考虑到挤压完成后头部的不锈钢圆柱形垫片一般很容易脱落，头部的圆弧状凸起减轻，挤压坯全部被挤出，尾部有部分合金金属包覆不锈钢垫环，将粘连的不锈钢垫环全部切除。通过此方法生产的棒料，头尾质量均良好，表面质量良好，机加工量很小，可实现预挤压坯90％的材料利用率。棒料有效区轴向晶粒度为4.5～5.5级，晶粒度级差为1级，镍基合金棒料的整体组织均匀性好。

实施例5

本实施例用于制备直径为Φ350mm的镍基合金细晶棒料。

包括以下步骤：

步骤1、利用自由锻水压机采用自由镦粗的方式对镍基合金Φ480mm铸锭进行开坯锻造：铸锭经均匀化处理后将温度降到1140℃，待铸锭温度均匀后出炉进行开坯，开坯变形量为50％，镦粗后进行规圆，保证坯料直径为700mm。

步骤2、对制坯完成的坯料进行表面机械加工，车掉黑皮和表面缺陷，坯料整体光洁度为Ra6.3，得到圆柱形锻坯作为预挤压坯2。

步骤3、加工出一个不锈钢圆柱形垫片(作为第一挤压部1)和一个不锈钢圆环形垫片(作为第二挤压部3)，圆柱形垫片的高度为50mm，圆柱形垫片的一端倒圆角，圆角半径r20mm；圆环形垫片的高度为200mm，内径为圆柱形锻坯直径的1/4。将圆柱形垫片无倒圆一面焊接到圆柱形锻坯一端上，将圆环形垫片焊接到圆柱形锻坯另一端，保证三者轴心对齐。

步骤4、在焊接好的挤压坯表面喷涂防氧化涂料，涂料干结后入炉加热，加热温度为1050℃，挤压坯热透后继续保温4h，然后出炉进行热挤压，挤压前挤压坯表面涂覆玻璃润滑剂，第一挤压部1先进入挤压模，将玻璃润滑垫夹在挤压模与第一挤压部1之间，挤压速度为25mm/s，整体挤压比为4。

考虑到挤压完成后头部的不锈钢圆柱形垫片一般很容易脱落，头部的圆弧状凸起减轻，挤压坯全部被挤出，尾部有部分合金金属包覆不锈钢垫环，将粘连的不锈钢垫环全部切除。通过此方法生产的棒料，头尾质量均良好，表面质量良好，机加工量很小，可实现预挤压坯91％的材料利用率。棒料有效区轴向晶粒度为5～6级，晶粒度级差为1级，镍基合金棒料的整体组织均匀性好。

对比例1

本对比例提供了一种传统的挤压制造镍基合金棒料的方法，包括以下步骤：

步骤1、利用自由锻水压机采用自由镦粗的方式对镍基合金Φ508mm铸锭进行开坯锻造：铸锭经均匀化处理后将温度降到1100℃，待铸锭温度均匀后出炉进行开坯，开坯变形量为30％，镦粗后进行规圆，保证坯料直径为600mm。

步骤2、对制坯完成的坯料进行表面机械加工，车掉黑皮和表面缺陷，将坯料头部一端进行倒圆角，圆角半径为r100mm，坯料整体光洁度为Ra6.3，得到圆柱形锻坯。

步骤3、在圆柱形锻坯表面喷涂防氧化涂料，涂料干结后入炉加热，加热温度为1020℃，坯料热透后继续保温3h，然后出炉进行热挤压，挤压前坯料表面涂覆玻璃润滑剂，坯料的头部先进入挤压模，将玻璃润滑垫夹在挤压模与坯料的头部之间，挤压速度为20mm/s，整体挤压比为4。

本对比例得到的棒料的头部晶粒度为3级，中间的晶粒度为5级，尾部的晶粒度为2级，整体的组织均匀性较差。将头部和尾部全部切除，材料利用率为78％。

对比例2

本对比例提供了一种挤压制造镍基合金棒料的方法，其步骤与实施例1的类似，不同之处在于：步骤3中，圆柱形锻坯的尾部焊接的也是圆柱形垫片而不是圆环形垫片。

本对比例得到的棒料的头部晶粒度为5级，中间的晶粒度为6级，尾部的晶粒度为3.5级，整体的组织均匀性较差。将头部和尾部全部切除，材料利用率为82％。

实施例1-5和对比例1-2的结果表明，采用本发明的高材料利用率的挤压坯及其制造方法和挤压方法能够使坯料整体应变更加均匀，减小轴向晶粒度级差(例如级差在1以下)；能大大提高昂贵的镍基合金材料的利用率(例如，利用率90％以上)，降低生产成本。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高材料利用率的挤压坯，其特征在于，所述挤压坯包括预挤压坯(2)、设置在所述预挤压坯(2)头部的第一挤压部(1)和设置在所述预挤压坯(2)尾部的第二挤压部(3)；

所述第一挤压部(1)用于改善预挤压坯(2)的头部应力；

所述第二挤压部(3)用于改善预挤压坯(2)的尾部缩尾；

所述第一挤压部(1)和所述第二挤压部(3)与所述预挤压坯(2)的变形温度区间相同或相近。

2.根据权利要求1所述的挤压坯，其特征在于，所述预挤压坯(2)为圆柱形，所述第一挤压部(1)为圆柱形垫片，所述第二挤压部(3)为圆环形垫片；所述预挤压坯(2)的材料为镍基合金，所述第一挤压部(1)和第二挤压部(3)的材料为不锈钢。

3.根据权利要求1所述的挤压坯，其特征在于，所述第一挤压部(1)的直径等于预挤压坯(2)的直径D。

4.根据权利要求3所述的挤压坯，其特征在于，所述第一挤压部(1)的高度H₁为1/15～1/6D，其中，D为预挤压坯(2)的直径。

5.根据权利要求1所述的挤压坯，其特征在于，所述第二挤压部(3)的高度H₂满足下式：

式中：α为挤压模的模角；λ为挤压比；x为定径带的长度；R为预挤压坯(2)的半径，η为第二挤压部(3)的内径与预挤压坯(2)的直径的比值。

6.根据权利要求1所述的挤压坯，其特征在于，所述第二挤压部(3)的高度为100～300mm。

7.根据权利要求1所述的挤压坯，其特征在于，所述第二挤压部(3)的内径为预挤压坯(2)的直径的1/4～1/2。

8.根据权利要求1所述的挤压坯，其特征在于，所述第一挤压部(1)的一端进行倒圆角，所述圆角的半径为r20～r50mm。

9.一种高材料利用率的挤压坯的制造方法，其特征在于，用于制备权利要求1-8所述的挤压坯，包括：

步骤1、采用自由锻镦粗或闭式镦粗的方式对镍基合金铸锭进行开坯及制坯处理；

步骤2、对制坯完成的镍基合金坯料进行表面机械加工，车掉黑皮和表面缺陷，获得圆柱形锻坯作为预挤压坯(2)；

步骤3、将第一挤压部(1)焊接到预挤压坯(2)的头部，将第二挤压部(3)焊接到预挤压坯(2)的尾部，得到挤压坯；其中，第一挤压部(1)、预挤压坯(2)和第二挤压部(3)三者的轴心对齐。

10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述第一挤压部(1)和第二挤压部(3)的材质均为奥氏体不锈钢。

Images