CN115846560A - 一种适用于高温钛基材料的真空等温锻造工艺及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适用于高温钛基材料的真空等温锻造工艺及装置，涉及等温锻造技术领域，包括加热炉，凸模通过高温螺栓与压头连接，凹模通过高温螺栓与模具底座固定连接；加热炉下壁设有卸料装置，便于坯料的放入及成形锻件的取出，加热炉配有的真空泵组及测氧仪装置，可实现等温锻造过程的真空环境及炉内氧含量的监控，该装置可保障从坯料和模具加热、后续的锻造工序等全过程完全封闭，可保障最终成型件的精度及性能和延长模具的使用寿命等作用。可实现几乎所有的常规热处理所能涉及的热处理工艺，能够实现真正意义上的真空等温锻造。

Description

一种适用于高温钛基材料的真空等温锻造工艺及装置

技术领域

本发明涉及等温锻造技术领域，特别是涉及一种适用于高温钛基材料的真空等温锻造工艺及装置。

背景技术

等温锻造技术特别适合于那些锻造温区窄的难变形材料，如600℃用Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系高温钛合金，650～750℃用近α高温钛基复合材料以及更耐高温的TiAl合金。该技术是在传统模锻工艺基础上发展起来的一项新工艺，是将模具和坯料同时加热到锻造温度，并使坯料在一段温度变化很窄的区间下，完成变形的过程。但目前现有的等温锻造技术存在模具加热不均匀、保温环境得不到充分保障等诸多问题。

而且现有的等温锻造模具，均不具有真空热处理的装置，所谓真空热处理加工技术，指的是真空技术和热处理技术相结合的新型热处理技术。其中，真空热处理所处的真空环境指的是低于一个大气压的气氛环境。与常规热处理相比，真空热处理加工技术可同时实现无氧化、无脱碳、无渗碳，可去掉工件表面的磷屑，并有脱脂、除气及分解氧化物等作用，可以防止在热处理的过程中坯料表面出现氧化皮，从而影响构件的精度及性能，同时可避免坯料表面氧化皮与模具的摩擦，可大大减少修补及更换费用等运行成本，延长模具的使用期限。真空等温锻造技术尤其是对那些精度较高的大型钛合金薄壁复杂构件的整体成形具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于高温钛基材料的真空等温锻造工艺及装置，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种适用于高温钛基材料的真空等温锻造装置，包括下横梁，所述下横梁顶端设置有工作台面，所述工作台面顶端设置有模具底座，所述模具底座顶部设置有加热炉，所述加热炉一侧设置有炉门，所述加热炉内壁设有加热元件；所述下横梁顶端固定安装有立柱，所述立柱顶端固定安装有上横梁，所述立柱上滑动套设有活动横梁，所述活动横梁设置于所述上横梁与所述加热炉之间；所述活动横梁底端固定安装有压头，所述压头底端伸入至所述加热炉内，且所述压头与所述加热炉滑动配合；所述加热炉内设置有凸模和凹模，所述凸模可拆卸安装在所述压头的底端，所述凹模可拆卸安装在所述模具底座上；所述加热炉上安装有真空泵组，所述活动横梁与所述上横梁之间设置有动力装置，所述真空泵组用于将所述加热炉内部抽真空，所述动力装置用于驱动所述压头进行移动。

优选的，所述加热炉内设置有测氧仪，所述测氧仪用于对炉内的氧含量进行实时监测。

优选的，所述加热炉的内壁设有耐高温密封隔热层。

优选的，所述模具底座内设置有卸料装置，所述卸料装置用于对所述凹模内的坯料进行脱模。

优选的，所述加热元件为感应加热线圈。

优选的，所述加热炉内的气压介于10^-1pa～10^-5pa。

优选的，所述加热炉内设置有温控单元，所述温控单元用于对所述加热炉内的温度进行实时监测。

优选的，所述加热炉外侧设置有真空泵开关、氮气泵开关、加热元件开关、液压机油箱开关和显示屏，所述真空泵开关用于控制所述真空泵组的启闭，所述氮气泵开关用于维持所述加热炉内的压力值，所述加热元件开关用于控制所述加热元件的启闭，所述液压机油箱开关用于控制所述动力装置的启闭，所述显示屏用于显示所述加热炉内的气压、氧含量以及温度的值。

