CN116078970A - 一种降低高温合金开坯镦粗过程抗力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种降低高温合金开坯镦粗过程抗力的方法，属于变形高温合金的技术领域。所述降低高温合金开坯镦粗过程抗力的方法，所述方法包括先对高温合金的样品进行开坯前的加热处理，之后镦粗处理；在镦粗过程中当样品抗力接近设备承载极限时，暂停镦粗过程，然后再次进行镦粗过程；判断样品是否达到变形量，如果样品达到所需变形量则停止，如果样品未达到所需变形量而达到设备承载极限，则样品需要再次暂停镦粗过程，然后样品再次进行镦粗过程，获得所需的锻造高温合金材料。本发明通过在接近快锻机承载极限的热变形后的短暂停顿，降低变形抗力，使得热变形后的变形量增加，获得所需的变形量。

Description

一种降低高温合金开坯镦粗过程抗力的方法

技术领域

本发明属于变形高温合金的技术领域，涉及一种降低高温合金开坯镦粗过程抗力的方法。

背景技术

随着变形高温合金在航空航天、重型燃气轮机等领域应用量的日益增加，大尺寸、高品质变形高温合金棒材的需求量逐渐增加，在制备过程中，开坯是高温合金棒材制备中的重要环节，其实现了材料从铸态向锻态的模态转换。高温合金锻坯的质量对最终成品性能起到重要作用。

现有技术中，变形高温合金常采用镦拔开坯工艺，其镦粗过程对破碎铸锭中的残余枝晶、促进动态再结晶的发生、以及改善坯料的组织具有重要作用。但在镦粗过程中由于坯料横截面积增加和加工硬化等作用的影响，坯料的变形抗力会出现急剧增大的技术缺陷。

尤其是在大尺寸高温合金坯料镦粗开坯的过程中，由于坯料尺寸较大，对快锻机的吨位要求较高；故而，大尺寸坯料镦粗开坯过程中更易出现变形抗力急剧增加，从而导致其超过快锻机承载能力的情况，最终造成大尺寸高温合金的开坯失败。

目前，降低变形抗力的方法有很多，但是都存在各种各样的问题：

例如：中国专利CN112496246A公开了解决汽车曲轴锻件模锻闷车的方法，其中提到该方法减小了坯料的尺寸，提高了材料利用率又很大程度上减小了锻造载荷，解决了锻造过程中设备闷车的问题；是通过相应设计合理的型槽，对预锻型槽采用在曲轴锻件每90°处弯曲处添加阻尼沟以利于聚料，取消原楔形毛边槽以降低变形抗力。其所存在的问题是需要设计合理的型槽和添加阻尼沟，这些均属于耗材，成本大，效率低。

中国专利CN103361585A公开了一种高合金化GH742高温合金的均匀化处理工艺，该工艺采用低温预处理加高温扩散的两步均匀化处理步骤，以提高GH742合金铸锭的热加工塑性，降低变形抗力，从而使锻坯获得均匀、完全的再结晶组织。其所存在的问题是热处理工艺复杂，不同的高温合金需要的均匀化处理工艺参数选择的影响机理不同，随着开坯的进行，降低的变形抗力还是会不断累积，从而超过锻锤的承载能力。

中国专利CN101362182A公开了冲击块的一种加工方法，采用热锻制坯、冷锻成形的方法制成，有加工硬化现象存在，热锻后就需要对毛坯进行充分退火软化处理，以降低变形抗力、提高塑性；这样有利于冷锻成形，提高模具寿命。其所存在的问题是需要热锻制坯、冷锻成形的制备工艺，且降低变形抗力的方法是充分退火软化处理，属于热锻制坯成功后，并不能够用来加工变形高温合金。

