CN116603963A - 一种高温合金大高径比镦粗的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温合金大高径比镦粗的方法，包括以下步骤：S1、预准备；S2、镦粗校正：S2‑1、一次镦粗和校正；S2‑2、二次镦粗和校正；S2‑3、三次镦粗和校正；本发明的镦粗方法通过先预热后再分次镦粗校正，提高了大高径比的高温合金的可锻性，并且克服了高温合金高径比(H/D)超过3失稳的缺点，可以镦粗高径比H/D≤7.3的高温合金预制坯，弥补了高温合金难变形的缺点，且最终得到的合金坯料依旧保持良好的性能。
Description
技术领域
本发明涉及用非轧制的方式生产金属板、线、棒、管、型材或类似半成品技术领域，具体是涉及一种高温合金大高径比镦粗的方法。
背景技术
现代航空航天工业的快速发展强烈依赖于材料与制造技术的进步，锻造技术是航空装备制造环节核心的工艺之一，而高温合金的锻造问题多，难度也大，是难变形合金的典型代表。因工艺塑性差、变形抗力大和变形温度范围窄。这使得高温合金超极限高径比(正常范围高径比2.2～3)的棒坯在镦粗中显得尤为困难。目前有非高温合金的材料通过模具连续镦粗实现，该方法反复安装模块不易操作，对于超高坯料装入模具不易实现，并且与模具接触，温降过快；还有对铝合金、镁合金通过特殊的凹型锤砧实现小于等于6.5高径比的镦粗；但以上方式均更适用于塑性高、变形温度范围宽的材料。
鉴于高温合金属于难变形材料，且其锻造温度范围窄、变形抗力大、塑性低，难以批量生产；本发明提供了一种能够改善所述问题的高温合金大高径比镦粗的方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种高温合金大高径比镦粗的方法。
本发明的技术方案是：一种高温合金大高径比镦粗的方法，包括以下步骤：
S1、预准备：
选择圆柱度≤0.5mm、锯切面垂直度≤2mm、端面垂直度≤2mm的高温合金棒材，且所述高温合金棒材的两端面需倒角至R10～R15，锯切面不允许有台阶、接刀痕和毛刺；并将上锤砧、下锤砧以及辅助工具预热至250～400℃；
再将高温合金棒材加热至840～860℃时装炉保温，装炉保温的时间按0.9～1.1min/mm计算，装炉保温结束后再随炉升温至1140～1150℃，升温结束后进行保温，最短保温时间按0.4～0.6min/mm计算，最长保温时间≤最短保温时间+30min，其中，所述min/mm中的mm为高温合金棒材的有效厚度，得到坯料；
将加热完成的坯料放置在预热后的下锤砧上，居于下锤砧的中心位置，使上锤砧下压时，坯料端面受力均匀；
S2、镦粗校正：
S2-1、一次镦粗和校正：
第1火：上锤砧的下压量为100～150mm，下压速度为5～8mm/s，当将有失稳弯曲现象发生时，立即停锻；
第2～3火：用机械手辅助将坯料平放在下锤砧上，坯料的弯曲部位垂直于下锤砧再下压；再用机械手夹持旋转90°，再次下压、校正，直至坯料平直、无侧弯；且校正过程中，保持930℃≤终锻温度≤始锻温度，当终锻温度降低时，回炉将温度升至始锻温度，所述始锻温度为1130～1140℃，当终锻温度降低时，回炉将温度升至1130～1140℃，保温20～30min后，再出炉校正，得到平直的坯料；
S2-2、二次镦粗和校正：
第4火：上锤砧的下压量为200～250mm，下压速度为5～8mm/s；
第5～6火：采用与步骤S2-1的相同的校正方式进行校正；
S2-3、三次镦粗和校正：