一种高温钛基材料盘类锻件的真空等温锻造工艺，采用真空等温锻造装置，具体包括以下步骤：

S1、配制合金成分：各组元的重量百分比分别为：4％～6％Al、3％～10％Sn、5％～10％Zr、0.4％～1.4％Mo、2％～7％Cr、0.5％～2％Nb、0.5％～1％W、0.1％～0.5％Si、余量为Ti，按各组元的重量百分比分别称取原料；原料以TiB和Y₂O₃作为增强相，其中TiB由TiB₂与Ti基体原位反应制得，Y₂O₃通过外加法纳米级颗粒获得，TiB和Y₂O₃总体积分数为0～10％(vol.％)，两者体积分数比为1:1～5:1；

S2、熔炼铸锭：将经S1称取的各组元加入到真空感应熔炉中熔炼，待全部熔化后，保温5～10分钟，随后在液相点以上50～80℃进行中温浇注，获得铸锭；

S3、开坯、等温多向锻造：

S3.1、将S2获取的铸锭切割获得70×70×140mm的立方体铸锭，在β转变温度以上50～100℃进行开坯锻造，变形量为50％；

S3.2、接着迅速将炉温降到(T_β-10)℃～(T_β+20)℃进行准β锻造，保温20～30min，沿其中一70mm方向进行大应变速率变形，变形量为30％，保温20～30min；

S3.3、将温度降到相变点以下30～50℃进行两相区锻造，采用等温多向锻造工艺，每次锻造的变形量为35％，期间每次锻造后保温时长为20～30min，共进行两道次等温多向锻造，得到的坯料随炉冷却至室温；

S4、叶盘锻造成型：

S4.1、清理S3得到的坯料，把坯料表面的氧化皮去除，并通过切割获得直径和高分别为Φ120mm×60mm的圆柱体坯料；

S4.2、将加热炉直接固定于压力机上，接通真空泵组和加热线路；

S4.3、将凸模通过高温螺栓与压头连接，凹模通过高温螺栓与下模座固定连接；

S4.4、将Φ120mm×60mm的坯料置于凹模内，关紧炉门；

S4.5、启动真空泵组，将加热炉内部抽成10^-1pa～10^-5pa的负压环境；

S4.6、打开加热炉的加热元件，按照锻造工艺要求将凸模、凹模和坯料加热到600℃～1100℃的锻造温度，通过显示屏可以实时了解加热炉内的气压、氧含量以及温度的值，然后控制加热元件的加热功率，使凸模、凹模和坯料的温度保持600℃～1100℃恒温；

S4.7、保温一定时间后，压头下移带动凸模进行热处理工艺，完成叶盘的成型工序；叶盘成型后进行50～100min的保温，并进行固溶时效处理。

优选的，在S2中，各组元在真空感应熔炉中熔炼的次数为2～3次。

优选的，在S3中，得到的钛基复合材料，相组成以等轴状α-Ti为基体、凝固析出的TiB和Y₂O₃在基体中均匀分布，TiB相为微米级，尺寸为150μm～300μm，Y₂O₃为纳米级，尺寸大小为50nm～200nm。

本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的真空等温锻造装置，包括加热炉，凸模通过高温螺栓与压头连接，凹模通过高温螺栓与模具底座固定连接；加热炉下壁设有卸料装置，便于坯料的放入及成形锻件的取出，加热炉配有的真空泵组及测氧仪装置，可实现等温锻造过程的真空环境及炉内氧含量的监控，该装置可保障从坯料和模具加热、后续的锻造工序等全过程完全封闭，可保障最终成型件的精度及性能和延长模具的使用寿命等作用。可实现几乎所有的常规热处理所能涉及的热处理工艺，能够实现真正意义上的真空等温锻造。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明真空等温锻造装置的结构示意图；

