CN114318192A - 内孔胀形淬火调控高温合金环形件残余应力的方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高温合金加工技术领域，尤其是涉及一种内孔胀形淬火调控高温合金环形件残余应力的方法及其应用。内孔胀形淬火调控高温合金环形件残余应力的方法，包括如下步骤：经固溶温度保温处理后的高温合金环形件在内孔胀形的作用下，进行淬火，然后进行时效热处理。本发明将胀形技术和淬火过程相结合，在淬火过程中，在环形件内孔处通过放置胀形工具等方式实现胀形作用，利用环形件淬火过程中的热胀冷缩，实现胀形效果，不仅可以满足材料所需冷却速率的要求，保证力学性能达标，且无附加流程，经济性高，通用性广，适用于高γ′含量的高温合金环形件。

Description

内孔胀形淬火调控高温合金环形件残余应力的方法及其应用

技术领域

本发明涉及高温合金加工技术领域，尤其是涉及一种内孔胀形淬火调控高温合金环形件残余应力的方法及其应用。

背景技术

高温合金环形件是航空发动机和航天发动机中重要的热端承力部件，常用于制备转子和机匣。现有高温合金环形件的热处理流程主要包括固溶热处理和时效热处理。然而，对于高温合金环形件，在淬火过程中由于环形件不同的区域无法同步冷却，温差形成的热应力会造成不均匀的塑性变形，从而在冷却后的锻件中形成较大数值的残余应力。

为了解决上述残余应力的问题，胀形技术被应用于机匣类环形薄壁件的生产中。如申请号为201811120739.0的专利申请中，采用的胀形流程主要如下：固溶热处理-固溶后快速冷却-高温胀形(接近固溶温度)-胀形后空冷-时效热处理；该方案最主要的作用是对环形锻件进行圆度的修整，并且实现残余应力的均匀化。在该方案中，如果要保证效果，在胀形后必须采用空冷。然而该胀形技术不能推广至高γ′含量的高温合金，原因是：(1)高γ′含量的高温合金在固溶温度热处理后，必须进行快速冷却，以保证力学性能；因此，在接近固溶温度进行高温胀形后，不能采用空冷，必须用油淬、盐淬等方式淬火，必定会再次产生高数值的残余应力。(2)高温胀形对设备的要求苛刻，高温合金环形件一般需要一万吨以上的压机才能满足要求，另外需要加热工件至接近固溶温度，会显著增加工件的制备成本。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供内孔胀形淬火调控高温合金环形件残余应力的方法，以解决现有技术中存在的胀形技术不适用于高γ′含量的高温合金等的技术问题。

本发明的第二目的在于提供内孔胀形淬火调控高温合金环形件残余应力的方法在制备高温合金环形件中的应用。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

内孔胀形淬火调控高温合金环形件残余应力的方法，包括如下步骤：

经固溶温度保温处理后的高温合金环形件在内孔胀形的作用下，进行淬火，然后进行时效热处理。

在本发明的具体实施方式中，所述淬火包括：于淬火介质中进行所述淬火；所述淬火的方式包括油淬、水淬、盐淬、聚合物淬火剂、高压气体、水雾和喷淋方式中的至少一种。

在本发明的具体实施方式中，所述高温合金的γ′相的体积分数≥30％；或者，所述高温合金的γ″相的体积分数≥10％。进一步的，所述高温合金包括GH4169、GH4169D、GH4738、FGH95、GH4780、GH4099、GH4151、FGH96、GH4720Li、GH4065A和GH4251中的任一种或多种。

在本发明的具体实施方式中，所述内孔胀形的作用的实现方式包括：在所述高温合金环形件的内孔中设置胀形工具。进一步的，所述胀形工具包括胀形内环。

在本发明的具体实施方式中，所述胀形工具还包括设置于所述胀形内环一端面的工作平台。所述工作平台可与所述胀形内环一体成型，所述胀形内环突出于所述工作平台的表面。在实际操作中，将经固溶温度保温处理后的高温合金环形件套设在所述胀形内环外，然后将整个工作平台一起进行淬火，比如一起沉入淬火介质中，完成淬火。

在本发明的具体实施方式中，所述胀形内环沿所述高温合金环形件的轴向方向的高度大于或等于所述高温合金环形件的厚度。

在本发明的具体实施方式中，所述胀形内环的内半径和外半径分别为R₁和R₂，R₁满足：0.8≤(R₂-R₁)/(r₂-r₁)≤3，R₂满足：在淬火过程中，所述环形件的内部热应力反转时，使所述环形件的内壁接触到所述胀形内环的外壁；其中，r₁和r₂分别为所述环形件的内半径和外半径。