第7火：上锤砧的下压量为500～680mm，即坯料的变形量为30～40％，下压速度为5～8mm/s；
第8火：将坯料随炉加热至1140～1150℃，保温20～30min，保温结束后再对坯料进行表面修整。
进一步地，所有步骤中，坯料在各步骤交替时的转移时间≤50s。
说明：通过尽快转移能够减少坯料的无效温降时间。
进一步地，得到的所述平直的坯料的直线度≤5mm，垂直度≤3mm，且对直坯料的清除宽度为深度的8～9倍。
说明：直线度和垂直度到达一定程度，才能保证镦粗的正常进行，防止后续镦粗发生失稳弯折等情况；清除宽度够大以保证缺陷处与表面的圆滑过渡。
进一步地，步骤S1中，选择350＜宽度＜400mm的上锤砧，且上锤砧和下锤砧的锤砧面平整无凹陷。
说明：通过选择合适宽度的上锤砧，减少镦粗时合金棒材因因镦粗直径增大到上锤砧的宽度尺寸外而产生的镦粗受力不均和端面出现镦粗台阶等问题。
进一步地，步骤S2中，每次锻造之前，将高温合金棒材的上、下端面均垫上厚度为15～20mm的保温棉。
说明：垫上保温棉可以防止坯料与上、下锤砧的接触部位降温过快，避免使坯料的接触部位因降温过快而塑性变差，从而提高坯料的可锻造性，提高锻造效率。
进一步地，步骤S2-3中，将坯料表面修整至圆柱度≤5mm，垂直度≤3mm，锻造圆角至R15～R20mm。
说明：通过对坯料进行表面修整，便于镦粗，降低镦粗失稳的可能性。
进一步地，在步骤S2-2结束后，对坯料进行热压缩，第一次热压缩的压力为90～120MPa，温度为650～750℃，时间为35～55s；
再将坯料表面涂覆厚度为0.2～0.5mm的增韧涂料后进行过时效处理，所述过时效处理的温度为550～600℃，升温时间为20～30min，保温5～7h；
再降温至过时效处理温度的70～80％时进行第二次热压缩，第二次热压缩的压力为第一次热压缩的0.4～0.6倍，时间为25～30s。
说明：在进行第一次热压缩后，坯料的塑性小幅度提高，再涂覆增韧涂料，在过时效的高温处理下，坯料表面产生收缩，使增韧涂料随收缩渗入坯料中，在过时效对坯料增塑的同时，增强了坯料的韧性，从而有利于第二次热压缩的进行，过时效处理完成后降温进行第二次热压缩，进一步提高坯料的塑性强度。
进一步地，在对坯料进行第一次热压缩前，先将坯料的表面粗糙度磨至Ra0.8～1；并在第一次热压缩结束后，用质量浓度为30～45％的植酸溶液对坯料冲洗1～2min。
说明：先将坯料表面粗糙度增大再进行热压缩，有利于减缓热压缩时坯料的接触面因过于平滑而产生滑动导致的压力不均等现象；在第一次热压缩结束后，用植酸溶液对坯料进行冲洗可以减缓坯料的表面氧化和腐蚀，保持坯料在第一次热压缩结束后的塑性变形程度。
进一步地，所述增韧涂料是由重量比为10：2：1：0.5～0.9的环氧树脂、玻璃粉、锆英粉以及聚氯化磷腈组成。
说明：玻璃粉化学性质稳定，具有耐酸碱性，分散性能较好，与环氧树脂混合可以较为均匀地分散在环氧树脂中，且通过在环氧树脂中加入聚氯化磷腈，可以进一步增强环氧树脂的增韧效果，提高玻璃粉在环氧树脂中的分散程度。
本发明的有益效果是：
(1)本发明高温合金大高径比的镦粗方法，通过先预热后再分次镦粗校正，提高了大高径比的高温合金的工艺塑性，并且克服了高温合金变形抗力大、变形温度范围窄的缺点，可以镦粗高径比H/D≤7.3的高温合金预制坯，弥补了高温合金难变形的缺点。
(2)本发明高温合金大高径比的镦粗方法，通过多次校正得到的合金坯料直线度较高，且表面质量符合工艺要求，最终得到的合金坯料依旧保持良好的性能。
