CN116251924A - 镍基高温合金双性能盘形锻件3d打印坯料的等温锻造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镍基高温合金双性能盘形锻件3D打印坯料的等温锻造方法，其步骤为：首先采用3D打印镍基高温合金粉末制成原盘坯，然后通过第一次等温锻造把原盘坯整体锻造成中间坯，获得了第一个梯度晶粒度，中间坯整体晶粒度达到了7～9级，高温持久性能和蠕变性能等较好；再通过第二次等温锻造把中间坯的叶片预锻坯局部锻造成盘形锻件的叶片，获得了第二个梯度晶粒度，盘形锻件的叶片部位晶粒度达到了11～12级，高周疲劳性能和抗振动性能等较好，并最终完成了所述盘形锻件的锻造成形。采用上述整体+局部的锻造方法在一个单合金坯料本体上等温锻造出双性能盘形锻件，该方法主要用于航空发动机镍基高温合金双性能盘形锻件的成形。

Description

镍基高温合金双性能盘形锻件3D打印坯料的等温锻造方法

技术领域

本发明涉及一种高温合金锻件的锻造方法，特别是涉及了镍基高温合金双性能盘形锻件3D打印坯料的等温锻造方法。

背景技术

航空发动机高温合金盘形锻件例如压气机整体叶盘锻件，其结构为：从中心孔到外缘由轮毂、辐板、轮缘和叶片依次连接而成，所述轮缘由上鼓筒和下鼓筒组成一体。所述盘形锻件为适应高温、高应力、高转速、高速气流等极端恶劣的工作环境对不同部位承载能力的需求，失效形式以蠕变变形、裂纹萌生等为主的轮毂、辐板和轮缘这三个部位要求具有良好的高温持久性能和蠕变性能等性能，而工作时高速转动、振动大且受离心力、气压等冲击较大的叶片部位要求具有良好的高周疲劳性能和抗振动性能等性能，即轮毂、辐板和轮缘这三个部位与叶片部位要求的性能是不同的，本发明所说的双性能即是指轮毂、辐板和轮缘这三个部位的性能与叶片部位的性能。

采用3D打印是无法直接打印出镍基高温合金双性能盘形锻件的，3D打印由于是靠粉末逐点、逐层凝固，只能获得单一性能的盘形锻件；而且3D打印存在粉末熔合不完全、气孔等缺陷，加上残余应力大、零件塑性差易造成零件疲劳断裂。

双性能盘形锻件分为双合金双性能盘形锻件与单合金双性能盘形锻件。对于本发明所述的双性能盘形锻件来说，若采用双合金制造，需要用持久、抗蠕变的粗晶合金制作轮毂、辐板和轮缘这三个部位，用高强度的细晶合金制作叶片部位，再将两部分通过焊接、热等静压复合等方法连接起来，但两种合金连接处易形成裂纹源。

单合金双性能盘形锻件只要是整体锻造就不存在裂纹源问题，但是用整体锻造方法做不出所要求的晶粒度梯度分布。如2007年9月19日公开的中国发明专利说明书CN101036931A公开了一种GH4169合金盘形锻件在空气中的近等温锻造方法，其工艺过程为：加热GH4169合金原始棒料到995℃～1005℃后采用镦拔+冲孔+辗轧方法制作GH4169细晶毛坯；分别加热细晶毛坯到995℃～1005℃和锻模到950℃～965℃；细晶毛坯装模定位；同时加热细晶毛坯和锻模保持其加热温度；在55MN～65MN的锻造压力和0.01s^-1～0.05s^-1的应变速率下锻模锻压细晶毛坯成形，获得晶粒细小和强度较高且形状较为复杂的GH4169合金盘形锻件。该盘形锻件的形状与本发明所述盘形锻件的形状极为相近，但是属于单性能盘形锻件，制坯工艺较为复杂且坯料形状较为简单。

单合金双性能盘形锻件通常采用梯度热处理工艺获得。如2017年3月22日公开的中国发明专利说明书CN106514150A公开了一种Ti60合金双性能整体叶盘的制造方法，其步骤为：将Ti60合金棒材进行2次镦粗，然后冲孔，获得二次饼坯；将二次饼坯进行机械加工获得三次饼坯；将三次饼坯放入压力机下进行塑性变形获得叶盘锻件；将叶盘锻件放入隔热装置一起加热，从而获得不同性能的微观组织的整体叶盘，其中，轮毂部位存在着良好的网篮组织，而轮缘部位存在两相区加工组织。该方法首先通过锻造获得组织均匀的盘形锻件，然后在后续梯度热处理时在盘形锻件上建立梯度温度场，使轮毂部位和轮缘部位获得不同的组织，但这种梯度热处理工艺所使用的工装比较复杂，对温度梯度的控制要求较高。