在本发明的具体实施方式中，所述R₂的计算方法包括：采集所述高温合金材料的热膨胀曲线，求导得到热膨胀系数，进行有限元模拟计算，求解所述环形件由固溶温度降温至900～700℃时对应的内半径r₁，结合所述环形件的内半径r₁，得到所述胀形内环的外半径R₂。进一步，再结合所述环形件的外半径r₂，得到所述胀形内环的内半径R₁。通过热膨胀实验采集所述高温合金材料的热膨胀曲线。

在本发明的具体实施方式中，热膨胀实验的升温速率和降温速率为所述高温合金环形件进行实际固溶热处理和淬火处理的升温速率和降温速率。

本发明还提供了上述任意一种所述内孔胀形淬火调控高温合金环形件残余应力的方法在制备高温合金环形件中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的方法，将胀形技术和淬火过程相结合，在淬火过程中，在环形件内孔处通过放置胀形工具等方式实现胀形作用，利用环形件淬火过程中的热胀冷缩，实现胀形效果，不仅可以满足材料所需冷却速率的要求，保证力学性能达标，且无附加流程，经济性高，通用性广，适用于高γ′含量的高温合金环形件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的淬火过程热应力变化示意图；

图2为本发明实施例提供的环形件的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的高温合金材料的热膨胀应变随温度的变化曲线；

图4为本发明实施例提供的对环形件进行内孔胀形的工装结构(1150℃高温状态)示意图；

图5为本发明实施例1处理后的高温合金环形件的弦向残余应力分布图；

图6为本发明实施例2处理后的高温合金环形件的弦向残余应力分布图；

图7为比较例1处理后的高温合金环形件的弦向残余应力分布图；

图8为比较例2处理后的高温合金环形件的弦向残余应力分布图；

图9为比较例3处理后的高温合金环形件的弦向残余应力分布图。

附图标记：

1-高温合金环形件；2-胀形内环。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

内孔胀形淬火调控高温合金环形件残余应力的方法，包括如下步骤：

经固溶温度保温处理后的高温合金环形件在内孔胀形的作用下，进行淬火，然后进行时效热处理。

本发明的方法，将胀形技术和淬火过程相结合，在淬火过程中，在环形件内孔处通过放置胀形工具等方式实现胀形作用，利用环形件淬火过程中的热胀冷缩，实现胀形效果，不仅可以满足材料所需冷却速率的要求，保证力学性能达标，且无附加流程，经济性高，通用性广，适用于高γ′含量的高温合金环形件。

在本发明的具体实施方式中，所述淬火包括：于淬火介质中进行所述淬火；所述淬火的方式包括油淬、水淬、盐淬、聚合物淬火剂、高压气体、水雾和喷淋方式中的至少一种。

在本发明的具体实施方式中，所述高温合金的γ′相的体积分数≥30％；或者，所述高温合金的γ″相的体积分数≥10％。进一步的，所述高温合金包括GH4169、GH4169D、GH4738、FGH95、GH4780、GH4099、GH4151、FGH96、GH4720Li、GH4065A和GH4251中的任一种或多种。

上述高温合金中，具有高γ′相含量，在固溶温度保温处理后，必须进行快速冷却，以保证力学性能。在本发明的内孔胀形作用下进行淬火，能够在采用快速冷却的情况下，显著降低残余应力。

在本发明的具体实施方式中，所述内孔胀形作用的实现方式包括：在所述高温合金环形件的内孔中设置胀形工具。进一步的，所述胀形工具包括胀形内环。

在实际操作中，所述胀形内环为环形结构。

在本发明的具体实施方式中，所述胀形工具还包括设置于所述胀形内环一端面的工作平台。所述工作平台可与所述胀形内环一体成型，所述胀形内环突出于所述工作平台的表面。在实际操作中，将经固溶温度保温处理后的高温合金环形件套设在所述胀形内环外，然后将整个工作平台一起进行淬火，比如一起沉入淬火介质中，完成淬火。

在本发明的具体实施方式中，所述胀形内环沿所述高温合金环形件的轴向方向的高度大于或等于所述高温合金环形件的厚度。进而保证所述高温合金环形件在整个厚度范围内承受相同的内孔胀形的作用。

在本发明的具体实施方式中，所述胀形内环的内半径和外半径分别为R₁和R₂，R₁满足：0.8≤(R₂-R₁)/(r₂-r₁)≤3，R₂满足：在淬火过程中，所述环形件的内部热应力反转时，使所述环形件的内壁接触到所述胀形内环的外壁；其中，r₁和r₂分别为所述环形件的内半径和外半径。进一步的，所述胀形内环的内半径和外半径分别为R₁和R₂，R₁满足：0.8≤(R₂-R₁)/(r₂-r₁)≤1.5。