附图说明
图1是本发明镦粗方法中坯料的校正示意图；
其中，1-上锤砧，2-下垂砧，3-坯料。
具体实施方式
下面结合具体实施方式来对本发明进行更进一步详细的说明，以更好地体现本发明的优势。
实施例1
一种高温合金大高径比镦粗的方法，包括以下步骤：
S1、预准备：
选择圆柱度为0.5mm、锯切面垂直度为2mm、端面垂直度为2mm的GH3625高温合金棒材，高温合金棒材的尺寸为：Φ280×2050+2 0mm，H/D＝7.3；
本实施例所用的GH3625高温合金棒材的成分按质量分数计包括：0.1％的C、21.5％的Cr、1％的Co、9％的Mo、0.4％的Al、0.4的Ti、5％的Fe、4％的Nb、0.5％的Mn、0.5％的Si、0.015％的P、0.015％的S以及余量的Ni；
且所述高温合金棒材的两端面倒角至R12；并将上锤砧1、下锤砧2以及辅助工具预热至320℃；选择宽度为380mm的上锤砧1，且上锤砧1和下锤砧2的锤砧面平整无凹陷；
再将高温合金棒材加热至850℃时装炉保温，装炉保温的时间按1.0min/mm计算即保温280min，装炉保温结束后再随炉升温至1150℃，升温结束后保温155min得到坯料3；
如图1所示，将加热完成的坯料放置在预热后的下锤砧2上，居于下锤砧2的中心位置，使上锤砧1下压时，坯料3端面受力均匀；
S2、镦粗校正：
S2-1、一次镦粗和校正：
第1火：上锤砧1的下压量为130mm，下压速度为7mm/s，当发生失稳弯曲现象，立即停锻；镦粗后坯料高度H＝1920mm；
第2～3火：用机械手辅助将坯料3平放在下锤砧2上，坯料3的弯曲部位垂直于下锤砧2再下压；再用机械手夹持旋转90°，再次下压、校正，直至坯料3平直、无侧弯；且校正过程中，保持终锻温度为980℃，当终锻温度降低时，回炉将温度升至始锻温度，所述始锻温度为1135℃，保温25min后，再出炉校正，得到平直的坯料3；所述平直的坯料3的直线度为5mm，垂直度为3mm，且对坯料3的清除宽度为深度的8.5倍；
S2-2、二次镦粗和校正：
第4火：上锤砧1的下压量为230mm，下压速度为7mm/s；镦粗后坯料3高度H＝1690mm；
第5～6：采用与步骤S2-1的相同的校正方式进行校正；
S2-3、三次镦粗和校正：
第7火：上锤砧1的下压量为590mm，即坯料3的变形量为35％，下压速度为7mm/s；镦粗后坯料3高度H＝1100mm；
第8火：将坯料3随炉加热至1150℃，保温25min，保温结束后再对坯料3进行表面修整至圆柱度为5mm，垂直度为3mm，锻造圆角至R18；
所有步骤中，坯料3在各步骤交替时的转移时间为50s；且每次锻造之前，将高温合金棒材的上、下端面均垫上厚度为18mm的保温棉。
实施例2
本实施例与实施例1不同之处在于，步骤S1中，所述高温合金棒材的两端面倒角至R10；将上锤砧3、下锤砧2以及辅助工具预热至250℃，高温合金棒材加热至840℃时装炉保温时间按0.9min/mm计算即252min，装炉保温结束后再随炉升温至1140℃，升温结束后保温112min，得到坯料3。
实施例3
本实施例与实施例1不同之处在于，步骤S1中，所述高温合金棒材的两端面倒角至R15；将上锤砧3、下锤砧2以及辅助工具预热至400℃，高温合金棒材加热至860℃时装炉保温时间按1.1min/mm计算即308min，装炉保温结束后再随炉升温至1150℃，升温结束后保温168min，得到坯料3。