2020年2月14日公开的中国发明专利说明书CN110788562A公开了一种镍基合金双性能整体叶盘的制造方法，其步骤为：针对锻态Φ100mm×150mm的GH4169合金棒材采用等温锻造进行鐓饼，等温锻造速度为0.02mm/s，变形量为60％；模具加热温度与镍基合金棒材加热温度均为1010℃，制备出双性能整体叶盘的均匀细晶GH4169合金盘毂毛坯，经机械加工后尺寸为Φ140mm×50mm；采用Φ0.8mm的GH4169合金焊丝在电子束枪聚焦的作用下，在GH4169合金盘毂毛坯上根据叶片进、排气边轮廓逐层熔丝沉积叶片毛坯，得到整体叶盘毛坯；将表面涂覆玻璃润滑剂的增材制造GH4169合金的整体叶盘毛坯加热到1010℃，进行保温；将保温后的整体叶盘毛坯放入锻造模具内等温锻造成形，模具加热温度与坯料加热温度一致，锻造速度为0.6mm/s，压下量h为8mm，变形量为16％，等温锻造完成后得到整体叶盘锻件。该方法首先经大变形量等温锻造制造出细晶盘毂毛坯，然后在盘毂毛坯上采用电子束熔丝增材制造方法制备出粗大柱状晶的叶片毛坯，再对整体叶盘毛坯进行小变形量的等温锻造变形，获得了双性能整体叶盘锻件。采用该方法制备的整体叶盘锻件属于单合金双性能盘形锻件，但由于盘毂和叶片采用电子束熔丝增材制造进行连接，同样在连接处易形成裂纹源，这种裂纹源是在电子束熔丝增材制造过程中带来的，靠小变形量等温锻造是很难消除的。

综上所述，对于单合金双性能盘形锻件，如何在一个坯料本体上等温锻造出双性能盘形锻件，成了当前研发的重点方向。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种采用原盘坯整体锻造和中间坯局部锻造来实现镍基高温合金双性能盘形锻件3D打印坯料的等温锻造方法，该方法通过两次等温锻造变形在一个镍基高温合金坯料本体上锻造出了双性能盘形锻件。

为解决上述技术问题，本发明所述镍基高温合金双性能盘形锻件3D打印坯料的等温锻造方法，包括以下步骤：

把镍基高温合金粉末经3D打印制成原盘坯，然后进行去应力退火，所述原盘坯从中心孔到外缘依次由轮毂辐板坯和轮缘坯连接而成；所述轮缘坯由上鼓筒坯和下鼓筒坯组成一体；

提供盘形锻件的中间坯模具，所述中间坯模具主要由上坯模和下坯模组成，上坯模和下坯模合模后形成中间坯型腔；所述上坯模由上坯模芯块和套在上坯模芯块外缘的上坯模套块组成；所述下坯模主要由下坯模芯块和套在下坯模芯块外缘的下坯模套块组成，并且在下坯模芯块的中心孔内装有下坯模顶块，上坯模和下坯模合模后下坯模顶块的顶面与上坯模芯块的底面接触；

在惰性气体保护气氛状态下，先把原盘坯和开启的中间坯模具预热至表面温度达150℃±5℃，在原盘坯和中间坯型腔的表面均匀喷涂上润滑剂；再把原盘坯和中间坯模具都加热到1020℃±5℃，把原盘坯装进中间坯模具中使原盘坯位于中间坯型腔内，原盘坯的上内凹面与上坯模芯块的底转角面紧密配合，原盘坯的下内凹面与下坯模芯块的顶转角面紧密配合，并被上坯模芯块牢牢压住在下坯模芯块上完成原盘坯在中间坯模具内的装模和定位；

启动锻压机使上坯模和下坯模合模，锻压机通过中间坯模具对原盘坯施加30MN～50MN的压力使原盘坯在中间坯型腔内以0.1mm/s～0.2mm/s的压下速度匀速、慢速压制变形50％后成为中间坯；所述中间坯从中心孔到外缘由轮毂、辐板、轮缘预锻坯和叶片预锻坯依次连接而成，所述轮缘预锻坯由上鼓筒预锻坯和下鼓筒预锻坯组成一体，所述中间坯的轮毂和辐板分别与所述盘形锻件的轮毂和辐板相同，所述中间坯的轮缘预锻坯的厚度与所述盘形锻件轮缘的厚度相同，所述中间坯的上鼓筒预锻坯的内径和外径分别与所述盘形锻件的上鼓筒的内径和外径相同，所述中间坯的下鼓筒预锻坯的内径和外径分别与所述盘形锻件的下鼓筒的内径和外径相同；

提供盘形锻件模具，所述盘形锻件模具主要由上锻模和下锻模组成，上锻模和下锻模合模后形成盘形锻件型腔；上锻模由上锻模芯块和套在上锻模芯块外缘的上锻模套块组成；下锻模主要由下锻模芯块和套在下锻模芯块外缘的下锻模套块组成，并且在下锻模芯块的中心孔内装有下锻模顶块，上锻模和下锻模合模后下锻模顶块的顶面与上锻模芯块的底面接触；

把中间坯从轮毂、辐板到轮缘预锻坯的上下端面用隔热层包裹住，只留叶片预锻坯露在外面；

在惰性气体保护气氛状态下，先把中间坯的叶片预锻坯和开启的盘形锻件模具预热至表面温度达150℃±5℃，在中间坯的叶片预锻坯的上下端面和外缘面以及盘形锻件型腔的表面均匀喷涂上润滑剂；再把中间坯的叶片预锻坯和盘形锻件模具都加热到995℃±5℃，之后把包裹住中间坯的隔热层撤走；

把中间坯装进盘形锻件模具中使中间坯位于盘形锻件型腔内，中间坯的中心孔套进下锻模顶块的顶部圆形模块中，上锻模套块的底部模块压住中间坯的叶片预锻坯的上端面，下锻模套块的中部模块顶住中间坯的叶片预锻坯的下端面，完成中间坯在盘形锻件模具内的装模和定位；