如在不同实施方式中，(R₂-R₁)/(r₂-r₁)可以为0.8、0.9、1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3等等。

当(R₂-R₁)/(r₂-r₁)＜0.8时，胀形内环的刚度较低，不足以对所述高温合金环形件施加足够的外载应力；当(R₂-R₁)/(r₂-r₁)＞3时，胀形内环的刚度过大，会使环形件在淬火过程中局部发生过量塑性变形，导致材料出现损伤。

其中，热应力反转是指：在淬火过程中分为两个阶段，冷却初期，表层先冷区域因温降而收缩，使温度较高的心部承受压应力，反之心部后冷区域温度较高、体积较大，使温度降低的表层承受拉应力；随后，待心部开始冷却时，其收缩倾向受到已冷表层的牵制而承受拉应力；外层相应的呈压应力。淬火过程热应力变化过程如图1所示。因此工件心部和表面均存在一个热应力“拉-压”或“压-拉”反转的过度阶段，此时应力接近于0。高温合金部件根据尺寸不同，发生应力反转的温度也有差别，通常在550～800℃范围内。

本发明的胀形内环的R₂设计依据是：在工件内部热应力反转时，工件的内壁接触到胀形内环的外壁。

在本发明的具体实施方式中，所述R₂的计算方法包括：采集所述高温合金材料的热膨胀曲线，求导得到热膨胀系数，进行有限元模拟计算，求解所述环形件由固溶温度降温至900～700℃时对应的内半径r₁，结合所述环形件的内半径r₁，得到所述胀形内环的外半径R₂。进一步，再结合所述环形件的外半径r₂，得到所述胀形内环的内半径R₁。

进一步的，求解得到所述环形件由固溶温度降温至900～700℃时对应的内半径r₁的范围后，可选取该范围的中间值作为所述胀形内环的外半径R₂。

在实际操作中，热膨胀曲线是热膨胀应变随温度的变化图，通过热膨胀仪进行采集。

在本发明的具体实施方式中，热膨胀实验的升温速率和降温速率为所述高温合金环形件进行实际固溶热处理和淬火处理的升温速率和降温速率。降温速率与所述环形件内部平均的降温速率保持一致。

本发明的内孔胀形淬火调控高温合金环形件残余应力的方法中，固溶热处理中的热处理温度、保温时间，淬火方式，时效热处理等参数依据所述高温合金材料的常规热处理制度进行，包括升温至固溶温度的升温速率、固溶温度、升温至固溶温度后的保温时间、淬火方式、淬火时间、时效热处理的保温温度、保温时间、冷却方式等等。

在本发明的具体实施方式中，将所述胀形内环与所述高温合金环形件装配实现内孔胀形时，所述胀形内环的温度为室温。

在本发明的具体实施方式中，所述环形件的制备方法包括：冶炼制得高温合金母合金，然后制粉，再进行热等静压成型，机加工得到环形件。进一步的，采用PREP的方式进行所述制粉。

在实际操作中，所述环形件的制备中，各步骤工艺参数可采用现有常规方法。所述环形件的制备方法不局限于此，其余常规方法均可。

本发明还提供了上述任意一种所述内孔胀形淬火调控高温合金环形件残余应力的方法在制备高温合金环形件中的应用。

实施例1

本实施例提供了通过内孔胀形淬火方式调控FGH95合金环形件残余应力的方法，包括如下步骤：

(1)制备FGH95合金环形件：采用真空感应熔炼得到FGH95母合金，采用PREP制粉，热等静压成型，得到如图2所示的环形件(为了显示截面，图2为移除部分的视图，实际环形件为完整的环形结构)，环形件尺寸：外半径r₂＝317.5mm，内半径r₁＝262.9mm，厚度为18～28mm。

(2)采集固溶热处理前的FGH95合金材料的热膨胀曲线，明确升温和降温过程中材料的热膨胀应变，升温速率和降温速率按照合金环形件实际固溶热处理过程，其中，降温速率为4℃/s，得到FGH95合金材料的热膨胀曲线如图3所示。

(3)基于步骤(2)得到的热膨胀曲线，根据工件几何特征，胀形内环的尺寸设计如下：外半径R₂＝265.5mm，内半径R₁＝215mm。

具体设计方法包括：将得到的热膨胀曲线按曲线求导得到热膨胀系数并输入有限元进行模拟计算。环形件在1140℃时的内半径尺寸为267.5mm，冷却至900～700℃时的内半径尺寸为266.3mm～264.7mm。因此R₂的数值取内半径尺寸的中间值，R₂＝265.5mm。

