CN116752061A - 一种控制gh4169大型透平盘残余应力的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种控制GH4169大型透平盘残余应力的方法，该方法主要过程包括固溶处理和时效处理，其中，固溶处理参数为980℃×100min快冷。使用本发明的方法进行控制，处理后的GH4169大型透平盘残余应力小于66.4MPa。
Description
技术领域
本发明涉及合金锻造技术领域，具体涉及一种控制GH4169大型透平盘残余应力的方法。
背景技术
GH4169合金在低于650℃时具有良好的综合性能，是涡轮盘、透平盘等发动机部件的关键材料。随着民用发动机的发展，对GH4169合金的需求逐渐增多。
目前使用GH4169合金生产大型透平盘的工艺主要包括锻造、切边、固溶(水冷或空冷)、时效(空冷)，在该工艺过程中主要存在以下问题：
1、该盘件形状复杂，尺寸规格大，截面厚度尺寸变化大，锻件变形均匀性较难控制，锻件组织均匀性较差，各部位力学性能差异较大，不能满足要求；
2、当固溶后采用水冷方式冷却时，由于冷却速度快，温差大，屈服强度显著提高，但残余应力超标，无法满足客户要求；
3、当固溶后采用空冷方式冷却时，由于冷却速度慢，温差小，残余应力得到释放，但屈服强度低于客户要求。
模锻件残余应力的控制在行业内一直是难以解决的问题，残余应力过大时模锻件表面易产生裂纹，模锻件内部组织粗大则会加速裂纹的形成；且如果锻件内部存在过大的残余应力，在后续机械加工时会由于残余应力失去平衡使零件产生变形，影响装配后续装配；在零件使用过程中，残余应力和工作应力叠加还会造成零件失效，甚至损坏整机。如果因为残余应力导致机加工报废或者设备运行过程中失效，造成的损失是不可估量的。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种控制GH4169大型透平盘残余应力的方法，该方法主要过程包括固溶处理和时效处理，其中，固溶处理参数为980℃×100min快冷。使用本发明的方法进行控制，处理后的GH4169大型透平盘残余应力小于66.4MPa。
本发明的技术方案如下：
一种控制GH4169大型透平盘残余应力的方法，主要过程包括固溶处理和时效处理；
其中，固溶处理温度为980±14℃，保温时间为90-100min，快冷；
处理后的GH4169大型透平盘残余应力小于66.4MPa；
除材料本身的导热率外，外部冷却介质和锻件表面的换热系数也是影响锻件内部温度梯度的主要因素。采用换热系数更高的介质冷却时，锻件形成的残余应力量级越大，梯度也越明显。水冷时外部冷却介质和锻件表面的换热系数最高，锻件的残余应力也最大，最高处残余应力σt竟高达395.5MPa，远超出客户规范的要求；空冷时外部冷却介质和锻件表面的换热系数最低，锻件的残余应力也最小，最高残余应力σt为38.0MPa，满足客户规范的要求，但是其力学性能无法满足要求；
因此，选用固溶处理选用快冷，控制快冷时间后，外部冷却介质和锻件表面的换热系数介于水冷和空冷之间，力学性能满足客户要求，同时最高残余应力σt为66.4MPa，也满足客户规范的要求；
时效处理与固溶处理配合使用，使得GH4169大型透平盘残余应力小于66.4MPa，在保证锻件力学性能的前提下，有效降低锻件的残余应力。
优选的，时效处理参数为720℃×8h+620℃×8h，空冷。
优选的，控制GH4169大型透平盘残余应力的方法还包括改锻、制坯、加工定位孔、涂层、模锻和整形锻造。
优选的，所述改锻共7个火次，第1火：1120±14℃×(380-500)min，由φ500×1045mm拔长至φ470×1160mm；第2火1120±14℃×(380-500)min，由φ470×1160mm镦粗至φ600×720mm，继续拔长至φ460×1220；第3火：1060±14℃×(360-480)min，由φ460×1220mm镦粗至φ650×600mm，继续拔长至φ500×1040mm；第4火：1060±14℃×(360-480)min，由φ500×1040mm镦粗至φ680×560mm；第5火：1000±10℃×(420-540)min，由φ680×560mm拔长至φ470×1170mm，继续镦粗至四方φ500×840mm；第6火：1000±10℃×(420-540)min，由φ500×840mm拔长至φ440×1320mm；第7火：1000±10℃×(360-480)min，整形至φ440×1320mm；
改锻处理的作用：改变宏观偏析，转变为锻态组织；控制晶粒的大小和均匀度，为后续模锻等生产做准备，以便获得良好的综合性能，避免材料缺陷和应力集中。完成改锻后在棒料一端切取试片进行低倍检查，确保改锻后坯料不存在缺陷。
优选的，所述制坯，共分为4个火次，1火镦粗，2火镦粗和1火制坯，2火制坯；
1火墩粗和2火墩粗的加热温度：1005±10℃，保温时间420-540min，第1火镦粗：由φ440×1250mm镦粗至φ530×850mm；第2火镦粗：由φ530×850mm镦粗至φ630×600mm；