启动锻压机使上锻模和下锻模合模，锻压机通过盘形锻件模具的上锻模套块的底部模块和下锻模套块的中部模块对中间坯的叶片预锻坯施加30MN～50MN的压力使中间坯的叶片预锻坯在盘形锻件型腔内以1mm/s～1.5mm/s的压下速度匀速、快速压制变形55％成为盘形锻件100的叶片，完成盘形锻件的最终锻造成形。

所述镍基高温合金的材料牌号是GH4169。

所述镍基高温合金粉末的粒度是100目～300目。

所述原盘坯去应力退火是把原盘坯加热到850℃，保温24小时，空冷。

所述惰性气体保护气氛是指在密封的锻造室内充满气压达到0.04MPa～0.05MPa的氩气作为保护气氛。

所述用于喷涂的润滑剂是玻璃润滑剂。

所述包裹住中间坯的隔热层是硅酸铝纤维隔热层。

所述盘形锻件、原盘坯和中间坯之间的尺寸关系如下：

①d3＝D03＝D3；d6＝D06＝D6；D02＝D2；D04＝D4；D05＝D5；D07＝D7；H04＝H4；H05＝H5；H0＝H；

式中：

d3是原盘坯的轮缘坯的下鼓筒坯的内径；

D03是中间坯的轮缘预锻坯的下鼓筒预锻坯的内径；

D3是盘形锻件轮缘的下鼓筒的内径；

d6是原盘坯的轮缘坯的上鼓筒坯的内径；

D06是中间坯的轮缘预锻坯的上鼓筒预锻坯的内径；

D6是盘形锻件轮缘的上鼓筒的内径；

D02是中间坯的轮缘预锻坯的下鼓筒预锻坯的外径；

D2是盘形锻件轮缘的下鼓筒的外径；

D04是中间坯轮毂的外径；

D4是盘形锻件轮毂的外径；

D05是中间坯中心孔的直径；

D5是盘形锻件中心孔的直径；

D07是中间坯的轮缘预锻坯的上鼓筒预锻坯的外径；

D7是盘形锻件轮缘的上鼓筒的外径；

H04是中间坯轮毂的厚度；

H4是盘形锻件轮毂的厚度；

H05是中间坯辐板的厚度；

H5是盘形锻件辐板的厚度；

H0是中间坯的厚度；

H盘形锻件100的厚度；

②h4×2÷(H04+H05)≥λ1；h÷H0≥λ2；D1÷d1≥λ3；d5÷D05≥λ4；并且H04＝H4、H05＝H5、H0＝H、D05＝D5；

式中：

λ1、λ2、λ3、λ4是变形系数，取值是：λ1＝2.4、λ2＝1.33、λ3＝1.2、λ4＝2；

h4是原盘坯的轮毂辐板坯的厚度；

H04是中间坯轮毂的厚度；

H4是盘形锻件轮毂的厚度；

H05是中间坯辐板的厚度；

H5是盘形锻件辐板的厚度；

h是原盘坯的厚度；

H0是中间坯的厚度；

H盘形锻件100的厚度；

D1是盘形锻件的外径；

d1是原盘坯的外径；

d5是原盘坯中心孔的直径；

D05是中间坯中心孔的直径；

D5是盘形锻件中心孔的直径；

③d2÷D05＝K(D01÷d1)；并且D05＝D5；式中：

K是充型速率系数，取值是：1.85；

d2是原盘坯的轮缘坯的下鼓筒坯的外径；

D05是中间坯中心孔的直径；

D5是盘形锻件中心孔的直径；

D01是中间坯的外径；

d1是原盘坯的外径；

④

式中：

w1、w2是失稳系数，取值是：w1＝4、w2＝3；α1是原盘坯的轮缘坯外缘的下倾角；

α2是原盘坯的轮缘坯外缘的上倾角；

h是原盘坯的厚度；

h1是原盘坯的上鼓筒坯外缘的厚度；

h3是原盘坯的下鼓筒坯外缘的厚度；

d2是原盘坯的轮缘坯的下鼓筒坯的外径；

d3是原盘坯的轮缘坯的下鼓筒坯的内径；

d6是原盘坯的轮缘坯的上鼓筒坯的内径；

d7是原盘坯的轮缘坯的上鼓筒坯的外径；

⑤H02÷H2≥λ5；

式中：

λ5是变形系数，取值是：λ5＝2.2；

H02是中间坯的叶片预锻坯的厚度；

H2是盘形锻件叶片的厚度。

所述盘形锻件锻后进行固溶+时效处理；所述固溶处理是把盘形锻件加热到980℃±5℃，保温3h后进行空冷；所述时效处理是把固溶处理后的盘形锻件加热到720±5℃，保温8.5h，按50℃/h的速率随炉冷至620℃，保温8h后进行空冷。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明所述镍基高温合金双性能盘形锻件3D打印坯料的等温锻造方法，首先采用3D打印镍基高温合金粉末制成原盘坯，然后通过第一次等温锻造把原盘坯整体锻造成中间坯，获得了第一个梯度晶粒度，中间坯整体晶粒度达到了7～9级，高温持久性能和蠕变性能等性能较好；再通过第二次等温锻造把中间坯的叶片预锻坯局部锻造成盘形锻件的叶片，获得了第二个梯度晶粒度，盘形锻件的叶片部位晶粒度达到了11～12级，高周疲劳性能和抗振动性能等性能较好。采用上述整体+局部的锻造方法在一个盘形锻件上做到了所要求的晶粒度梯度分布，实现了在一个单合金坯料本体上等温锻造出双性能盘形锻件。相对于双合金双性能盘形锻件通过焊接和热等静压复合等方法连接、单合金双性能盘形锻件采用电子束熔丝增材制造进行连接等技术方案解决了裂纹源的问题；相对于单合金双性能盘形锻件采用梯度热处理工艺的技术方案，省掉了复杂的工装，简化了操作，温度梯度控制要求较低。而且采用一个单合金坯料直接锻造出一个单合金双性能盘形锻件，使盘形锻件的整体性能得到了极大提升，能够满足航空发动机极端恶劣工作环境的要求，有利于提高航空发动机的整体性能和实现更新换代。

