CN116652098A - 双冠叶片的锻造成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及锻造成形技术领域，尤其是涉及一种双冠叶片的锻造成形方法。双冠叶片的锻造成形方法，包括如下步骤：(a)将哑铃状荒坯或长方体坯料加热处理后，进行辊锻拔长；(b)将所述辊锻拔长后的坯料进行模锻成形，得到双冠叶片锻件。本发明的双冠叶片的锻造成形方法，拔长效果好、生产效率大幅度提高，在模锻时无需等温锻造；并且成形设备要求低，辊锻拔长后叶身已近成形，叶冠处基本无变形，模锻时在较小的压力下两端叶冠亦可获得较好的充型效果，降低生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及锻造成形技术领域，尤其是涉及一种双冠叶片的锻造成形方法。
背景技术
双冠叶片是航空发动机、重型燃气轮机的关键零件之一。目前在坯料制备和模锻成形过程中难度较大，具体表现为如下几个方面：(1)叶身壁厚较薄，变形时材料流动困难，成形火次多；(2)叶冠与叶身的高度差较大，且长度尺寸远大于厚度尺寸，材料利用率低；(3)表面积大，温降较快，表面易产生裂纹；(4)采用带台阶的圆形坯料直接锻造过程中容易产生热效应，导致锻件亮线等缺陷；(5)制坯工艺复杂，材料流动的方向不能得到很好的控制，流线不理想，中间过程坯料尺寸精度差。
目前双冠叶片锻件的成形方式主要有：
(1)采用棒料压成方坯，然后采用自由锻锤对坯料中间区域进行拔长，拔长后进行模锻成形；
(2)采用棒料制成双台阶式荒坯，经多道次预锻成形出大体形状，然后放入模具进行等温模锻成形。
采用以上方式生产双冠叶片锻件，普遍存在工艺流程较长，成形火次多，形状尺寸精度控制较差等问题。比如采用自由锻对方坯进行拔长，尺寸精度差，台阶过渡区域形状不规则且一致性差，变形不均匀，锻造火次多；采用双台阶式荒坯等温锻造，预锻制坯火次多、流程繁琐，中间过程坯料尺寸精度难以控制，材料利用率低；而且设备要求高、成形周期长。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供双冠叶片的锻造成形方法，以解决现有技术中存在的双冠叶片的锻造成形中锻件制坯困难和流线不易控制等技术问题。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
双冠叶片的锻造成形方法，包括如下步骤：
(a)将哑铃状荒坯或长方体坯料加热处理后，进行辊锻拔长；
(b)将所述辊锻拔长后的坯料进行模锻成形，得到双冠叶片锻件。
在本发明的具体实施方式中，所述长方体坯料的制备包括：将棒料加热处理后，进行镦粗，然后对周面进行压扁，再沿周向翻转90°压平，反复进行翻转压片操作，矫形得到长方体坯料。
在本发明的具体实施方式中，所述哑铃状荒坯的制备包括：对所述长方体坯料进行加热处理，然后在所述长方体坯料的中间部位进行局部下压，得到所述哑铃状荒坯。
在本发明的具体实施方式中，所述辊锻拔长包括至少一道次。进一步的，所述辊锻拔长包括1～5道次。
在本发明的具体实施方式中，所述辊锻拔长中，单道次的压下量为0.5～20mm。
在本发明的具体实施方式中，所述辊锻拔长中，轧辊外圆弧长Lgn与第n道次轧制完成后坯料颈部长度Lpn满足：Lpn＝Lgn+5～Lgn+100，Lpn和Lgn的单位为mm。
在本发明的具体实施方式中，所述辊锻拔长中，轧辊直径为200～600mm，优选为300～500mm。
在本发明的具体实施方式中，所述辊锻拔长包括：夹持加热后的哑铃状荒坯或长方体坯料的一端，沿所述哑铃状环坯或所述长方体坯料的长度方向进行辊锻拔长，直至达到目标长度。
在本发明的具体实施方式中，所述辊锻拔长中，轧辊由一个叶冠位置咬入，到另一个叶冠位置停止。
在本发明的具体实施方式中，所述辊锻拔长后的坯料的叶冠处以R角过渡。进一步的，所述R角过渡面的弧形的半径为10～50mm。
