CN117358863B - 一种防止高温合金在锤上自由锻造过程中产生裂纹的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高温合金锤上的锻造工艺，尤其涉及一种防止高温合金在锤上自由锻造过程中产生裂纹的方法，其包括：S10.对高温合金钢锭进行均匀化处理；S20.对均匀化处理后的高温合金钢锭进行锻造加热；以及S30.通过以下步骤将锻造加热后的高温合金钢锭锻造成预定尺寸的坯料结构：S31.将锻造加热后的高温合金钢锭预先捶打成第一中间形状的坯料，之后回炉；S32.通过捶打对第一中间形状的坯料进行倒棱，得到第二中间形状的坯料；S33.通过捶打使第二中间形状的坯料沿预定方向变形；以及S34.重复步骤S32和S33，直到获得预定尺寸的坯料结构。本发明能够防止高温合金锻件在锤上自由锻造过程中产生裂纹。
Description
技术领域
本发明涉及难变形高温合金锤上的锻造工艺，尤其是在锻造过程中防止裂纹产生的技术领域，具体涉及一种防止高温合金在锤上自由锻造过程中产生裂纹的方法。
背景技术
GH4093高温合金是一种在高温环境下具有良好耐热性和耐腐蚀性能的材料，广泛应用于航空、航天、能源等领域。在制造过程中，锻造是常用的加工方法之一。然而，由于高温合金的高硬度、高韧性以及高熔点特性，使得锻造过程中容易出现裂纹缺陷；另一方面，由于高温合金钢锭棱角厚度薄，降温快，合金优先从棱角部位产生裂纹或裂口源，并迅速向坯料表面和深度方向扩展，最终造成裂纹缺陷，这些裂纹缺陷往往会降低GH4093高温合金的可靠性和使用寿命。
目前高温合金的锻造制备工艺主要有两种：自由锻和等轴锻。自由锻工艺是最常用的一种锻造方式，它通过对高温合金进行塑性变形，使其获得所需的形状和性能。然而，在自由锻过程中，由于GH4093高温合金的高硬度和高脆性，容易产生裂纹。这些裂纹可以是显微裂纹，也可以是明显可见的裂缝，都将对高温合金的使用性能造成严重影响。
当前关于改善高温合金的锻造工艺主要集中在坯料热处理环节，对高温合金中的锻锤工艺研究较少。
基于此，现有技术仍然存在改进的空间，为了解决高温合金自由锻过程中裂纹产生的问题，需要提出一种新的工艺方法。这种方法能够从根本上改善高温合金的塑性变形性能，减少裂纹产生，提高产出品质和生产效率。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种防止高温合金在锤上自由锻造过程中产生裂纹的方法，该方法旨在通过改进锻造方式和控制锻造参数，防止高温合金锻件在锤上自由锻造过程中产生裂纹。锻造参数包括锻造温度和捶打频率（或锤击频率）的合理选择。通过控制锻造温度，可以使材料的塑性达到最佳状态，降低材料的变形阻力。捶打频率的选择需要根据具体的材料和工件情况进行调整，以保证锻造过程中的应力分布均匀。本发明所述的方法尤其适用于GH4093高温合金锤上锻造工艺，包括锻造材型的选择、温度控制、锻造方式、变形方向以及锤打频率等参数的设定。通过本发明可以提高GH4093高温合金锻件的质量和可靠性，减少裂纹的发生率，并且提高材料的力学性能和耐久性。这对于推动高温合金材料的应用和发展具有积极的意义。本发明所述的方法不局限于高温合金钢锭，凡利用本发明原理进行锻造生产的均在本发明的专利保护范围之内。
具体地，根据本发明，提供一种防止高温合金在锤上自由锻造过程中产生裂纹的方法，其包括以下步骤：S10. 对高温合金钢锭进行均匀化处理；S20. 对均匀化处理后的所述高温合金钢锭进行锻造加热；以及S30. 通过以下步骤将锻造加热后的所述高温合金钢锭锻造成预定尺寸的坯料结构：S31. 将锻造加热后的所述高温合金钢锭预先捶打成第一中间形状的坯料，之后回炉；S32. 通过捶打对所述第一中间形状的坯料进行倒棱，得到第二中间形状的坯料；S33. 通过捶打使所述第二中间形状的坯料沿预定方向变形；以及S34.重复步骤S32和S33，直到获得所述预定尺寸的坯料结构。
在本发明的实施例中，所述高温合金包括GH4093高温合金，并且所述预定尺寸的坯料结构包括第一预定尺寸的方坯或第二预定尺寸的板坯。