本发明通过3D打印制取原盘坯，所述原盘坯根据盘形锻件的形状来设计，从中心孔到外缘依次由轮毂辐板坯和轮缘坯连接而成，克服了现有技术制坯工艺较为复杂且坯料形状较为简单的问题；并且原盘坯的轮毂辐板坯通过第一次在惰性气体保护气氛状态下进行等温锻造成形为盘形锻件的轮毂和辐板，原盘坯的轮缘坯通过第一、二次在惰性气体保护气氛状态下进行等温锻造最终成形为盘形锻件的轮缘和叶片，这种按部位对号入座的成形方式以及在惰性气体保护气氛状态下进行等温锻造能够消除冷模效应，实现超塑性成形，有利于降低难变形的镍基高温合金的变形抗力，克服3D打印坯料塑性差的问题，能够释放3D打印坯料产生的残余应力，压实3D打印粉末未完全熔合、有气孔等缺陷，提高锻件成形率，即能够实现3D打印粉末坯料的高质量锻造成形。

本发明通过创造性设计原盘坯、中间坯以及原盘坯、中间坯与盘形锻件之间的尺寸匹配关系，获得了适用于本发明3D打印的原盘坯和最优中间坯的形状和尺寸，有利于实现分料式锻造，提高坯料变形的均衡性、坯料充型的安全性，获得组织和性能均匀的锻件。

附图说明

下面结合附图和具体实施方案对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明所述镍基高温合金双性能盘形锻件的结构图。

图2是用3D打印镍基高温合金粉末制取的原盘坯结构图。

图3是本发明所述盘形锻件的中间坯模具结构图。

图4是图2所示的原盘坯装进图3所示的中间坯模具的装配图。

图5是用图2所示的原盘坯锻造成形的中间坯结构图。

图6是用于锻造图1所示的盘形锻件的模具。

图7是图5所示的中间坯用硅酸铝纤维隔热层包裹住的示意图。

图8是图5所示的中间坯装进图6所示的盘形锻件模具的装配图。

具体实施方式

实施本发明所述镍基高温合金双性能盘形锻件3D打印坯料的等温锻造方法，需要提供3D打印机、锻压机、加热装置、机械手及保护气氛等温锻造室等相关设备和设施。

下面以材料牌号为GH4169的镍基高温合金粉末为例来详细说明本发明的工艺步骤。

该合金粉末成分控制如下(重量百分比％)：含C量0.02～0.06％、含Cr量17.0～21.0％、含Ni量50.0～55.0％、含Co量≤1.0％、含Mo量2.80～3.30％、含Al量0.30～0.70％、含Ti量0.75～1.15％、含Nb量5.00～5.50％、含B量≤0.006％、含Mg量≤0.01％、含Mn量≤0.35％、含Si量≤0.35％、含P量≤0.015％、含S量≤0.015％、含Cu量≤0.30％、含Ca量≤0.01％，余量为Fe。

如图1所示，本发明所述盘形锻件100，从中心孔到外缘由轮毂101、辐板102、轮缘103和叶片104依次连接而成，所述轮缘103由上鼓筒103a和下鼓筒103b组成一体。

图1中：

D1是盘形锻件100的外径；

D2是轮缘103下鼓筒103b的外径；

D3是轮缘103下鼓筒103b的内径；

D4是轮毂101的外径；

D5是盘形锻件100的中心孔直径，也是轮毂101的内径；

D6是轮缘103上鼓筒103a的内径；

D7是轮缘103上鼓筒103a的外径；

H盘形锻件100的厚度；

H1是上鼓筒103a外缘的厚度；

H2是叶片104的厚度；

H3是下鼓筒103b外缘的厚度；

H4是轮毂101的厚度；

H5是辐板102的厚度。

步骤一：3D打印制取原盘坯。

把GH4169合金粉末例如粒度为100目～300目的粉末经3D打印制成如图2所示的原盘坯200，原盘坯200从中心孔到外缘依次由轮毂辐板坯201-2和轮缘坯203连接而成；轮缘坯203由上鼓筒坯203a和下鼓筒坯203b组成一体。原盘坯200制好后进行去应力退火，所述去应力退火是把原盘坯200加热到850℃，保温24小时，空冷。

图2中：

d1是原盘坯200的外径；

d2是轮缘坯203的下鼓筒坯203b的外径；

d3是轮缘坯203的下鼓筒坯203b的内径；

d5是原盘坯200中心孔直径；

d6是轮缘坯203的上鼓筒坯203a的内径；

d7是轮缘坯203的上鼓筒坯203a的外径；

h是原盘坯200的厚度；

h1是上鼓筒坯203a外缘的厚度；

h3是下鼓筒坯203b外缘的厚度；

h4是轮毂辐板坯201-2的厚度；

α1是轮缘坯203外缘的下倾角；

α2是轮缘坯203外缘的上倾角。

步骤二：等温锻造中间坯。

如图3所示，首先提供盘形锻件100的中间坯模具300，中间坯模具300主要由上坯模310和下坯模320组成，上坯模310和下坯模320合模后形成中间坯型腔330。上坯模310由上坯模芯块312和套在上坯模芯块312外缘的上坯模套块311组成；下坯模320主要由下坯模芯块322和套在下坯模芯块322外缘的下坯模套块321组成，并且在下坯模芯块322的中心孔内装有下坯模顶块323，上坯模310和下坯模320合模后下坯模顶块323的顶面与上坯模芯块312的底面接触。