随后，根据公式0.8≤(R₂-R₁)/(r₂-r₁)≤3，可以计算出R₁的范围为101.7～221.8mm，本实施例中取R₁＝215mm。

(4)将步骤(1)得到的FGH95合金环形件在1140℃保温处理5h，然后出炉转移至具有胀形内环的工作平台，具体工装结构示意图如图4(图中为一半截面的示意图，以左侧虚线作为对应中心)所示。按前述尺寸设置胀形内环2，将经固溶温度保温处理后的高温合金环形件1套设在所述胀形内环2外，然后将整个工作平台一起沉入聚合物淬火介质中，完成淬火。

(5)然后将步骤(4)完成淬火的环形件进行时效热处理，得到处理后的FGH95合金环形件；其中时效热处理包括：880℃/2h/空冷+650℃/10h/空冷。

实施例2

本实施例参考实施例1的方法，区别仅在于：步骤(3)中：基于步骤(2)得到的热膨胀曲线，根据工件几何特征，胀形内环的尺寸设计如下：外半径R₂＝265mm，内半径R₁＝195mm。

比较例1

比较例1参考实施例1，区别在于：不包括(2)和(3)，且步骤(4)不同。比较例1的步骤(4)为：将步骤(1)得到的FGH95合金环形件在1140℃保温处理5h，然后置于聚合物淬火介质中淬火处理。

比较例2

比较例2参考实施例1的方法，区别在于：步骤(3)中：胀形内环的尺寸设计如下：外半径R₂＝265mm，内半径R₁＝235mm。

比较例3

比较例3参考实施例1的方法，区别在于：步骤(3)中：胀形内环的尺寸设计如下：外半径R₂＝263mm，内半径R₁＝213mm。

实验例1

采用轮廓法对实施例1～实施例2和比较例1～比较例3处理得到的FGH95合金环形件的残余应力进行测定，测试结果见图5～图9。从图中可知，采用本发明实施例1和实施例2的方法得到的合金环形件内部残余应力相较于比较例1的方法下降了约75％。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.内孔胀形淬火调控高温合金环形件残余应力的方法，其特征在于，包括如下步骤：

经固溶温度保温处理后的高温合金环形件在内孔胀形的作用下，进行淬火，然后进行时效热处理。

2.根据权利要求1所述的内孔胀形淬火调控高温合金环形件残余应力的方法，其特征在于，所述淬火包括：于淬火介质中进行所述淬火；所述淬火的方式包括油淬、水淬、盐淬、聚合物淬火剂、高压气体、水雾和喷淋方式中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的内孔胀形淬火调控高温合金环形件残余应力的方法，其特征在于，所述高温合金的γ′相的体积分数≥30％；或者，所述高温合金的γ″相的体积分数≥10％。

4.根据权利要求1所述的内孔胀形淬火调控高温合金环形件残余应力的方法，其特征在于，所述高温合金包括GH4169、GH4169D、GH4738、FGH95、GH4780、GH4099、GH4151、FGH96、GH4720Li、GH4065A和GH4251中的任一种或多种。

5.根据权利要求1所述的内孔胀形淬火调控高温合金环形件残余应力的方法，其特征在于，所述内孔胀形的作用的实现方式包括：在所述高温合金环形件的内孔中设置胀形工具；

优选的，所述胀形工具包括胀形内环。

6.根据权利要求5所述的内孔胀形淬火调控高温合金环形件残余应力的方法，其特征在于，所述胀形工具还包括设置于所述胀形内环一端面的工作平台；

优选的，所述胀形内环沿所述高温合金环形件的轴向方向的高度大于或等于所述高温合金环形件的厚度。

7.根据权利要求5或6所述的内孔胀形淬火调控高温合金环形件残余应力的方法，其特征在于，所述胀形内环的内半径和外半径分别为R₁和R₂，R₁满足：0.8≤(R₂-R₁)/(r₂-r₁)≤3，R₂满足：在淬火过程中，所述环形件的内部热应力反转时，使所述环形件的内壁接触到所述胀形内环的外壁；其中，r₁和r₂分别为所述环形件的内半径和外半径。

8.根据权利要求7所述的内孔胀形淬火调控高温合金环形件残余应力的方法，其特征在于，所述R₂的计算方法包括：采集所述高温合金的材料的热膨胀曲线，求导得到热膨胀系数，进行有限元模拟计算，求解所述环形件由固溶温度降温至900～700℃时对应的内半径r₁，结合所述环形件的内半径r₁，得到所述胀形内环的外半径R₂。

9.根据权利要求8所述的内孔胀形淬火调控高温合金环形件残余应力的方法，其特征在于，热膨胀实验的升温速率和降温速率为所述高温合金环形件进行实际固溶热处理和淬火处理的升温速率和降温速率。

10.权利要求1-9任一项所述的内孔胀形淬火调控高温合金环形件残余应力的方法在制备高温合金环形件中的应用。

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