在本发明的实施例中，步骤S30中，始锻温度大于等于1000℃，终锻温度大于等于900℃，其中，步骤S33中，确保终锻温度大于等于900℃，否则立即回炉。
在本发明的实施例中，所述高温合金钢锭为圆柱形钢锭，并且步骤S31中，所述第一中间形状的坯料为直径小于所述圆柱形钢锭的八角形状的坯料。
在本发明的实施例中，步骤S32包括：在温度较高时，通过捶打将所述八角形状的坯料进行四角倒棱，去除尖锐的棱角，得到所述第二中间形状的坯料。
在本发明的实施例中，步骤S32进一步包括：在进行倒棱之前，使所述八角形状的坯料沿Z方向变形，其中所述Z方向为高温合金钢锭截面的竖直方向。
在本发明的实施例中，步骤S33中，所述预定方向包括Y方向和Z方向，其中所述Y方向为高温合金钢锭截面的水平方向并且所述Z方向为高温合金钢锭截面的竖直方向，并且步骤S33包括：通过捶打使所述第二中间形状的坯料同时沿Y方向和Z方向变形。
在本发明的实施例中，步骤S33中，所述预定方向包括Y方向和Z方向，其中所述Y方向为高温合金钢锭截面的水平方向，并且步骤S33包括：通过捶打先使所述第二中间形状的坯料沿Y方向进行收边变形，再沿Z方向进行主变形。
在本发明的实施例中，步骤S30中，包括沿X方向、Y方向和Z方向捶打所述高温合金钢锭，并且捶打频率为20～100次/min；沿X方向捶打时，每锤变形率≥8%，沿Y方向或Z方向捶打时，每锤变形率≥5%，其中，所述X方向为高温合金钢锭的长度方向，所述Y方向为高温合金钢锭截面的水平方向并且所述Z方向为高温合金钢锭截面的竖直方向。
在本发明的实施例中，步骤S32中，捶打频率为30~50次/min。
通过本发明，能够有效防止高温合金在锤上自由锻造过程中产生裂纹、提高产出品质和生产效率，并且能够实现减少能耗，降本增效。这对国内从事高温合金锻造生产的企业、钢厂以及高校都具有十分重要的指导意义，将会产生重大的经济价值。
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，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，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
图1为本发明的实施例提供的一种防止高温合金在锤上自由锻造过程中产生裂纹的方法的流程图；
图2为本发明的一个实施例提供的防止高温合金在锤上自由锻造过程中产生裂纹的方法的流程示意图；
图3为本发明的另一个实施例提供的防止高温合金在锤上自由锻造过程中产生裂纹的方法的流程示意图；
图4为根据现有技术所述的方法处理得到的坯料的示意图；
图5为根据本发明所述的方法处理得到的方坯的示意图；
图6为根据本发明所述的方法处理得到的板坯的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。
需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
在本发明中，相对于高温合金钢锭建立坐标系，如图2和图3所示，其中，X方向为钢锭的长度方向，Y方向为钢锭截面的水平方向并且Z方向为钢锭截面的竖直方向。引用该坐标系的目的在于说明的目的，并不是为了限制本发明。
根据本发明，提供一种防止高温合金在锤上自由锻造过程中产生裂纹的方法，如图1所示，其包括以下步骤：
S10. 对高温合金钢锭进行均匀化处理；
S20. 对均匀化处理后的所述高温合金钢锭进行锻造加热；以及
S30. 通过以下步骤将锻造加热后的所述高温合金钢锭锻造成预定尺寸的坯料结构：
S31. 将锻造加热后的所述高温合金钢锭预先捶打成第一中间形状的坯料，之后回炉；
S32. 通过捶打对所述第一中间形状的坯料进行倒棱，得到第二中间形状的坯料；
S33. 通过捶打使所述第二中间形状的坯料沿预定方向变形；以及
S34. 重复步骤S32和S33，直到获得所述预定尺寸的坯料结构。