图2为本发明凹模的结构示意图；

图3为利用本发明真空等温锻造装置制作出来的叶盘的结构示意图；

其中；1、上横梁；2、活动横梁；3、压头；4、凸模；5、耐高温密封隔热层；6、加热元件；7、立柱；8、模具底座；9、工作台面；10、下梁；11、凹模；12、卸料装置；13、坯料；14、真空泵开关；15、氮气泵开关；16、加热元件开关；17、液压机油箱开关；18、显示屏。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种适用于高温钛基材料的真空等温锻造装置，包括下横梁，下横梁顶端设置有工作台面9，工作台面9顶端设置有模具底座8，模具底座8顶部设置有加热炉，加热炉一侧设置有炉门，加热炉内壁设有加热元件6；下横梁顶端固定安装有立柱7，立柱7顶端固定安装有上横梁1，立柱7上滑动套设有活动横梁2，活动横梁2设置于上横梁1与加热炉之间；活动横梁2底端固定安装有压头3，压头3底端伸入至加热炉内，且压头3与加热炉滑动配合；加热炉内设置有凸模4和凹模11，凸模4可拆卸安装在压头3的底端，凹模11可拆卸安装在模具底座8上；加热炉上安装有真空泵组，活动横梁2与上横梁1之间设置有动力装置，真空泵组用于将加热炉内部抽真空，动力装置用于驱动压头3进行移动。

进一步的，加热炉内设置有测氧仪，测氧仪用于对炉内的氧含量进行实时监测。

进一步的，加热炉的内壁设有耐高温密封隔热层5，采用耐高温密封胶。

进一步的，模具底座8内设置有卸料装置12，卸料装置12用于对凹模11内的坯料13进行脱模。

进一步的，加热元件6为感应加热线圈。

进一步的，加热炉内的气压设置为10^-3pa。

进一步的，加热炉内设置有温控单元，温控单元用于对加热炉内的温度进行实时监测。

进一步的，加热炉外侧设置有真空泵开关14、氮气泵开关15、加热元件开关16、液压机油箱开关17和显示屏18，真空泵开关14用于控制真空泵组的启闭，氮气泵开关15用于维持加热炉内的压力值，加热元件开关16用于控制加热元件6的启闭，液压机油箱开关17用于控制动力装置的启闭，显示屏18用于显示加热炉内的气压、氧含量以及温度的值。

一种高温钛基材料盘类锻件的真空等温锻造工艺，采用真空等温锻造装置，具体包括以下步骤：

S1、配制合金成分：各组元的重量百分比分别为：5％Al、6％Sn、6％Zr、0.8％Mo、4.5％Cr、1.2％Nb、0.75％W、0.2％Si、余量为Ti；该复合材料以TiB和Y₂O₃作为增强相，其中TiB由TiB₂与Ti基体原位反应制得，Y₂O₃通过外加法纳米级颗粒获得。本实施案例中TiB和Y₂O₃总体积分数为6％(vol.％)，两者体积分数比为3:1；

以海绵钛、高纯铝、海绵锆、高纯锡锭，中间合金，如Al-Mo合金、Al-Nb合金、Al-W合金以及纯Si粉作为原料，按各组元的重量百分比分别称取原料；

S2、熔炼铸锭：将经S1称取的各组元加入到真空感应熔炉中熔炼，待全部熔化后，保温6分钟，随后在液相点以上70℃进行中温浇注，获得铸锭；

S3、开坯、等温多向锻造：

S3.1、将S2获取的铸锭切割获得70×70×140mm的立方体铸锭，在β转变温度以上80℃进行开坯锻造，变形量为50％；

S3.2、接着迅速将炉温降到(T_β-10)℃～(T_β+20)℃进行准β锻造，保温30min，沿其中一70mm方向进行大应变速率变形，变形量为30％，保温30min；

S3.3、将温度降到相变点以下40℃进行两相区锻造，采用等温多向锻造工艺，每次锻造的变形量为35％，期间每次锻造后保温时长为30min，共进行两道次等温多向锻造，得到的坯料13随炉冷却至室温；