如图4所示，在惰性气体保护气氛状态下，例如在密封的气压达到0.04MPa～0.05MPa氩气保护气氛锻造室内(附图中未示出，所述锻造室内装有锻压机、加热炉、自动喷涂润滑剂设备，以及用于夹持、转运和装卸坯料的自动控制机械手等)，先把原盘坯200和开启的中间坯模具300预热至表面温度达150℃±5℃，在原盘坯200和中间坯型腔330的表面均匀喷涂上润滑剂，例如玻璃润滑剂；再把原盘坯200和中间坯模具300都加热到1020℃±5℃，把原盘坯200装进中间坯模具300中使原盘坯200位于中间坯型腔330内，原盘坯200的上内凹面与上坯模芯块312的底转角面紧密配合，原盘坯200的下内凹面与下坯模芯块322的顶转角面紧密配合，并被上坯模芯块312牢牢压住在下坯模芯块322上完成原盘坯200在中间坯模具300内的装模和定位。

在惰性气体保护气氛状态下，启动锻压机使上坯模310和下坯模320合模，锻压机通过中间坯模具300对原盘坯200施加30MN～50MN的压力使原盘坯200在中间坯型腔330内以0.1mm/s～0.2mm/s的压下速度匀速、慢速压制变形50％后成为如图5所示的中间坯400。中间坯400从中心孔到外缘由轮毂401(与盘形锻件100的轮毂101相同)、辐板402(与盘形锻件100的辐板102相同)、轮缘预锻坯403和叶片预锻坯404依次连接而成，所述轮缘预锻坯403由上鼓筒预锻坯403a和下鼓筒预锻坯403b组成一体；轮缘预锻坯403的厚度与盘形锻件100轮缘103的厚度相同，上鼓筒预锻坯403a的内径和外径分别与盘形锻件100的上鼓筒103a的内径和外径相同，下鼓筒预锻坯403b的内径和外径分别与盘形锻件100的下鼓筒103b的内径和外径相同。

在上述对原盘坯200进行加热和锻造过程中，把原盘坯200加热到1020℃±5℃进行锻造，锻造温度设置稍微偏高，有利于原盘坯200进行整体、充分再结晶，降低充型难度，采用0.1mm/s～0.2mm/s的压下速度匀速、慢速压制变形，旨在充分完成动态再结晶，原盘坯200变形成形为中间坯400后，中间坯400的晶粒度达到了7～9级，由于中间坯400的晶粒较粗大，高温持久性能和蠕变性能等性能较好。

图5中：

D01是中间坯400的外径；

D02是轮缘预锻坯403的下鼓筒预锻坯403b的外径；

D03是轮缘预锻坯403的下鼓筒预锻坯403b的内径；

D04是轮毂401的外径；

D05是中间坯400的中心孔直径，也是轮毂401的内径；

D06是轮缘预锻坯403的上鼓筒预锻坯403a的内径；

D07是轮缘预锻坯403的上鼓筒预锻坯403a的外径；

H0是中间坯400的厚度；

H01是上鼓筒预锻坯403a外缘的厚度；

H02是叶片预锻坯404的厚度；

H03是下鼓筒预锻坯403b外缘的厚度；

H04是轮毂401的厚度；

H05是辐板402的厚度。

步骤三：等温锻造双性能盘形锻件。

如图6所示，首先提供盘形锻件模具500，盘形锻件模具500主要由上锻模510和下锻模520组成，上锻模510和下锻模520合模后形成盘形锻件型腔530。上锻模510由上锻模芯块512(与图3中中间坯模具300的上坯模芯块312相同)和套在上锻模芯块512外缘的上锻模套块511组成；下锻模520主要由下锻模芯块522(与图3中中间坯模具300的下坯模芯块322相同)和套在下锻模芯块522外缘的下锻模套块521组成，并且在下锻模芯块522的中心孔内装有下锻模顶块523(与图3中中间坯模具300的下坯模顶块323相同)，上锻模510和下锻模520合模后下锻模顶块523的顶面与上锻模芯块512的底面接触。

从图6所示的盘形锻件模具500和图3所示的中间坯模具300可以看出，盘形锻件模具500与中间坯模具300的区别在于把图3中的上坯模套块311和下坯模套块321分别换成了图6中的上锻模套块511和下锻模套块521；而图6中的上锻模芯块512、下锻模芯块522、下锻模顶块523由于与图3中的相应模块相同而没有更换。

如图7所示，先把中间坯400从轮毂401、辐板402到轮缘预锻坯403的上下端面用隔热层例如硅酸铝纤维隔热层600包裹住，只留叶片预锻坯404露在外面。

在惰性气体保护气氛状态下，例如在密封的气压达到0.04MPa～0.05MPa氩气保护气氛锻造室内(附图中未示出，所述锻造室内装有锻压机、加热炉、自动喷涂润滑剂设备，以及用于夹持、转运和装卸坯料的自动控制机械手等)，先把中间坯400的叶片预锻坯404和开启的盘形锻件模具500预热至表面温度达150℃±5℃，在中间坯400的叶片预锻坯404的上下端面和外缘面以及盘形锻件型腔530的表面均匀喷涂上润滑剂，例如玻璃润滑剂；再把中间坯400的叶片预锻坯404和盘形锻件模具500都加热到995℃±5℃，由于中间坯400除叶片预锻坯404外其余部位均被硅酸铝纤维隔热层600包裹住，因此，中间坯400只有叶片预锻坯404部位达到了995℃±5℃，其余被包裹住的部位未达到锻造温度，之后把包裹住中间坯400的硅酸铝纤维隔热层600撤走。