在本发明的具体实施方式中，所述模锻成形包括：将所述辊锻拔长后的坯料进行加热处理，然后加入模具中，进行精密锻造成型。进一步的，所述模锻成形中，保持叶身长度方向基本不变，两端叶冠处在压力作用下，与模具贴合。
在本发明的具体实施方式中，还包括：对所述双冠叶片锻件进行退火热处理。进一步的，所述退火热处理包括：于700～800℃保温60～240min，空冷。
在本发明的具体实施方式中，所述双冠叶片的材质为钛合金。进一步的，所述钛合金包括TC4合金。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明的双冠叶片的锻造成形方法，拔长效果好、生产效率大幅度提高，在模锻时无需等温锻造；并且成形设备要求低，辊锻拔长后叶身已近成形，叶冠处基本无变形，模锻时在较小的压力下两端叶冠亦可获得较好的充型效果，降低生产成本；
(2)采用本发明的方法得到的双冠叶片变形过程平稳，特别是成形锻造时各部位变形量相近，锻件的各部分组织更加均匀一致，并且模锻时形成的毛边较少，而且毛边量分布均匀，材料利用率提升。
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为本发明实施例提供的采用哑铃状荒坯进行辊锻拔长的示意图；
图2为本发明实施例提供的采用长方体坯料进行辊锻拔长的示意图；
图3为本发明实施例1提供的哑铃状荒坯的结构示意图；
图4为利用Deform软件模拟本发明实施例1提供的第1道次辊锻拔长工序前后的示意图；
图5为利用Deform软件模拟本发明实施例1提供的第2道次辊锻拔长工序后的示意图；
图6为利用Deform软件模拟本发明实施例2提供的第1道次辊锻拔长工序前后的示意图；
图7为利用Deform软件模拟本发明实施例2提供的第2道次辊锻拔长工序后的示意图；
图8为利用Deform软件模拟本发明实施例2提供的第3道次辊锻拔长工序后的示意图。
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。
双冠叶片的锻造成形方法，包括如下步骤：
(a)将哑铃状荒坯或长方体坯料加热处理后，进行辊锻拔长；
(b)将所述辊锻拔长后的坯料进行模锻成形，得到双冠叶片锻件。
相对于多道次预锻制坯加等温模锻成形，本发明的方法，双冠叶片采用辊锻拔长方式制坯，拔长效果好，生产效率大幅度提高，且模锻时无需等温锻造。并且，本发明的成形中所需要的设备要求低，辊锻拔长后叶身已近成形，叶冠处基本无变形，模锻时在较小的压力下两端叶冠亦可获得较好的充型效果，降低生产成本。
采用本发明的锻造成形方法得到的双冠叶片锻件，锻件的各部分组织更加均匀一致，且毛边较少，毛边量分布均匀，材料利用率高。
在本发明的具体实施方式中，所述长方体坯料的制备包括：将棒料加热处理后，进行镦粗，然后对周面进行压扁，再沿周向翻转90°压平，反复进行翻转压片操作，矫形得到长方体坯料。
在本发明的具体实施方式中，所述哑铃状荒坯的制备包括：对所述长方体坯料进行加热处理，然后在所述长方体坯料的中间部位进行局部下压，得到所述哑铃状荒坯。进一步的，所述哑铃状荒坯中，以R角过渡。进一步的，所述哑铃状荒坯中的R角过渡面的弧形的半径为10～50mm。
如在不同实施方式中，所述哑铃状荒坯中的R角过渡面的弧形的半径可以示例性的为10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm、50mm等。
在本发明的具体实施方式中，所述辊锻拔长包括至少一道次。进一步的，所述辊锻拔长包括1～5道次。
如在不同实施方式中，所述辊锻拔长可示例性的包括1道次、2道次、3道次、4道次、5道次等。
在本发明的具体实施方式中，所述辊锻拔长中，单道次的压下量为0.5～20mm。
如在不同实施方式中，所述辊锻拔长中，单道次的压下量可以示例性的为0.5mm、1mm、2mm、5mm、8mm、10mm、12mm、15mm、18mm、20mm等。其中单道次的压下量是单道次中，坯料上下双边的总计压下量。