中国专利CN106964735A公开了一种超大高径比金属坯料镦粗成形方法，能够有效抑制超大高径比坯料镦粗失稳现象，避免坯料镦粗弯曲，而且可以调控镦粗变形均匀性、降低镦粗力能，从而提高镦粗质量、节约镦粗能耗并且扩大设备镦粗尺寸范围。其所存在的问题是模内镦粗采用带脱模斜度的环形模具，且需要采用模内镦粗与自由镦粗相结合的多道次组合镦粗方式，镦粗工艺和模具需要特殊设置，操作复杂，成本高，效率低，不利于工业大规模生产。

中国专利CN105414428A公开了一种饼类锻件的锻造工艺，采用五段加热规范，确保锻件均匀热透；然而其是通过五段加热来降低变形抗力，不仅操作复杂、热耗能较多，而且上下平砧预热至300℃，避免与上下平砧接触的锻件部分因温度降低过快而产生温度应力；上下砧与锻件端面接触的部分铺有玻璃粉，以减小坯料与端面间的摩擦力，降低难变形区域范围，提高镦粗的均匀变形程度，从而导致制备的成本高，效率低，不利于工业大规模生产。

为此，本发明提供了一种可以降低高温合金开坯镦粗环节抗力的方法，能够充分利用快锻机的承载能力，保证开坯的有效进行。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何克服现有技术中变形高温合金在热变形过程中抗力较大，因为热变形过程中存在加工硬化效应，以及随着镦粗变形过程中坯料横截面积的增加，合金的变形抗力会急剧增加，但设备的承载能力有限，从而对热变形过程中会存在合金变形抗力高于设备承载能力的情况，使镦粗过程无法达到预定的变形量；以及通过型槽和阻尼沟的机械结构设置、热处理工艺选择、模内镦粗与自由镦粗相结合等高成本、低效率的方式来降低开坯过程的变形抗力。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种降低高温合金开坯镦粗过程抗力的方法，所述方法包括先对高温合金的样品进行开坯前的加热处理，之后镦粗处理；在镦粗过程中当样品抗力接近设备承载极限时，暂停镦粗过程，然后再次进行镦粗过程；判断样品是否达到变形量，如果样品达到所需变形量则停止，如果样品未达到所需变形量而达到设备承载极限，则样品需要再次暂停镦粗过程，然后样品再次进行镦粗过程，获得所需的锻造高温合金材料。

优选地，所述方法中，暂停镦粗过程的停顿时间为不大于30s。

优选地，所述方法中，在再次进行镦粗过程后，需要再次判断样品是否达到变形量，重复前述判断、镦粗和暂停镦粗步骤，直至样品达到所需变形量时停止。

优选地，所述方法中，开坯前的加热处理为均匀化热处理，再次进行镦粗过程中的镦粗速率的选择为继续保持停顿前的原速率或者降低变形速率。

优选地，所述方法中，暂停镦粗步骤为停顿一次，或者为停顿多次并逐级降速，以获得目标产品所需的变形量。

优选地，所述方法中，镦粗处理的下压速率为V，当快锻机载荷达到设备承载能力上限载荷85-100％时，暂停镦粗过程，停顿5-20s，再次进行镦粗过程的下压速率为≤V。

优选地，所述方法中，再次进行镦粗过程的下压速率为变速率或者是恒定速率，两次镦粗比单次镦粗的变形量增加了70％以上，三次镦粗比单次镦粗的变形量增加了150％以上。

优选地，所述方法中，镦粗处理过程中，需要实时记录坯料的温度，当坯料温度低于合金锻造工艺设定的变形温度范围时，停止该过程，并进行重新的回炉热处理。

优选地，所述方法中，所需的锻造高温合金材料镦粗之前的组织结构为粗大的铸态晶粒组织，第一次镦粗之后的组织结构为部分区域发生了动态再结晶出现了再结晶晶粒，最后获得的组织结构为较为均匀的晶粒组织，与初始铸态组织相比晶粒尺寸减小。

本发明工艺原理：

变形高温合金在热变形过程中会发生加工硬化和动态软化两个作用；其中，加工硬化使合金的变形抗力抗力逐渐增加，而动态软化可以使合金的变形抗力降低。热变形过程中的动态软化可以依靠动态再结晶和亚动态再结晶两种机制实现。