如图8所示，把中间坯400装进盘形锻件模具500中使中间坯400位于盘形锻件型腔530内，中间坯400的中心孔套进下锻模顶块523的顶部圆形模块中，上锻模套块511的底部模块压住中间坯400的叶片预锻坯404的上端面，下锻模套块521的中部模块顶住中间坯400的叶片预锻坯404的下端面，完成中间坯400在盘形锻件模具500内的装模和定位。

启动锻压机使上锻模510和下锻模520合模，锻压机通过盘形锻件模具500的上锻模套块511的底部模块和下锻模套块521的中部模块对中间坯400的叶片预锻坯404施加30MN～50MN的压力使中间坯400的叶片预锻坯404在盘形锻件型腔530内以1mm/s～1.5mm/s的压下速度匀速、快速压制变形55％成为如图1所示的盘形锻件100的叶片104，从而完成盘形锻件100的最终锻造成形。

在上述对中间坯400的叶片预锻坯404部位进行加热和锻造过程中，把中间坯400的叶片预锻坯404部位加热到995℃±5℃进行锻造，锻造温度设置稍微偏低，有利于盘形锻件100的叶片104部位获得更细的晶粒；采用1mm/s～1.5mm/s的压下速度匀速、快速压制变形，变形速率提高使晶粒形核率提高，有利于获得细晶。中间坯400变形成形为盘形锻件100后，盘形锻件100的叶片104部位晶粒度达到了11～12级，由于叶片104部位的晶粒较细小，高周疲劳性能和抗振动性能等性能较好。

而中间坯400从轮毂401、辐板402到轮缘预锻坯403的上下端面由于用硅酸铝纤维隔热层600包裹住，加热时未达到锻造温度，在锻造过程中是不变形的，并且在锻造中间坯400时已形成了盘形锻件100的轮毂101、辐板102和轮缘103的上下端面，因此，盘形锻件100的轮毂101、辐板102和轮缘103的晶粒度就是中间坯400的轮毂401、辐板402和轮缘预锻坯403的晶粒度，即步骤二中的7～9级晶粒度。

综上所述，盘形锻件100的轮毂101、辐板102和轮缘103这三个部位具有良好的高温持久性能和蠕变性能等性能，而盘形锻件100的叶片104部位具有良好的高周疲劳性能和抗振动性能等性能，因此，采用本发明所述的方法锻造出了镍基高温合金双性能盘形锻件。

在图1所示的盘形锻件100、图2所示的原盘坯200和图5所示的中间坯400的尺寸关系中：

①d3＝D03＝D3；d6＝D06＝D6；D02＝D2；D04＝D4；D05＝D5；D07＝D7；H04＝H4；H05＝H5；H0＝H。

这样设计在于使原盘坯200中轮缘坯203的下鼓筒坯203b的内环面与盘形锻件100中轮缘103下鼓筒103b的内环面斜度相同；轮缘坯203的上鼓筒坯203a的内环面与轮缘103上鼓筒103a的内环面斜度相同；锻造时，原盘坯200的上内凹面与上坯模芯块312的底转角面紧密配合，原盘坯200的下内凹面与下坯模芯块322的底转角面紧密配合；这样，原盘坯200在锻造成形为中间坯400的过程中，通过模块作用首先是从中间坯400的辐板402方向开始压料促使坯料金属流动从辐板402所处位置分别向中间坯400的轮毂401方向和轮缘预锻坯403方向扩散，这种分料式锻造有利于中间坯400的轮毂401、辐板402和轮缘预锻坯403的锻造成形和获得均匀的组织。由于中间坯400的轮毂401与盘形锻件100的轮毂101相同、中间坯400的辐板402与盘形锻件100的辐板102相同，中间坯400的轮缘预锻坯403的内外径和厚度与盘形锻件100轮缘103的内外径和厚度相同，即盘形锻件100的锻造成形首先是从上下内盘面和轮缘103的上下端面开始的，为后续把中间坯400的叶片预锻坯404单独锻造成盘形锻件100的叶片104打下了基础。

②h4×2÷(H04+H05)≥λ1；h÷H0≥λ2；D1÷d1≥λ3；d5÷D05≥λ4。

式中：H04＝H4、H05＝H5、H0＝H、D05＝D5；λ1、λ2、λ3、λ4是变形系数，本发明取值为：λ1＝2.4、λ2＝1.33、λ3＝1.2、λ4＝2。

这样设计在于原盘坯200在变形时能够从厚度和直径方向均衡兼顾变形量，避免原盘坯200在锻造成形为中间坯400的过程中厚度过大导致厚度方向的变形量过大而出现压不到位的情况，同时也可避免厚度过小导致厚度方向的变形量不足而不能完全细化晶粒的情况出现，保证坯料变形的均衡性。