在本发明的具体实施方式中，所述辊锻拔长中，轧辊外圆弧长Lgn与第n道次轧制完成后坯料颈部长度Lpn满足：Lpn＝Lgn+5～Lgn+100，Lpn和Lgn的单位为mm。
如在不同实施方式中，轧辊外圆弧长Lgn与第n道次轧制完成后坯料颈部长度Lpn可以满足：Lpn＝Lgn+5、Lpn＝Lgn+10、Lpn＝Lgn+20、Lpn＝Lgn+30、Lpn＝Lgn+40、Lpn＝Lgn+50、Lpn＝Lgn+60、Lpn＝Lgn+70、Lpn＝Lgn+80、Lpn＝Lgn+90、Lpn＝Lgn+100等。
当一道次辊锻或多道次辊锻拔长过程中送料方向相同时，轧辊外圆弧长Lgn和第n道次轧制完成后坯料颈部长度Lpn满足上述要求时，能够避免厚端叶冠被压平或严重变形而报废。
在本发明的具体实施方式中，所述辊锻拔长中，轧辊直径为200～600mm，优选为300～500mm。
如在不同实施方式中，所述轧辊直径可以示例性的为200mm、250mm、300mm、350mm、400mm、450mm、500mm、550mm、600mm等。
在本发明的具体实施方式中，所述辊锻拔长中，轧辊的转速为0.5～2rad/s，优选为0.8～1.2rad/s。
在本发明的具体实施方式中，所述辊锻拔长包括：夹持加热后的哑铃状荒坯或长方体坯料的一端，沿所述哑铃状环坯或所述长方体坯料的长度方向进行辊锻拔长，直至达到目标长度。
如图1和图2所示，图1为采用哑铃状荒坯进行辊锻拔长的示意图，图2为采用长方体坯料进行辊锻拔长的示意图。从图1可知，当采用哑铃状环坯进行辊锻拔长时，上轧辊和下轧辊分别相对位于哑铃状荒坯的上方和下方，并由一个叶冠位置咬入，然后进行辊锻拔长，直至上轧辊和下轧辊到达另一个叶冠位置，停止，完成一道次辊锻拔长。从图2可知，当采用长方体坯料进行辊锻拔长时，上轧辊和下轧辊分别相对位于长方体坯料的上方和下方，并由一个长方体坯料一端咬入，咬入位置与端部留有一定余量，然后进行辊锻拔长，直至上轧辊和下轧辊到达另一端，且该端部留有一定余量，停止，完成一道次辊锻拔长；其中，两端留有的余量即为叶冠。
如采用辊锻机进行多道次辊锻拔长时，可包括如下步骤：
第1道辊锻拔长工步：夹住哑铃状荒坯或长方体坯料的一端，沿着与辊锻垂直的方向水平送入第1工位辊锻模上加工，得到第1工位辊锻件；
第2道辊锻工步：将所得第1工位辊锻件沿着与辊锻垂直的方向水平送入第2工位辊锻模上加工，得到第2工位辊锻件；
…；
第n道辊锻工步：将所得第n-1工位辊锻件沿着与辊锻垂直的方向水平送入第n工位辊锻模上加工，得到第n工位辊锻件；
其中，每道辊锻工艺中，均是从一端叶冠处开始直至另一端叶冠处结束；
制得水平“工”字形坯料。
在本发明的具体实施方式中，所述辊锻拔长中，轧辊由一个叶冠位置咬入，到另一个叶冠位置停止。
在本发明的具体实施方式中，所述辊锻拔长后的坯料的叶冠处以R角过渡。进一步的，所述R角过渡面的弧形的半径为10～50mm。
如在不同实施方式中，所述R角过渡面的弧形的半径可以示例性的为10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm、50mm等。
在本发明的具体实施方式中，所述模锻成形包括：将所述辊锻拔长后的坯料进行加热处理，然后加入模具中，进行精密锻造成型。进一步的，所述模锻成形中，保持叶身长度方向基本不变，两端叶冠处在压力作用下，与模具贴合。
在本发明的具体实施方式中，所述加热处理的条件包括：加热处理的温度为Tβ-50℃～Tβ-20℃，其中，Tβ为β相变点温度；加热处理的保温时间为t1～t2；t1＝锻件有效厚度(mm)×0.5min/mm，t2＝锻件有效厚度(mm)×1.2min/mm+240min。其中，在辊锻拔长、模锻成形或对棒料镦粗等操作前的加热处理条件均按照该条件进行。
在本发明的具体实施方式中，还包括：对所述双冠叶片锻件进行退火热处理。进一步的，所述退火热处理包括：于700～800℃保温60～240min，空冷。