经过本发明研究发现，在热变形后的短暂停顿的过程中，合金内部会发生亚动态再结晶使合金软化，最终导致变形抗力的降低。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

上述方案中，本发明通过在接近快锻机承载极限的热变形后的短暂停顿，降低变形抗力，使得热变形后的变形量增加，获得所需的变形量。

本发明所述方法中，再次进行镦粗过程的下压速率为变速率或者是恒定速率，两次镦粗比单次镦粗的变形量增加了70％以上，三次镦粗比单次镦粗的变形量增加了150％以上。

本发明所述方法中，所需的锻造高温合金材料镦粗之前的组织结构为晶粒尺寸极为粗大的原始铸态组织，第一次镦粗之后坯料发生了一定量的变形，发生了部分再结晶，晶粒尺寸在一定程度上得到了细化，两道次墩粗后坯料变形程度得到了提升，从组织上看晶粒得到了进一步的细化。

综上，本发明的一种降低高温合金开坯镦粗过程抗力的方法，不仅在开坯镦粗过程中降低变形抗力的方法简单，不涉及现有技术中的槽结构、沟结构和多次热处理工艺的复杂操作，而且所获得的最终再结晶比例的含量为百分之多少，高于现有技术高温合金开坯镦粗所获得的最终再结晶比例的幅度为百分之多少。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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，5还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的一种降低高温合金开坯镦粗过程抗力的方法中高温合金坯料镦粗过程中载荷-行程的变化曲线图；

图2为本发明实施例2提供的一种降低高温合金开坯镦粗过程抗力的方法中高温合金坯料两次停顿-变速率镦粗过程中载荷-行程的变化曲线图；

图3为本发明提供的一种降低高温合金开坯镦粗过程抗力的方法中采用单道次变形后坯料的变形情况和内部组织演变图；

图4为本发明实施例1提供的一种降低高温合金开坯镦粗过程抗力的方法中高温合金坯料镦粗过程中中间停顿对坯料变形量和组织的影响情况图；

图5为本发明实施例2提供的一种降低高温合金开坯镦粗过程抗力的方法5中高温合金坯料镦粗过程中中间停顿对坯料变形量和组织的影响情况图；

图6为本发明实施例3提供的一种降低高温合金开坯镦粗过程抗力的方法中高温合金坯料镦粗过程中中间停顿对坯料变形量和组织的影响情况图；

图7为本发明实施例4中提供的一种降低高温合金开坯墩粗过程抗力的方法中中间停顿对变形量和变形抗力的影响图；

图8为本发明实施例4中提供的一种降低高温合金开坯镦粗过程抗力的方法中高温合金坯料两次停顿-变速率镦粗过程中第一次变形中样品的变形量为15％所获得的组织结构图；

图9为本发明实施例4提供的一种降低高温合金开坯镦粗过程抗力的方法中高温合金坯料两次停顿-变速率镦粗过程中第二次变形中样品的变形量为5 15％所获得的组织结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案和解决的技术问题进行阐述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明专利的一部分实施例，而不是全部实施例。

实施例1

一种降低高温合金开坯镦粗过程抗力的方法，如图1所示，以设备极限载荷为80MN为例，采用两道次变形速率单次变形，所述方法包括如下步骤：

S1、先对高温合金的样品进行开坯前的加热处理，高温合金的样品以40-80℃/s的速度加热到1120℃，保温20h，使温度均匀；

S2、对步骤S1中加热处理后的高温合金的样品进行镦粗处理，其是以10mm/s的压下速度进行第一次墩粗；

S3、在步骤S2的镦粗处理的过程中，当合金的变形量(即设备的行程)为254mm时，高温合金的样品抗力接近设备承载极限，暂停镦粗过程，停顿时间为20s；

S4、对步骤S3中暂停镦粗过程的高温合金的样品，再次进行镦粗过程，其是以5mm/s的压下速度进行第二次墩粗；

S5、经判断，步骤S4中再次进行镦粗过程的高温合金再次达到设备极限载荷，即当合金变形量达到431mm时，停止镦粗过程，坯料的变形量增加了1707mm；与单次变形相比，提高了70％。