在本发明的实施例中，所述高温合金包括GH4093高温合金，并且所述预定尺寸的坯料结构包括第一预定尺寸的方坯或第二预定尺寸的板坯。在一个实施例中，第一预定尺寸的方坯例如是120*120*Lmm的方坯，并且第二预定尺寸的板坯例如是75*250*Lmm板坯。在其他实施例中，也可以是其他具体尺寸的方坯或板坯，在此不做限制。
在本发明的实施例中，步骤S10中，在锻造前，先将高温合金钢锭在1000~1290℃下，均匀化处理50~70h。
在本发明的实施例中，步骤S20中，将步骤S10中均匀化处理后的高温合金钢锭放置在锻造炉内，在保护气氛下进行锻造加热，此时锻造炉内的温度小于等于700℃，然后缓慢升温至900℃～1000℃，保温3h以上，最后再缓慢升温至1050～1150℃，保温2h以上。
在本发明的实施例中，步骤S30中，对步骤S20得到的锻造加热后的钢锭进行锻造，始锻温度大于等于1000℃，终锻温度大于等于900℃，最终得到预定尺寸的坯料结构。
在一个实施例中，高温合金钢锭为圆柱形钢锭并且该预定尺寸的坯料结构为方坯，针对该方坯的具体处理方法如下：
步骤S31中，由于圆柱形钢锭直径较大，温降慢，故将圆柱形钢锭预先锤打至直径小于圆柱形钢锭的八角形状的坯料，随后立即回炉；
步骤S32中，将步骤S31中的八角形状的坯料回炉后，在温度较高时将八角形状的坯料进行四角倒棱，去除尖锐的棱角，得到第二中间形状的坯料；
步骤S33中，对步骤S32中的第二中间形状的坯料立即沿Y、Z方向进行变形，确保终锻温度高于900℃，否则立即回炉；
步骤S34中，将步骤S33中的坯料出炉后，重复步骤S32和S33，即，反复进行倒棱以及沿Y、Z方向进行变形，直至坯料尺寸满足要求，即，获得预定尺寸的方坯。
在另一个实施例中，高温合金钢锭为圆柱形钢锭并且该预定尺寸的坯料结构为板坯，针对该板坯的具体处理方法如下：
步骤S31中，由于圆柱形钢锭直径较大，温降慢，故将圆柱形钢锭预先锤打至直径小于圆柱形钢锭的八角形状的坯料，随后立即回炉；
步骤S32中，将步骤S31中的八角形状的坯料回炉后，在温度较高时将八角形状的坯料进行四角倒棱，去除尖锐的棱角，得到第二中间形状的坯料；
步骤S33中，对步骤S32中的第二中间形状的坯料立即沿Y方向进行收边变形（例如快速小变形收边至预定尺寸，即，通过较快速的捶打速率、每次变形较小的方式达到要求的形状和尺寸），然后沿Z方向进行主变形，确保终锻温度高于900℃，否则立即回炉；
步骤S34中，将步骤S33中的坯料出炉后，重复步骤S32和S33，即，反复进行倒棱以及沿Y方向进行快速小变形收边，然后沿Z方向进行主变形，直至坯料尺寸满足要求，即，获得预定尺寸的板坯。
在该实施例中，步骤S32进一步包括：在进行倒棱之前，使八角形状的坯料沿Z方向变形。
在本发明的实施例中，步骤S30中，包括沿X方向、Y方向和Z方向捶打所述高温合金钢锭，并且步骤S31~S33中的每个步骤都可以包括这三个方向的捶打，即，每个步骤都可以涉及到X面的变形。原因在于：整个高温合金钢锭为圆柱，而圆柱可看成由无数个单位截面积组成，在对每个面进行Y/Z方向的变形捶打时，相应的X方向也受到了变形。针对不同的平面，提出不同的捶打频率，主要是圆柱端面捶打时以YZ为主，沿圆柱X方向捶打时，以X为主。根据本发明，捶打频率为20～100次/min；沿X方向捶打时，每锤变形率≥8%，沿Y方向或Z方向捶打时，每锤变形率≥5%。步骤S32中，捶打频率为30~50次/min。通过对锻造参数的设置，可确保X/Y/Z面、棱角面温度补偿和温度损失最小，
通过本发明可以提高高温合金锻件的质量和可靠性，减少裂纹的发生率，并且提高材料的力学性能和耐久性。
以下通过具体实施例进一步说明本发明：
实施例1：
本实施例1所述的防止高温合金在锤上自由锻造过程中产生裂纹的方法包括以下步骤：
步骤（1）：锻造前，先将φ305mm的GH4093高温合金钢锭在1000~1290℃（优选为1190℃）下，均匀化处理50~70h （优选60h）；