如在不同实施方式中，所述退火热处理中，热处理温度可以示例性的为700℃、720℃、740℃、750℃、760℃、780℃、800℃等，热处理时间可以示例性的为60min、80min、100min、120min、150min、180mm、200min、220min、240min等。
在本发明的具体实施方式中，所述双冠叶片的材质为钛合金。进一步的，所述钛合金包括TC4合金。
其中，TC4合金主要包括按质量百分比计的如下元素：Al 5.5％～6.8％、V 3.5％～4.5％、Fe≤0.30％、C≤0.10％、N≤0.05％、H≤0.015％、O≤0.20％、其他元素单个≤0.10％且总和≤0.40％，余量为Ti。
下述实施例中以TC4的钛合金为例进行说明。
实施例1
本实施例提供了双冠叶片的锻造成形方法，包括如下步骤：
(1)棒料下料：采用直径φ60mm～φ65mm的棒料，重量比成形后的锻件稍大10％～20％。
(2)将步骤(1)的棒料加热至β相变点温度Tβ以下40～45℃，保温处理120min；然后将棒料放在平砧面上镦粗，然后对周面进行压扁，然后反复翻转90°压平，矫形得到长方体坯料，对长方体坯料中间区域进行局部锻打得到哑铃状荒坯，如图3所示。
(3)将步骤(2)得到的哑铃状荒坯趁热锻造或趁热回炉加热或空冷后再加热，本实施例采用趁热回炉加热方式，具体的：将哑铃状荒坯加热至β相变点温度Tβ以下40～45℃，保温时间为40min。
(4)将步骤(3)加热处理后的哑铃状荒坯进行两道次的辊锻拔长，得到水平“工”字形坯料；具体的，两道次的压下量分别为15mm和10mm；
第1道次辊锻拔长工序：轧辊直径400mm，弧度50°，转速1rad/s，夹住加热后的哑铃状荒坯的一端，沿着与辊锻垂直的方向水平送入第1工位辊锻模上加工，得到第1工位辊锻件，叶身厚度35mm，总长度228mm，利用Deform软件模拟第1道次辊锻拔长前后的示意图，如图4所示；
第2道次辊锻拔长工序：轧辊直径400mm，弧度85°，转速1rad/s，将所得第1工位辊锻件沿着与辊锻垂直的方向水平送入第2工位辊锻模上加工，得到水平“工”字形坯料，叶身厚度15mm，总长度371mm，利用Deform软件模拟第2道次辊锻拔长后的示意图，如图5所示。
(5)将步骤(4)得到的水平“工”字形坯料趁热锻造或趁热回炉加热或空冷后再加热，本实施例采用趁热回炉加热方式，具体的：将水平“工”字形坯料加热至β相变点温度Tβ以下40～45℃，保温时间为50min。然后将加热后的水平“工”字形坯料放入终锻成型模具(预热至100～400℃，如200℃)中，在模具压力作用下，坯料经过精密锻造成型，得到双冠叶片锻件。
(6)对步骤(5)得到的锻件进行退火热处理；退火热处理中，加热温度为780～790℃，保温时间为80～90min，空冷。
实施例2
本实施例提供了双冠叶片的锻造成形方法，包括如下步骤：
(1)棒料下料：采用直径φ65mm～φ70mm的棒料，重量比成形后的锻件稍大10％～15％。
(2)将步骤(1)的棒料加热至β相变点温度Tβ以下35～40℃，保温处理150min；然后将棒料放在平砧面上镦粗，然后对周面进行压扁，然后反复翻转90°压平，矫形得到长180mm、宽110mm、高90mm长方体坯料。
(3)将步骤(2)得到的长方体坯料趁热锻造或趁热回炉加热或空冷后再加热，本实施例采用趁热回炉加热方式，具体的：将长方体坯料加热至β相变点温度Tβ以下35～40℃，保温时间为90min。
(4)将步骤(3)加热处理后的哑铃状荒坯进行三道次的辊锻拔长，得到水平“工”字形坯料；具体的，三道次的压下量分别为10mm、10mm和15mm；
第1道次辊锻拔长工序：轧辊直径400mm，弧度45°，转速1rad/s，夹住加热后的长方体坯料的一端，沿着与辊锻垂直的方向水平送入第1工位辊锻模上加工，得到第1工位辊锻件，叶身厚度70mm，总长度202mm，利用Deform软件模拟第1道次辊锻拔长前后的示意图，如图6所示；