完成镦粗后进行2火次制坯，制坯加热温度：1010±10℃，保温时间480-600min，第1火制坯：坯料φ630×600mm放在平砧上，上端面对中放压块，轴向镦粗至H＝420mm(自然鼓肚)；第2火制坯：使用压块镦粗，坯料放在平砧上，上端面对中放压块，轴向镦粗至H＝290mm；
作用：通过控制加热温度和每火次变形量，控制晶粒大小，改变坯料尺寸，获得适合模锻的坯料形状；通过压块使坯料芯部凹陷，在后续模锻时可以增大该部位变形量，避免变形死区，获得理想的组织和性能。
优选的，所述涂层，坯料在100-150℃电炉中保温30-60min，出炉喷涂或刷涂GDS-17玻璃润滑剂，涂层应均匀覆盖，无金属外漏，涂层厚度0.2-0.4mm；
形成致密的玻璃保护层使坯料与空气隔绝防止被进一步氧化，同时在锻造过程中可以减少坯料与模具之间的摩擦力，促进材料流动，保证模锻足够的变形量，使晶粒细化和均匀化。
优选的，所述模锻，加热温度：1000±10℃，保温时间240-360min；模锻以5mm/s的速度，压至欠压量H＝59mm(模具闭合设置零点)；模锻成型后获得最终锻件形状，通过控制加热温度、保温时间、压下速率、变形量等过程参数，均匀晶粒和组织。
优选的，所述整形锻造，加热温度995±10℃，保温时间150-270min，其余过程同模锻，由于该锻件直径规格和厚度很大，最后一火通过低温小变形稳定锻件形状，均匀应力。
相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
1、采用合理饼坯进行变形分配，增加改锻并采用低温锻造(1000℃模锻)保证锻件的最终均匀性。
2、通过试验控制快冷的时间，室温拉伸性能和残余应力要求同时得到满足，锻件综合性能调整至最佳。
3、高温合金力学性能受多方面影响，晶粒细化程度对产品性能有直接影响，增加改锻，可以打碎原材料中的粗晶，通过设计合理的坯料形状，分配各个位置足够变形量，使锻件晶粒细化和均匀化，保证不同部位的综合性能达到最佳。
4、通过本发明提供的方法进行控制，解决了GH4169大型透平轮盘件残余应力过大现象，并使产品各个部位综合性能达到最佳，在满足强度性能的同时，很好的控制了残余应力分布。
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，对于本领域普通技术人员而言，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为第1火制坯示意图。
图2为第2火制坯示意图。
图3为制坯后得到的中间坯示意图。
图4为定位加工孔示意图。
图5为模锻示意图
图6为锻件示意图。
图中，1-坯料，2-下平砧，3-压块，4-上平砧，5-上模，6-下模，7-导柱，8-顶杆，9-定位孔。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1
一种控制GH4169大型透平盘残余应力的方法，包括改锻、制坯、加工定位孔、涂层、模锻、整形锻造、固溶处理和时效处理；
其中，改锻共7个火次，第1火：1120±14℃×400min，由φ500×1045mm拔长至φ470×1160mm；第2火1120±14℃×400min，由φ470×1160mm镦粗至φ600×720mm，继续拔长至φ460×1220mm；第3火：1060±14℃×400min，由φ460×1220mm镦粗至φ650×600mm，继续拔长至φ500×1040mm；第4火：1060±14℃×400min，由φ500×1040mm镦粗至φ680×560mm；第5火：1000±10℃×450min，由φ680×560mm拔长至φ470×1170，继续镦粗至四方□□500×840mm；第6火：1000±10℃×450min，由φ500×840mm拔长至φ440×1320；第7火：1000±10℃×450min，整形至φ440×1320mm；
制坯，见图1和图2，共分为4个火次，1火镦粗，2火镦粗和1火制坯，2火制坯；
1火墩粗和2火墩粗的加热温度：1005±10℃，保温时间420-540min，第1火镦粗：由φ440×1250mm镦粗至φ530×850mm；第2火镦粗：由φ530×850mm镦粗至φ630×600mm；
完成镦粗后进行2火次制坯，制坯加热温度：1010±10℃，保温时间480-600min，第1火制坯：坯料1φ630×600mm放在下平砧2上，上端面对中放压块3，轴向镦粗至H＝420mm(自然鼓肚)；第2火制坯：使用压块3镦粗，坯料1放在下平砧2上，上端面对中放压块3，压块3上面放置上平砧4，轴向镦粗至H＝290mm；
制坯后获得如下规格中间坯，见图3：
按图4进行定位孔加工，方便模锻生产时坯料定位；
涂层，坯料1在120℃电炉中保温50min，出炉喷涂或刷涂GDS-17玻璃润滑剂，涂层应均匀覆盖，无金属外漏，涂层厚度0.3mm；
模锻，加热温度：1000±10℃，保温时间280min；模锻以5mm/s的速度，压至欠压量H＝59mm(模具闭合设置零点)；模锻成型后获得最终锻件形状，通过控制加热温度、保温时间、压下速率、变形量等过程参数，均匀晶粒和组织；