步骤（2）：将步骤（1）均匀化处理后的钢锭放置在锻造炉内，在保护气氛下进行锻造加热，此时锻造炉内的温度小于等于700℃，然后缓慢升温至900℃～1000℃，保温3h以上，最后在缓慢升温至1050～1150℃，保温2h以上；
步骤（3）：对步骤（2）得到的锻造加热后的钢锭进行锻造，始锻温度大于等于1000℃，终锻温度大于等于900℃，最终坯料结构为120*120*Lmm方坯。其中，如图2所示，步骤（3）具体包括以下步骤：
步骤（31）：由于φ305mm圆钢锭直径较大，温降慢，故将φ305mm圆钢锭预先锤打至250mm八角形状，随后立即回炉；
步骤（32）：将步骤（31）中的八角钢锭回炉后，在温度较高时将八角形坯料进行四角倒棱，去除尖锐的棱角；
步骤（33）：对步骤（32）中的八角钢锭倒棱后，立即沿Y、Z方向进行变形，确保终锻温度高于900℃，否则立即回炉；
步骤（34）：将步骤（33）中的钢锭出炉后，反复进行倒棱和沿Y、Z方向变形，直至锻坯尺寸满足要求。
本锻造工艺应采用轻锤快打的捶打频率，并根据锻造不同部位的要求设置不同的捶打频率。在捶打棱角时，锤打频率为30～50次/min；在捶打X/Y/Z面时，以20～100次/min捶打频率为最好，终锻温度需≥900℃；在捶打X面时，每锤变形率≥8%，在捶打Y/Z面时，每锤变形率≥5%即可。通过上述工艺，可确保X/Y/Z面、棱角面温度补偿和温度损失最小。
如图5所示，通过上述方法制得的120*120*Lmm方坯基本没有裂纹发生，并且具有良好的力学性能和耐久性。相比之下，如图4所示，通过现有技术中的常规的方法制得的方坯的表面出现了裂纹，影响了产品的质量。
实施例2：
本实施例2所述的防止高温合金在锤上自由锻造过程中产生裂纹的方法包括以下步骤：
步骤（1）：锻造前，先将φ305mm的GH4093高温合金钢锭在1000~1290℃（优选为1190℃）下，均匀化处理50~70h （优选60h）；
步骤（2）：将步骤（1）均匀化处理后的钢锭放置在锻造炉内，在保护气氛下进行锻造加热，此时锻造炉内的温度小于等于700℃，然后缓慢升温至900℃～1000℃，保温3h以上，最后在缓慢升温至1050～1150℃，保温2h以上；
步骤（3）：对步骤（2）得到的锻造加热后的钢锭进行锻造，始锻温度大于等于1000℃，终锻温度大于等于900℃，最终坯料结构为75*250*Lmm板坯。其中，如图3所示，步骤（3）具体包括以下步骤：
步骤（31）：由于φ305mm圆钢锭直径较大，温降慢，故将φ305mm圆钢锭预先锤打至250mm八角形状，随后立即回炉；
步骤（32）：将步骤（31）中的八角钢锭回炉后，在温度较高时将八角形坯料进行四角倒棱，避免出现尖锐的棱角；
步骤（33）：将步骤（32）中的八角钢锭倒棱后，立即沿Y方向进行快速小变形收边至250mm，然后沿Z方向进行主变形，确保终锻温度高于900℃，否则立即回炉；
步骤（34）：将步骤（33）中的钢锭出炉后反复进行倒棱，其中Y方向进行收边变形，Z方向进行主变形，直至锻坯尺寸满足要求。
此外，步骤（32）可以进一步包括：在进行四角倒棱之前，使八角钢锭沿Z方向变形，以便于后续的四角倒棱。
本锻造工艺应采用轻锤快打的捶打频率，并根据锻造不同部位的要求设置不同的捶打频率。在捶打棱角时，锤打频率为30～50次/min；在捶打X/Y/Z面时，以20～100次/min捶打频率为最好，终锻温度需≥900℃；在捶打X面时，每锤变形率≥8%，在捶打Y/Z面时，每锤变形率≥5%即可。通过上述工艺，可确保X/Y/Z面、棱角面温度补偿和温度损失最小。
如图6所示，通过上述方法制得的75*250*Lmm板坯基本没有裂纹发生，并且具有良好的力学性能和耐久性。
本发明提供的防止高温合金在锤上自由锻造过程中产生裂纹的方法，旨在通过改进锻造方式和控制锻造参数，预防高温合金锻件在锤上自由锻造过程中产生裂纹。本发明适用于GH4093高温合金锤上锻造工艺，包括锻造材型的选择、温度控制、锻造方式、变形方向以及锤打频率等参数的设定。通过本发明，能够实现减少能耗，降本增效。这对国内从事高温合金锻造生产的企业、钢厂以及高校都具有十分重要的指导意义，将会产生重大的经济价值。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (5)