实施例4
本实施例与实施例1不同之处在于，步骤S2-1中，第1火：上锤砧1的下压量为100mm，下压速度为5mm/s，当发生失稳弯曲现象，立即停锻；镦粗后坯料高度H＝1950mm；步骤S2-2中，第4火：上锤砧1的下压量为200mm，下压速度为5mm/s；镦粗后坯料3高度H＝1750mm；步骤S2-3中，第7火：上锤砧1的下压量为500mm，下压速度为5mm/s；镦粗后坯料3高度H＝1250mm。
实施例5
本实施例与实施例1不同之处在于，步骤S2-1中，第1火：上锤砧1的下压量为150mm，下压速度为8mm/s，当发生失稳弯曲现象，立即停锻；镦粗后坯料高度H＝1900mm；步骤S2-2中，第4火：上锤砧1的下压量为250mm，下压速度为8mm/s；镦粗后坯料3高度H＝1650mm；步骤S2-3中，第7火：上锤砧1的下压量为680mm，下压速为度8mm/s；镦粗后坯料3高度H＝970mm。
实施例6
本实施例与实施例1不同之处在于，第2～3火：校正过程中，保持终锻温度为930℃，当终锻温度降低时，回炉将温度升至始锻温度，所述始锻温度为1130℃，保温20min后，再出炉校正。
实施例7
本实施例与实施例1不同之处在于，第2～3火：校正过程中，保持终锻温度为1140℃，当终锻温度降低时，回炉将温度升至始锻温度，所述始锻温度为1140℃，保温30min后，再出炉校正。
实施例8
本实施例与实施例1不同之处在于，步骤S2-3中，第8火：将坯料3随炉加热至1140℃，保温时间20min，保温结束后再对坯料3进行表面修整圆角至R15。
实施例9
本实施例与实施例1不同之处在于，步骤S2-3中，第8火：将坯料3随炉加热至1150℃，保温时间30min，保温结束后再对坯料3进行表面修整圆角至R20。
实施例10
本实施例与实施例1不同之处在于，在步骤S2-2结束后，先将坯料3的表面粗糙度磨至Ra0.9；并在第一次热压缩结束后，用质量浓度为38％的植酸溶液对坯料3冲洗1.5min；再对坯料3进行热压缩，第一次热压缩的压力为105MPa，温度为700℃，时间为40s；
再将坯料3表面涂覆厚度为0.4mm的增韧涂料后进行过时效处理，所述增韧涂料由重量比为10：2：1：0.7的环氧树脂、玻璃粉、锆英粉以及聚氯化磷腈组成；所述过时效处理的温度为580℃，升温时间为25min，保温6h；
再降温至过时效处理温度的75％时进行第二次热压缩，第二次热压缩的压力为第一次热压缩的0.5倍，时间为28s。
实施例11
本实施例与实施例10不同之处在于，在对坯料3进行第一次热压缩前，先将坯料3的表面粗糙度磨至Ra0.8；并在第一次热压缩结束后，用质量浓度为30％的植酸溶液对坯料3冲洗1min。
实施例12
本实施例与实施例10不同之处在于，在对坯料3进行第一次热压缩前，先将坯料3的表面粗糙度磨至Ra1；并在第一次热压缩结束后，用质量浓度为45％的植酸溶液对坯料3冲洗2min。
实施例13
本实施例与实施例10不同之处在于，第一次热压缩的压力为90MPa，温度为650℃，时间为35s。
实施例14
本实施例与实施例10不同之处在于，第一次热压缩的压力为120MPa，温度为750℃，时间为55s。
实施例15
本实施例与实施例10不同之处在于，所述过时效处理的温度为550℃，升温时间为20min，保温5h。
实施例16
本实施例与实施例10不同之处在于，所述过时效处理的温度为600℃，升温时间为30min，保温7h。
实施例17