如图3所示，单道次墩粗坯料后坯料的尺寸和晶粒尺寸分布，坯料变形量较小，变形后内部晶粒尺寸较为粗大，心部晶粒尺寸为ASTM的-2级。

如图4所示，采用中间停顿的双道次压缩后坯料的尺寸和晶粒尺寸分布，在进行双道次压缩后，坯料的变形量进一步增加，更能达到墩粗的目的，从组织看坯料整体晶粒得到了进一步细化，心部晶粒尺寸进一步减小到ASTM的0级。

镦粗处理过程中，需要实时记录坯料的温度，当坯料温度低于合金锻造工艺设定的变形温度范围时，停止该过程，并进行重新的回炉热处理，以防止镦粗过程中的开裂等问题。

所述方法中，所需的锻造高温合金材料镦粗之前的组织结构为晶粒尺寸极为粗大的原始铸态组织，第一次镦粗之后坯料发生了一定量的变形，发生了部分再结晶，晶粒尺寸在一定程度上得到了细化，两道次墩粗后坯料变形程度得到了提升，从组织上看晶粒得到了进一步的细化。

实施例2

一种降低高温合金开坯镦粗过程抗力的方法，如图2所示，以设备极限载荷为80MN为例，采用两次停顿和变速率的方式，所述方法包括如下步骤：

S1、先对高温合金的样品进行开坯前的加热处理，高温合金的样品以40-80℃/s的速度加热到1120℃，保温20h，使温度均匀；

S2、对步骤S1中加热处理后的高温合金的样品进行镦粗处理，其是以10mm/s的压下速度进行第一次墩粗；

S3、在步骤S2的镦粗处理的过程中，当合金的变形量(即设备的行程)为254mm时，高温合金的样品抗力接近设备承载极限，暂停镦粗过程，停顿时间为20s；

S4、对步骤S3中暂停镦粗过程的高温合金的样品，再次进行镦粗过程，其是以5mm/s的压下速度进行第二次墩粗；

S5、经判断，步骤S4中再次进行镦粗过程的高温合金再次达到设备极限载荷，即当合金变形量达到431mm时，暂停镦粗过程，停顿时间为20s；

S6、对步骤S5中暂停镦粗过程的高温合金的样品，再次进行镦粗过程，第三次镦粗的下压速率为2.5mm/s；

S7、经判断，步骤S6中再次进行镦粗过程的高温合金再次达到设备极限载荷，即当合金变形量达到560mm时，停止镦粗过程，坯料的变形量比单次镦粗的变形量增加306mm。

如图3所示，单道次墩粗坯料后坯料的尺寸和晶粒尺寸分布，坯料变形量较小，变形后内部晶粒尺寸较为粗大，心部晶粒尺寸为ASTM的-2级。

如图5所示，采用中间停顿的三道次压缩后坯料的尺寸和晶粒尺寸分布，在进行三道次压缩后，坯料的变形量进一步增加，更能达到墩粗的目的，从组织看坯料整体晶粒得到了进一步细化，心部晶粒尺寸进一步减小到ASTM的1.5级。

镦粗处理过程中，需要实时记录坯料的温度，当坯料温度低于合金锻造工艺设定的变形温度范围时，停止该过程，并进行重新的回炉热处理，以防止镦粗过程中的开裂等问题。

所述方法中，所需的锻造高温合金材料镦粗之前的组织结构为晶粒尺寸极为粗大的原始铸态组织，第一次镦粗之后坯料发生了一定量的变形，发生了部分再结晶，晶粒尺寸在一定程度上得到了细化，两道次墩粗后坯料变形程度得到了提升，从组织上看晶粒得到了进一步的细化。