结合图5，用于模锻的模具，包括上模5和下模6，涂层后的坯料1放置在上模5和下模6之间；下模6和上模5通过导柱7限位；
在下模6内安装有顶杆8，项杆8的顶端位于坯料1底部的定位孔9中，在模锻中能够使坯料1位置稳定；
模锻后得到的锻件见图6；
整形锻造，加热温度995±10℃，保温时间150-270min，其余过程同模锻，由于该锻件直径规格和厚度很大，最后一火通过低温小变形稳定锻件形状，均匀应力；
固溶处理参数为980±10℃×(90-100)min，快冷；
时效处理参数为720℃×8h+620℃×8h，空冷；
处理后的GH4169大型透平盘残余应力小于66.4MPa；
室温拉伸和残余应力都可以满足要求，具体检测结果见表1和表2，如下。
表1室温拉伸检测结果
表2残余应力检测结果
除材料本身的导热率外，外部冷却介质和锻件表面的换热系数也是影响锻件内部温度梯度的主要因素。采用换热系数更高的介质冷却时，锻件形成的残余应力量级越大，梯度也越明显。水冷时外部冷却介质和锻件表面的换热系数最高，锻件的残余应力也最大，最高处残余应力σt竟高达395.5MPa，远超出客户规范的要求；空冷时外部冷却介质和锻件表面的换热系数最低，锻件的残余应力也最小，最高残余应力σt为38.0MPa，满足客户规范的要求，但是其力学性能无法满足要求。
实施例2
锻造过程不变，固溶处理时采用水冷，力学性能满足要求，但残余应力严重超标求，具体检测结果见表3和表4，如下。
表3室温拉伸检测结果
表4残余应力检测结果
实施例3
锻造过程不变，固溶处理时采用空冷，残余应力满足要求，但此时拉伸性能过低，具体检测结果见表5和表6，如下。
表5室温拉伸检测结果
表6残余应力检测结果
尽管通过参考优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种控制GH4169大型透平盘残余应力的方法，其特征在于，主要过程包括固溶处理和时效处理；
其中，固溶处理温度为980±14℃，保温时间为90-100min，快冷；
处理后的GH4169大型透平盘残余应力小于66.4MPa。
2.如权利要求1所述的控制GH4169大型透平盘残余应力的方法，其特征在于，时效处理参数为720℃×8h+620℃×8h，空冷。
3.如权利要求1所述的控制GH4169大型透平盘残余应力的方法，其特征在于，控制GH4169大型透平盘残余应力的方法还包括改锻、制坯、加工定位孔、涂层、模锻和整形锻造。
4.如权利要求3所述的控制GH4169大型透平盘残余应力的方法，其特征在于，所述改锻，共7个火次，第1火：1120±14℃×(380-500)min，由φ500×1045mm拔长至φ470×1160mm；第2火1120±14℃×(380-500)min，由φ470×1160mm镦粗至φ600×720mm，继续拔长至φ460×1220；第3火：1060±14℃×(360-480)min，由φ460×1220mm镦粗至φ650×600mm，继续拔长至φ500×1040；第4火：1060±14℃×(360-480)min，由φ500×1040mm镦粗至φ680×560mm；第5火：1000±10℃×(420-540)min，由φ680×560mm拔长至φ470×1170mm，继续镦粗至四方φ500×840mm；第6火：1000±10℃×(420-540)min，由φ500×840mm拔长至φ440×1320mm；第7火：1000±10℃×(360-480)min，整形至φ440×1320mm。
5.如权利要求3所述的控制GH4169大型透平盘残余应力的方法，其特征在于，所述制坯，共分为4个火次，1火镦粗，2火镦粗和1火制坯，2火制坯；
1火墩粗和2火墩粗的加热温度：1005±10℃，保温时间420-540min，第1火镦粗：由φ440×1250mm镦粗至φ530×850mm；第2火镦粗：由φ530×850mm镦粗至φ630×600mm；
完成镦粗后进行2火次制坯，制坯加热温度：1010±10，保温时间480-600min，第1火制坯：坯料φ630×600mm放在平砧上，上端面对中放压块，轴向镦粗至H＝420mm；第2火制坯：使用压块镦粗，坯料放在平砧上，上端面对中放压块，轴向镦粗至H＝290mm。
6.如权利要求3所述的控制GH4169大型透平盘残余应力的方法，其特征在于，所述涂层，坯料在100-150℃电炉中保温30-60min，出炉喷涂或刷涂GDS-17玻璃润滑剂，涂层厚度0.2-0.4mm。
7.如权利要求3所述的控制GH4169大型透平盘残余应力的方法，其特征在于，所述模锻，所述模锻，加热温度：1000±10℃，保温时间240-360min。
8.如权利要求3所述的控制GH4169大型透平盘残余应力的方法，其特征在于，所述整形锻造，加热温度995±10℃，保温时间150-270min。
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