S4、叶盘锻造成型：

S4.1、清理S3得到的坯料13，把坯料13表面的氧化皮去除，并通过切割获得直径和高分别为Φ120mm×60mm的圆柱体坯料13；

S4.2、将加热炉直接固定于压力机上，接通真空泵组和加热线路；

S4.3、将凸模4通过高温螺栓与压头3连接，凹模11通过高温螺栓与下模座固定连接；

S4.4、将Φ120mm×60mm的坯料13置于凹模11内，关紧炉门；

S4.5、启动真空泵组，将加热炉内部抽成10^-3pa的负压环境；

S4.6、打开加热炉的加热元件6，按照锻造工艺要求将凸模4、凹模11和坯料13加热到960℃的锻造温度，通过显示屏18可以实时了解加热炉内的气压、氧含量以及温度的值，然后控制加热元件6的加热功率，使凸模4、凹模11和坯料13的温度保持960℃恒温；

S4.7、保温30min后，压头3下移带动凸模4进行热处理工艺，完成叶盘的成型工序；叶盘成型后进行100min的保温，并进行固溶时效处理。

进一步的，在S2中，各组元在真空感应熔炉中熔炼的次数为2次。

进一步的，在S3中，得到的钛基复合材料，相组成以等轴状α-Ti为基体、凝固析出的TiB和Y₂O₃在基体中均匀分布，TiB相主要呈现为晶须形貌，Y₂O₃为近等轴状颗粒，TiB相为微米级，平均长度为200μm，Y₂O₃为纳米级，平均尺寸大小为62.4nm。

本发明通过直接将加热炉设置在压力机上，可避免以往将预热或者保温好的坯料13从加热炉取出运往凹模11过程中坯料13与空气的接触，导致坯料13的氧化及大量热量的损失，从而影响最终成型件的精度和性能。且本发明的加热炉配有真空泵组，实现炉内的气压介于10^-1～10^-5pa，并配备测氧仪，可对炉内的氧含量进行实时的监测；本发明可以实现几乎所有的常规热处理所能涉及的热处理工艺，并且热处理的质量大大提高；并且可以避免坯料13表面氧化皮与模具的摩擦，延长模具的使用期限，可减少修补及更换费用等运行成本。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种适用于高温钛基材料的真空等温锻造装置，其特征在于，包括下横梁，所述下横梁顶端设置有工作台面(9)，所述工作台面(9)顶端设置有模具底座(8)，所述模具底座(8)顶部设置有加热炉，所述加热炉一侧设置有炉门，所述加热炉内壁设有加热元件(6)；所述下横梁顶端固定安装有立柱(7)，所述立柱(7)顶端固定安装有上横梁(1)，所述立柱(7)上滑动套设有活动横梁(2)，所述活动横梁(2)设置于所述上横梁(1)与所述加热炉之间；所述活动横梁(2)底端固定安装有压头(3)，所述压头(3)底端伸入至所述加热炉内，且所述压头(3)与所述加热炉滑动配合；所述加热炉内设置有凸模(4)和凹模(11)，所述凸模(4)可拆卸安装在所述压头(3)的底端，所述凹模(11)可拆卸安装在所述模具底座(8)上；所述加热炉上安装有真空泵组，所述活动横梁(2)与所述上横梁(1)之间设置有动力装置，所述真空泵组用于将所述加热炉内部抽真空，所述动力装置用于驱动所述压头(3)进行移动。

2.根据权利要求1所述的适用于高温钛基材料的真空等温锻造装置，其特征在于，所述加热炉内设置有测氧仪，所述测氧仪用于对炉内的氧含量进行实时监测。

3.根据权利要求1所述的适用于高温钛基材料的真空等温锻造装置，其特征在于，所述加热炉的内壁设有耐高温密封隔热层(5)。

4.根据权利要求1所述的适用于高温钛基材料的真空等温锻造装置，其特征在于，所述模具底座(8)内设置有卸料装置(12)，所述卸料装置(12)用于对所述凹模(11)内的坯料(13)进行脱模。