③d2÷D05＝K(D01÷d1)。

式中：D05＝D5；K是充型速率系数，本发明取值为1.85。

这样设计在于原盘坯200变形成为中间坯400的过程中，中间坯400的轮毂401、辐板402和轮缘预锻坯403能够同时充满型腔，从而克服轮缘预锻坯403由于充型速率比轮毂401和辐板402慢造成最后才充满的情况发生，保证坯料充型的安全性。

④

式中：w1、w2是失稳系数，本发明取值为w1＝4、w2＝3；

这样设计在于限制轮缘坯203外缘的下倾角α1和上倾角α2均小于或等于15°(防折叠斜度)，使原盘坯200在变形成为中间坯400的过程中避免产生失稳或折叠现象，保证坯料充型的稳定性。

⑤H02÷H2≥λ5

λ5是变形系数，本发明取值为：λ5＝2.2；

这样设计在于使中间坯400的叶片预锻坯404在变形成为盘形锻件100的叶片104时能够有较大的变形量使晶粒细化。

步骤四：锻后热处理

锻后对盘形锻件100进行热处理，即固溶+时效处理。其中固溶处理是把盘形锻件100加热到980℃±5℃，保温3h后进行空冷；时效处理是把固溶处理后的盘形锻件100加热到720±5℃，保温8.5h，按50℃/h的速率随炉冷至620℃，保温8h后进行空冷。

Claims (10)

1.一种镍基高温合金双性能盘形锻件3D打印坯料的等温锻造方法，其特征在于，包括以下步骤：

把镍基高温合金粉末经3D打印制成原盘坯，然后进行去应力退火，所述原盘坯从中心孔到外缘依次由轮毂辐板坯和轮缘坯连接而成；所述轮缘坯由上鼓筒坯和下鼓筒坯组成一体；

提供盘形锻件的中间坯模具，所述中间坯模具主要由上坯模和下坯模组成，上坯模和下坯模合模后形成中间坯型腔；所述上坯模由上坯模芯块和套在上坯模芯块外缘的上坯模套块组成；所述下坯模主要由下坯模芯块和套在下坯模芯块外缘的下坯模套块组成，并且在下坯模芯块的中心孔内装有下坯模顶块，上坯模和下坯模合模后下坯模顶块的顶面与上坯模芯块的底面接触；

在惰性气体保护气氛状态下，先把原盘坯和开启的中间坯模具预热至表面温度达150℃±5℃，在原盘坯和中间坯型腔的表面均匀喷涂上润滑剂；再把原盘坯和中间坯模具都加热到1020℃±5℃，把原盘坯装进中间坯模具中使原盘坯位于中间坯型腔内，原盘坯的上内凹面与上坯模芯块的底转角面紧密配合，原盘坯的下内凹面与下坯模芯块的顶转角面紧密配合，并被上坯模芯块牢牢压住在下坯模芯块上完成原盘坯在中间坯模具内的装模和定位；

启动锻压机使上坯模和下坯模合模，锻压机通过中间坯模具对原盘坯施加30MN～50MN的压力使原盘坯在中间坯型腔内以0.1mm/s～0.2mm/s的压下速度匀速、慢速压制变形50％后成为中间坯；所述中间坯从中心孔到外缘由轮毂、辐板、轮缘预锻坯和叶片预锻坯依次连接而成，所述轮缘预锻坯由上鼓筒预锻坯和下鼓筒预锻坯组成一体，所述中间坯的轮毂和辐板分别与所述盘形锻件的轮毂和辐板相同，所述中间坯的轮缘预锻坯的厚度与所述盘形锻件轮缘的厚度相同，所述中间坯的上鼓筒预锻坯的内径和外径分别与所述盘形锻件的上鼓筒的内径和外径相同，所述中间坯的下鼓筒预锻坯的内径和外径分别与所述盘形锻件的下鼓筒的内径和外径相同；

提供盘形锻件模具，所述盘形锻件模具主要由上锻模和下锻模组成，上锻模和下锻模合模后形成盘形锻件型腔；上锻模由上锻模芯块和套在上锻模芯块外缘的上锻模套块组成；下锻模主要由下锻模芯块和套在下锻模芯块外缘的下锻模套块组成，并且在下锻模芯块的中心孔内装有下锻模顶块，上锻模和下锻模合模后下锻模顶块的顶面与上锻模芯块的底面接触；

把中间坯从轮毂、辐板到轮缘预锻坯的上下端面用隔热层包裹住，只留叶片预锻坯露在外面；

在惰性气体保护气氛状态下，先把中间坯的叶片预锻坯和开启的盘形锻件模具预热至表面温度达150℃±5℃，在中间坯的叶片预锻坯的上下端面和外缘面以及盘形锻件型腔的表面均匀喷涂上润滑剂；再把中间坯的叶片预锻坯和盘形锻件模具都加热到995℃±5℃，之后把包裹住中间坯的隔热层撤走；

把中间坯装进盘形锻件模具中使中间坯位于盘形锻件型腔内，中间坯的中心孔套进下锻模顶块的顶部圆形模块中，上锻模套块的底部模块压住中间坯的叶片预锻坯的上端面，下锻模套块的中部模块顶住中间坯的叶片预锻坯的下端面，完成中间坯在盘形锻件模具内的装模和定位；

启动锻压机使上锻模和下锻模合模，锻压机通过盘形锻件模具的上锻模套块的底部模块和下锻模套块的中部模块对中间坯的叶片预锻坯施加30MN～50MN的压力使中间坯的叶片预锻坯在盘形锻件型腔内以1mm/s～1.5mm/s的压下速度匀速、快速压制变形55％成为盘形锻件100的叶片，完成盘形锻件的最终锻造成形。