实施例3

一种降低高温合金开坯镦粗过程抗力的方法，所述方法包括如下步骤：

S1、先对高温合金的样品进行开坯前的加热处理，高温合金的样品以40-80℃/s的速度加热到1120℃，保温20h，使温度均匀；

S2、对步骤S1中加热处理后的高温合金的样品进行镦粗处理，其是以10mm/s的压下速度进行第一次墩粗；

S3、在步骤S2的镦粗处理的过程中，合金的变形量(即设备的行程)接近设备承载极限，暂停镦粗过程，停顿时间为20s；

S4、对步骤S3中暂停镦粗过程的高温合金的样品，再次进行镦粗过程，其是以5mm/s的压下速度进行第二次墩粗；

S5、经判断，步骤S4中再次进行镦粗过程的高温合金再次达到设备极限载荷，即当合金变形量达到431mm时暂停镦粗过程，停顿时间为20s；

S6、对步骤S5中暂停镦粗过程的高温合金的样品，再次进行镦粗过程，第三次镦粗的下压速率为2.5mm/s；

S7、经判断，步骤S4中再次进行镦粗过程的高温合金再次达到设备极限载荷时暂停镦粗过程，停顿时间为20s；

S8、对步骤S7中暂停镦粗过程的高温合金的样品，再次进行镦粗过程，第四次镦粗的下压速率为1mm/s；

S9、经判断，步骤S8中再次进行镦粗过程的高温合金再次达到设备极限载荷，即当合金变形量达到700mm时，停止镦粗过程，坯料的变形量比单次镦粗的变形量增加446mm。

如图3所示，单道次墩粗坯料后坯料的尺寸和晶粒尺寸分布，坯料变形量较小，变形后内部晶粒尺寸较为粗大，心部晶粒尺寸为ASTM的-2级。

如图6所示，采用中间停顿的四道次压缩后坯料的尺寸和晶粒尺寸分布，在进行四道次压缩后，坯料的变形量进一步增加，更能达到墩粗的目的，从组织看坯料整体晶粒得到了进一步细化，心部晶粒尺寸进一步减小到ASTM的3.5级。

镦粗处理过程中，需要实时记录坯料的温度，当坯料温度低于合金锻造工艺设定的变形温度范围时，停止该过程，并进行重新的回炉热处理。

所述方法中，所需的锻造高温合金材料镦粗之前的组织结构为晶粒尺寸极为粗大的原始铸态组织，第一次镦粗之后坯料发生了一定量的变形，发生了部分再结晶，晶粒尺寸在一定程度上得到了细化，两道次墩粗后坯料变形程度得到了提升，从组织上看晶粒得到了进一步的细化。

上述实施例1-3为3个工业实际生产案例，后续的实施例4为实验室机理角度的案例，故而停顿时间长于实施例1-3，由于高温合金样品的尺寸相比于较小实施例1-3为3个工业实际生产案例中的尺寸较小，故而保温时间应该比实施例1-3的小，实施例4的技术方案旨在说明机理。

实施例4

一种降低高温合金开坯镦粗过程抗力的方法，所述方法包括如下步骤：

S1、先对尺寸为φ8*12mm的小型高温合金的样品进行开坯前的加热处理，高温合金的样品以10℃/s的速度加热到1100℃，保温2min，使温度均匀；

S2、对步骤S1中加热处理后的高温合金的样品以1s^-1的速率进行压缩镦粗；

S3、在步骤S2的镦粗处理的过程中，当高温合金的样品抗力接近设备承载极限时，暂停镦粗过程，此时变形量为1.8mm，在有保温措施的前提下进行2min的停顿；

S4、对步骤S3中暂停镦粗过程的高温合金的样品，再次以1s^-1的速率进行压缩镦粗；

S5、经判断，步骤S4中再次进行镦粗过程的高温合金再次达到设备极限载荷，即当合金变形量达到3.6mm时，停止热压缩过程，样品的变形量比单次镦粗的变形量增加1.8mm，提高了100％。