第2道次辊锻拔长工序：轧辊直径400mm，弧度55°，转速1rad/s，将所得第1工位辊锻件沿着与辊锻垂直的方向水平送入第2工位辊锻模上加工，得到第2工位辊锻件，叶身厚度50mm，总长度232mm，利用Deform软件模拟第2道次辊锻拔长后的示意图，如图7所示。
第3道次辊锻拔长工序：轧辊直径400mm，弧度70°，转速1rad/s，将所得第2工位辊锻件沿着与辊锻垂直的方向水平送入第3工位辊锻模上加工，得到水平“工”字形坯料，叶身厚度20mm，总长度332mm，利用Deform软件模拟第3道次辊锻拔长后的示意图，如图8所示。
本发明的双冠叶片的锻造成形方法，拔长效果好、生产效率大幅度提高，在模锻时无需等温锻造；并且成形设备要求低，辊锻拔长后叶身已近成形，叶冠处基本无变形，模锻时在较小的压力下两端叶冠亦可获得较好的充型效果，降低生产成本。采用本发明的方法得到的双冠叶片变形过程平稳，特别是成形锻造时各部位变形量相近，锻件各部分组织更加均匀一致，并且模锻时形成的毛边较少，而且毛边量分布均匀，材料利用率提升。
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.双冠叶片的锻造成形方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a)将哑铃状荒坯或长方体坯料加热处理后，进行辊锻拔长；
(b)将所述辊锻拔长后的坯料进行模锻成形，得到双冠叶片锻件。
2.根据权利要求1所述的双冠叶片的锻造成形方法，其特征在于，所述长方体坯料的制备包括：将棒料加热处理后，进行镦粗，然后对周面进行压扁，再沿周向翻转90°压平，反复进行翻转压片操作，矫形得到长方体坯料；
优选的，所述哑铃状荒坯的制备包括：对所述长方体坯料进行加热处理，然后在所述长方体坯料的中间部位进行局部下压，得到所述哑铃状荒坯。
3.根据权利要求1所述的双冠叶片的锻造成形方法，其特征在于，所述辊锻拔长包括至少一道次；
优选的，所述辊锻拔长包括1～5道次。
4.根据权利要求1所述的双冠叶片的锻造成形方法，其特征在于，所述辊锻拔长中，单道次的压下量为0.5～20mm；
优选的，所述辊锻拔长中，单道次的压下量为10～15mm。
5.根据权利要求1～4任一项所述的双冠叶片的锻造成形方法，其特征在于，所述辊锻拔长中，轧辊外圆弧长Lgn与第n道次轧制完成后坯料颈部长度Lpn满足：Lpn＝Lgn+5～Lgn+100，Lpn和Lgn的单位为mm；
优选的，所述辊锻拔长中，轧辊直径为200～600mm。
6.根据权利要求1所述的双冠叶片的锻造成形方法，其特征在于，所述辊锻拔长包括：夹持加热后的哑铃状荒坯或长方体坯料的一端，沿所述哑铃状环坯或所述长方体坯料的长度方向进行辊锻拔长，直至达到目标长度；
优选的，所述辊锻拔长中，轧辊由一个叶冠位置咬入，到另一个叶冠位置停止。
7.根据权利要求1所述的双冠叶片的锻造成形方法，其特征在于，所述辊锻拔长后的坯料的叶冠处以R角过渡；
优选的，所述R角的过渡面的弧形的半径为10～50mm。
8.根据权利要求1所述的双冠叶片的锻造成形方法，其特征在于，所述模锻成形包括：将所述辊锻拔长后的坯料进行加热处理，然后加入模具中，进行精密锻造成型；
优选的，所述模锻成形中，保持叶身长度方向基本不变，两端叶冠处在压力作用下，与模具贴合。
9.根据权利要求1所述的双冠叶片的锻造成形方法，其特征在于，还包括：对所述双冠叶片锻件进行退火热处理；
优选的，所述退火热处理包括：于700～800℃保温60～240min，空冷。
10.根据权利要求1所述的双冠叶片的锻造成形方法，其特征在于，优选的，所述双冠叶片的材质为钛合金；
优选的，所述钛合金包括TC4合金。
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