1.一种防止GH4093高温合金在锤上自由锻造过程中产生裂纹的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10. 对高温合金钢锭进行均匀化处理；
S20. 对均匀化处理后的所述高温合金钢锭进行锻造加热；以及
S30. 通过以下步骤将锻造加热后的所述高温合金钢锭锻造成75x250xLmm的板坯，其中L为所述板坯的长度：
S31. 将锻造加热后的所述高温合金钢锭预先捶打成第一中间形状的坯料，之后回炉；
S32. 通过捶打对所述第一中间形状的坯料进行倒棱，得到第二中间形状的坯料，其中，在进行倒棱之前，使所述第一中间形状的坯料沿Z方向变形，其中所述Z方向为高温合金钢锭截面的竖直方向；
S33. 通过捶打使所述第二中间形状的坯料沿预定方向变形，其中，所述预定方向包括Y方向和Z方向，其中所述Y方向为高温合金钢锭截面的水平方向，并且步骤S33包括：通过捶打先使所述第二中间形状的坯料沿Y方向进行收边变形，再沿Z方向进行主变形；以及
S34. 重复步骤S32和S33，直到获得所述75x250xLmm的板坯，
其中：
步骤S30中，始锻温度大于等于1000℃，终锻温度大于等于900℃；步骤S33中，确保终锻温度大于等于900℃，否则立即回炉；步骤S30中，包括沿X方向、Y方向和Z方向捶打所述高温合金钢锭，并且捶打频率为20～100次/min；沿X方向捶打时，每锤变形率≥8%，沿Y方向或Z方向捶打时，每锤变形率≥5%，其中，所述X方向为高温合金钢锭的长度方向。
2.一种防止GH4093高温合金在锤上自由锻造过程中产生裂纹的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10. 对高温合金钢锭进行均匀化处理；
S20. 对均匀化处理后的所述高温合金钢锭进行锻造加热；以及
S30. 通过以下步骤将锻造加热后的所述高温合金钢锭锻造成120x120xLmm的方坯，其中，L为所述方坯的长度：
S31. 将锻造加热后的所述高温合金钢锭预先捶打成第一中间形状的坯料，之后回炉；
S32. 通过捶打对所述第一中间形状的坯料进行倒棱，得到第二中间形状的坯料；
S33. 通过捶打使所述第二中间形状的坯料沿预定方向变形，其中，所述预定方向包括Y方向和Z方向，其中所述Y方向为高温合金钢锭截面的水平方向并且所述Z方向为高温合金钢锭截面的竖直方向，并且步骤S33包括：通过捶打使所述第二中间形状的坯料同时沿Y方向和Z方向变形；以及
S34. 重复步骤S32和S33，直到获得所述120*120*Lmm的方坯，
其中：
步骤S30中，始锻温度大于等于1000℃，终锻温度大于等于900℃；步骤S33中，确保终锻温度大于等于900℃，否则立即回炉；步骤S30中，包括沿X方向、Y方向和Z方向捶打所述高温合金钢锭，并且捶打频率为20～100次/min；沿X方向捶打时，每锤变形率≥8%，沿Y方向或Z方向捶打时，每锤变形率≥5%，其中，所述X方向为高温合金钢锭的长度方向。
3.根据权利要求1或2所述的防止GH4093高温合金在锤上自由锻造过程中产生裂纹的方法，其特征在于，所述高温合金钢锭为圆柱形钢锭，并且步骤S31中，所述第一中间形状的坯料为直径小于所述圆柱形钢锭的八角形状的坯料。
4.根据权利要求3所述的防止GH4093高温合金在锤上自由锻造过程中产生裂纹的方法，其特征在于，步骤S32包括：在温度较高时，通过捶打将所述八角形状的坯料进行四角倒棱，去除尖锐的棱角，得到所述第二中间形状的坯料。
5.根据权利要求1或2所述的防止GH4093高温合金在锤上自由锻造过程中产生裂纹的方法，其特征在于，步骤S32中，捶打频率为30~50次/min。
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