如图7所示，采用中间停顿的双道次变形，在变形抗力相同的情况下，所能发生的变形量可提高一倍。

如图8所示，单道次变形后在原始的晶界上出现了细小的再结晶晶粒，但是再结晶晶粒的占比较低。

如图9所示，采用中间停顿的双道次压缩后样品的再结晶程度增加，再结晶晶粒有所长大，再结晶比例提高一倍。

上述方案中，本发明通过在接近快锻机承载极限的热变形后的短暂停顿，降低变形抗力，使得热变形后的变形量增加，获得所需的变形量。

本发明所述方法中，再次进行镦粗过程的下压速率为变速率或者是恒定速率，两次镦粗比单次镦粗的变形量增加了70％以上，三次镦粗比单次镦粗的变形量增加了150％以上。

本发明所述方法中，所需的锻造高温合金材料镦粗之前的组织结构为晶粒尺寸极为粗大的原始铸态组织，第一次镦粗之后坯料发生了一定量的变形，发生了部分再结晶，晶粒尺寸在一定程度上得到了细化，两道次墩粗后坯料变形程度得到了提升，从组织上看晶粒得到了进一步的细化。

综上，本发明的一种降低高温合金开坯镦粗过程抗力的方法，不仅在开坯镦粗过程中降低变形抗力的方法简单，不涉及现有技术中的槽结构、沟结构和多次热处理工艺的复杂操作，而且所获得的最终再结晶比例的含量为百分之多少，高于现有技术高温合金开坯镦粗所获得的最终再结晶比例的幅度为百分之多少。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种降低高温合金开坯镦粗过程抗力的方法，其特征在于，所述方法包括先对高温合金的样品进行开坯前的加热处理，之后镦粗处理；在镦粗过程中当样品抗力接近设备承载极限时，暂停镦粗过程，然后再次进行镦粗过程；判断样品是否达到变形量，如果样品达到所需变形量则停止，如果样品未达到所需变形量而达到设备承载极限，则样品需要再次暂停镦粗过程，然后样品再次进行镦粗过程，获得所需的锻造高温合金材料。

2.根据权利要求1所述的降低高温合金开坯镦粗过程抗力的方法，其特征在于，所述方法中，暂停镦粗过程的停顿时间为不大于30s。

3.根据权利要求1所述的降低高温合金开坯镦粗过程抗力的方法，其特征在于，所述方法中，在再次进行镦粗过程后，需要再次判断样品是否达到变形量，重复前述判断、镦粗和暂停镦粗步骤，直至样品达到所需变形量时停止。

4.根据权利要求1所述的降低高温合金开坯镦粗过程抗力的方法，其特征在于，所述方法中，开坯前的加热处理为均匀化热处理，再次进行镦粗过程中的镦粗速率的选择为继续保持停顿前的原速率或者降低变形速率。

5.根据权利要求2所述的降低高温合金开坯镦粗过程抗力的方法，其特征在于，所述方法中，镦粗处理的下压速率为V，当快锻机载荷达到设备承载能力上限载荷85-100％时，暂停镦粗过程，停顿5-20s，再次进行镦粗过程的下压速率为≤V。

6.根据权利要求5所述的降低高温合金开坯镦粗过程抗力的方法，其特征在于，所述方法中，再次进行镦粗过程的下压速率为变速率或者是恒定速率，两次镦粗比单次镦粗的变形量增加了70％以上，三次镦粗比单次镦粗的变形量增加了150％以上。

7.根据权利要求1所述的降低高温合金开坯镦粗过程抗力的方法，其特征在于，所述方法中，镦粗处理过程中，需要实时记录坯料的温度，当坯料温度低于合金锻造工艺设定的变形温度范围时，停止该过程，并进行重新的回炉热处理。

8.根据权利要求1所述的降低高温合金开坯镦粗过程抗力的方法，其特征在于，所述方法中，所需的锻造高温合金材料镦粗之前的组织结构为粗大的铸态晶粒组织，第一次镦粗之后的组织结构为部分区域发生了动态再结晶出现了再结晶晶粒，最后获得的组织结构为较为均匀的晶粒组织，与初始铸态组织相比晶粒尺寸减小。

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