5.根据权利要求2所述的适用于高温钛基材料的真空等温锻造装置，其特征在于，所述加热元件(6)为感应加热线圈。

6.根据权利要求1所述的适用于高温钛基材料的真空等温锻造装置，其特征在于，所述加热炉内的气压介于10^-1pa～10^-5pa。

7.根据权利要求5所述的适用于高温钛基材料的真空等温锻造装置，其特征在于，所述加热炉内设置有温控单元，所述温控单元用于对所述加热炉内的温度进行实时监测。

8.根据权利要求7所述的适用于高温钛基材料的真空等温锻造装置，其特征在于，所述加热炉外侧设置有真空泵开关(14)、氮气泵开关(15)、加热元件开关(16)、液压机油箱开关(17)和显示屏(18)，所述真空泵开关(14)用于控制所述真空泵组的启闭，所述氮气泵开关(15)用于维持所述加热炉内的压力值，所述加热元件开关(16)用于控制所述加热元件(6)的启闭，所述液压机油箱开关(17)用于控制所述动力装置的启闭，所述显示屏(18)用于显示所述加热炉内的气压、氧含量以及温度的值。

9.一种高温钛基材料盘类锻件的真空等温锻造工艺，其特征在于，采用权利要求1～8任一项所述的真空等温锻造装置，具体包括以下步骤：

S1、配制合金成分：各组元的重量百分比分别为：4％～6％Al、3％～10％Sn、5％～10％Zr、0.4％～1.4％Mo、2％～7％Cr、0.5％～2％Nb、0.5％～1％W、0.1％～0.5％Si、余量为Ti，按各组元的重量百分比分别称取原料；原料以TiB和Y₂O₃作为增强相，其中TiB由TiB₂与Ti基体原位反应制得，Y₂O₃通过外加法纳米级颗粒获得，TiB和Y₂O₃总体积分数为0～10％(vol.％)，两者体积分数比为1:1～5:1；

S2、熔炼铸锭：将经S1称取的各组元加入到真空感应熔炉中熔炼，待全部熔化后，保温5～10分钟，随后在液相点以上50～80℃进行中温浇注，获得铸锭；

S3、开坯、等温多向锻造：

S3.1、将S2获取的铸锭切割获得70×70×140mm的立方体铸锭，在β转变温度以上50～100℃进行开坯锻造，变形量为50％；

S3.2、接着迅速将炉温降到(T_β-10)℃～(T_β+20)℃进行准β锻造，保温20～30min，沿其中一70mm方向进行大应变速率变形，变形量为30％，保温20～30min；

S3.3、将温度降到相变点以下30～50℃进行两相区锻造，采用等温多向锻造工艺，每次锻造的变形量为35％，期间每次锻造后保温时长为20～30min，共进行两道次等温多向锻造，得到的坯料(13)随炉冷却至室温；

S4、叶盘锻造成型：

S4.1、清理S3得到的坯料(13)，把坯料(13)表面的氧化皮去除，并通过切割获得直径和高分别为Φ120mm×60mm的圆柱体坯料(13)；

S4.2、将加热炉直接固定于压力机上，接通真空泵组和加热线路；

S4.3、将凸模(4)通过高温螺栓与压头(3)连接，凹模(11)通过高温螺栓与下模座固定连接；

S4.4、将Φ120mm×60mm的坯料(13)置于凹模(11)内，关紧炉门；

S4.5、启动真空泵组，将加热炉内部抽成10^-1pa～10^-5pa的负压环境；

S4.6、打开加热炉的加热元件(6)，按照锻造工艺要求将凸模(4)、凹模(11)和坯料(13)加热到600℃～1100℃的锻造温度，通过显示屏(18)可以实时了解加热炉内的气压、氧含量以及温度的值，然后控制加热元件(6)的加热功率，使凸模(4)、凹模(11)和坯料(13)的温度保持600℃～1100℃恒温；

S4.7、保温一定时间后，压头(3)下移带动凸模(4)进行热处理工艺，完成叶盘的成型工序；叶盘成型后进行50～100min的保温，并进行固溶时效处理。

10.根据权利要求9所述的一种高温钛基材料盘类锻件的真空等温锻造工艺，其特征在于，在S2中，各组元在真空感应熔炉中熔炼的次数为2～3次。

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