本实施例与实施例10不同之处在于，所述增韧涂料的涂覆厚度为0.2mm，增韧涂料由重量比为10：2：1：0.5的环氧树脂、玻璃粉、锆英粉以及聚氯化磷腈组成。
实施例18
本实施例与实施例10不同之处在于，所述增韧涂料的涂覆厚度为0.5mm，增韧涂料由重量比为10：2：1：0.9的环氧树脂、玻璃粉、锆英粉以及聚氯化磷腈组成。
实施例19
本实施例与实施例10不同之处在于，降温至过时效处理温度的70％时进行第二次热压缩，第二次热压缩的压力为第一次热压缩的0.4倍，时间为25s。
实施例20
本实施例与实施例10不同之处在于，降温至过时效处理温度的80％时进行第二次热压缩，第二次热压缩的压力为第一次热压缩的0.6倍，时间为30s。
实验例
针对各个实施例所镦粗的高温合金坯料，分别取各实施例的样件5个，以测试高温合金坯料的性能，每个实施例的5个样件的性能测量结果取平均值，作为该实施例的性能测量结果，具体探究如下：
1、探究实施例1镦粗前后对高温合金坯料的性能的影响。
表1实施例1镦粗前后高温合金棒材的性能表
由表1对比可知，镦粗后的合金坯料的性能除了延伸率有所降低，但降低幅度较小，且其他性能没有因为大高径比镦粗而下降，反而有所提升，说明本发明镦粗方法在一定程度上克服了大高径比镦粗的困难。
2、探究镦粗过程中的参数对高温合金坯料的延伸率5D(％)的影响。
以实施例1-20以及对照例1-3作为实验对比，
其中，对照例1与实施例10不同之处在于，第一次热压缩之前未用质量浓度为38％的植酸溶液对坯料3冲洗；
对照例2与实施例10不同之处在于，两次热压缩之间未进行增韧涂覆和过时效处理；
对照例3与实施例10不同之处在于，增韧涂料的组分中不包括聚氯化磷腈；
结果如表2所示：
表2实施例1-20以及对照例1-3的镦粗过程中的参数对高温合金棒材的延伸率5D(％)的影响
由表2结果可知，对照例1缺少植酸溶液的冲洗、对照例2缺少增韧涂覆和过时效处理，对照例3的增韧涂料中缺少聚氯化磷腈，均降低了镦粗后的坯料性能；
且通过实施例1-9可以看出，预热温度较高、保温时间较长时，锻造温度较高、保温时间较长时合金坯料的性能有所提高，但相比实施例1而言，提高幅度较小，各个环节的镦粗量过小或过大都会降低合金坯料的延伸率；从经济性角度而言，实施例1的效果相对更优；
通过实施例1以及实施例10-20可以对比看出，在步骤S2-2结束后，经过二次热压缩的合金坯料的延伸率提高幅度较大；且对比实施例10-20可知，热压缩之间的粗糙度过大或过小、植酸溶液的浓度过高或过低、热压缩的参数过小或过大、过时效处理的参数过小或过大以及增韧涂料中聚氯化磷腈的占比过少或过多都会降低延伸率的提高幅度，因此相较而言，实施例14的效果最优。
Claims (9)
1.一种高温合金大高径比镦粗的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、预准备：
选择圆柱度≤0.5mm、锯切面垂直度≤2mm、端面垂直度≤2mm的高温合金棒材；且所述高温合金棒材的两端面需倒角至R10～R15；并将上锤砧(1)、下锤砧(2)以及辅助工具预热至250～400℃；
再将高温合金棒材加热至840～860℃时装炉保温，装炉保温的时间按0.9～1.1min/mm计算，装炉保温结束后再随炉升温至1140～1150℃，升温结束后进行保温，最短保温时间按0.4～0.6min/mm计算，最长保温时间≤最短保温时间+30min，其中，所述min/mm中的mm为高温合金棒材的有效厚度，得到坯料(3)；