2.如权利要求1所述的镍基高温合金双性能盘形锻件3D打印坯料的等温锻造方法，其特征在于，所述镍基高温合金的材料牌号是GH4169。

3.如权利要求1所述的镍基高温合金双性能盘形锻件3D打印坯料的等温锻造方法，其特征在于，所述镍基高温合金粉末的粒度是100目～300目。

4.如权利要求1所述的镍基高温合金双性能盘形锻件3D打印坯料的等温锻造方法，其特征在于，所述原盘坯去应力退火是把原盘坯加热到850℃，保温24小时，空冷。

5.如权利要求1所述的镍基高温合金双性能盘形锻件3D打印坯料的等温锻造方法，其特征在于，所述惰性气体保护气氛是指在密封的锻造室内充满气压达到0.04MPa～0.05MPa的氩气作为保护气氛。

6.如权利要求1所述的镍基高温合金双性能盘形锻件3D打印坯料的等温锻造方法，其特征在于，所述用于喷涂的润滑剂是玻璃润滑剂。

7.如权利要求1所述的镍基高温合金双性能盘形锻件3D打印坯料的等温锻造方法，其特征在于，所述包裹住中间坯的隔热层是硅酸铝纤维隔热层。

8.如权利要求1至7中任一项所述的镍基高温合金双性能盘形锻件3D打印坯料的等温锻造方法，其特征在于，所述盘形锻件、原盘坯和中间坯之间的尺寸关系如下：

①d3＝D03＝D3；d6＝D06＝D6；D02＝D2；D04＝D4；D05＝D5；D07＝D7；H04＝H4；H05＝H5；H0＝H；

式中：

d3是原盘坯的轮缘坯的下鼓筒坯的内径；

D03是中间坯的轮缘预锻坯的下鼓筒预锻坯的内径；

D3是盘形锻件轮缘的下鼓筒的内径；

d6是原盘坯的轮缘坯的上鼓筒坯的内径；

D06是中间坯的轮缘预锻坯的上鼓筒预锻坯的内径；

D6是盘形锻件轮缘的上鼓筒的内径；

D02是中间坯的轮缘预锻坯的下鼓筒预锻坯的外径；

D2是盘形锻件轮缘的下鼓筒的外径；

D04是中间坯轮毂的外径；

D4是盘形锻件轮毂的外径；

D05是中间坯中心孔的直径；

D5是盘形锻件中心孔的直径；

D07是中间坯的轮缘预锻坯的上鼓筒预锻坯的外径；

D7是盘形锻件轮缘的上鼓筒的外径；

H04是中间坯轮毂的厚度；

H4是盘形锻件轮毂的厚度；

H05是中间坯辐板的厚度；

H5是盘形锻件辐板的厚度；

H0是中间坯的厚度；

H盘形锻件100的厚度；

②h4×2÷(H04+H05)≥λ1；h÷H0≥λ2；D1÷d1≥λ3；d5÷D05≥λ4；并且H04＝H4、H05＝H5、H0＝H、D05＝D5；

式中：

λ1、λ2、λ3、λ4是变形系数，取值是：λ1＝2.4、λ2＝1.33、λ3＝1.2、λ4＝2；

h4是原盘坯的轮毂辐板坯的厚度；

H04是中间坯轮毂的厚度；

H4是盘形锻件轮毂的厚度；

H05是中间坯辐板的厚度；

H5是盘形锻件辐板的厚度；

h是原盘坯的厚度；

H0是中间坯的厚度；

H盘形锻件100的厚度；

D1是盘形锻件的外径；

d1是原盘坯的外径；

d5是原盘坯中心孔的直径；

D05是中间坯中心孔的直径；

D5是盘形锻件中心孔的直径；

③d2÷D05＝K(D01÷d1)；并且D05＝D5；

式中：

K是充型速率系数，取值是：1.85；

d2是原盘坯的轮缘坯的下鼓筒坯的外径；

D05是中间坯中心孔的直径；

D5是盘形锻件中心孔的直径；

D01是中间坯的外径；

d1是原盘坯的外径；

④

式中：

w1、w2是失稳系数，取值是：w1＝4、w2＝3；α1是原盘坯的轮缘坯外缘的下倾角；

α2是原盘坯的轮缘坯外缘的上倾角；

h是原盘坯的厚度；

h1是原盘坯的上鼓筒坯外缘的厚度；

h3是原盘坯的下鼓筒坯外缘的厚度；

d2是原盘坯的轮缘坯的下鼓筒坯的外径；

d3是原盘坯的轮缘坯的下鼓筒坯的内径；

d6是原盘坯的轮缘坯的上鼓筒坯的内径；

d7是原盘坯的轮缘坯的上鼓筒坯的外径；

⑤H02÷H2≥λ5；

式中：

λ5是变形系数，取值是：λ5＝2.2；

H02是中间坯的叶片预锻坯的厚度；

H2是盘形锻件叶片的厚度。

9.如权利要求1所述的镍基高温合金双性能盘形锻件3D打印坯料的等温锻造方法，其特征在于，所述盘形锻件锻后进行固溶+时效处理。

10.如权利要求9所述的镍基高温合金双性能盘形锻件3D打印坯料的等温锻造方法，其特征在于，所述固溶处理是把盘形锻件加热到980℃±5℃，保温3h后进行空冷；所述时效处理是把固溶处理后的盘形锻件加热到720±5℃，保温8.5h，按50℃/h的速率随炉冷至620℃，保温8h后进行空冷。

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