将加热完成的坯料放置在预热后的下锤砧(2)上，居于下锤砧(2)的中心位置，使上锤砧(1)下压时，坯料(3)端面受力均匀；
S2、镦粗校正：
S2-1、一次镦粗和校正：
第1火：上锤砧(1)的下压量为100～150mm，下压速度为5～8mm/s，当将有失稳弯曲现象发生时，立即停锻；
第2～3火：用机械手辅助将坯料(3)平放在下锤砧(2)上，坯料(3)的弯曲部位垂直于下锤砧(2)再下压；再用机械手夹持旋转90°，再次下压、校正，直至坯料(3)平直、无侧弯；且校正过程中，保持930℃≤终锻温度≤始锻温度，当终锻温度降低时，回炉将温度升至始锻温度，所述始锻温度为1130～1140℃，保温20～30min后，再出炉校正，得到平直的坯料(3)；
S2-2、二次镦粗和校正：
第4火：上锤砧(1)的下压量为200～250mm，下压速度为5～8mm/s；
第5～6火：采用与步骤S2-1的相同的校正方式进行校正；
S2-3、三次镦粗和校正：
第7火：上锤砧(1)的下压量为500～680mm，即坯料(3)的变形量为30～40％，下压速度为5～8mm/s；
第8火：将坯料(3)随炉加热至1140～1150℃，保温20～30min，保温结束后再对坯料(3)进行表面修整。
2.根据权利要求1所述的一种高温合金大高径比镦粗的方法，其特征在于，所有步骤中，坯料(3)在各步骤交替时的转移时间≤50s。
3.根据权利要求1所述的一种高温合金大高径比镦粗的方法，其特征在于，所述步骤S2-1中，得到的所述平直的坯料的直线度≤5mm，垂直度≤3mm，且对于坯料缺陷的清除宽度为深度的8～9倍。
4.根据权利要求1所述的一种高温合金大高径比镦粗的方法，其特征在于，步骤S1中，选择350＜宽度＜400mm的上锤砧(1)，且上锤砧(1)和下锤砧(2)的锤砧面平整无凹陷。
5.根据权利要求1所述的一种高温合金大高径比镦粗的方法，其特征在于，步骤S2中，每次锻造之前，将高温合金棒材的上、下端面均垫上厚度为15～20mm的保温棉，且坯料(3)在各步骤交替时的转移时间≤50s。
6.根据权利要求1所述的一种高温合金大高径比镦粗的方法，其特征在于，步骤S2-3中，将坯料(3)表面修整至圆柱度≤5mm，垂直度≤3mm，锻造圆角至R15～R20mm。
7.根据权利要求1所述的一种高温合金大高径比镦粗的方法，其特征在于，在步骤S2-2结束后，对坯料(3)进行热压缩，第一次热压缩的压力为90～120MPa，温度为650～750℃，时间为35～55s；
再将坯料(3)表面涂覆厚度为0.2～0.5mm的增韧涂料后进行过时效处理，所述过时效处理的温度为550～600℃，升温时间为20～30min，保温5～7h；
再降温至过时效处理温度的70～80％时进行第二次热压缩，第二次热压缩的压力为第一次热压缩的0.4～0.6倍，时间为25～30s。
8.根据权利要求7所述的一种高温合金大高径比镦粗的方法，其特征在于，在对坯料(3)进行第一次热压缩前，先将坯料(3)的表面粗糙度磨至Ra0.8～1；并在第一次热压缩结束后，用质量浓度为30～45％的植酸溶液对坯料(3)冲洗1～2min。
9.根据权利要求7所述的一种高温合金大高径比镦粗的方法，其特征在于，所述增韧涂料是由重量比为10：2：1：0.5～0.9的环氧树脂、玻璃粉、锆英粉以及聚氯化磷腈组成。
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