CN117564200A - 一种短流程合金锻件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种短流程合金锻件的制备方法，涉及合金锻件制备领域，固溶处理，将合金材料放在真空炉中煅烧熔化，保温两小时后，定向冷却技术将经过处理的合金坯料按照由上至下的方向定向凝固后均匀化处理，即得到短流程合金均匀化坯料，一次时效处理后合金运至变形模具上，在变形量为20％‑30％的条件下进行热锻变形，得到变形后的合金坯料，将变形后的合金坯料运至模锻模具上进行模锻锻造，模锻锻造后进行后续热处理，通过液态金属带走凝固部分的大量热量实现迅速凝固，从而有效保证复杂合金化合金材料的纯净度、冶金缺陷和偏析程度，通过对加入原料的参数进行提取，以准确计算炉体的加热功率，保证真空感应炉内的原料均匀升温。
Description
技术领域
本发明涉及合金锻件制备领域，特别涉及一种短流程合金锻件的制备方法。
背景技术
目前合金主要通过真空感应熔炼VIM制备电极棒，经过双联(VIM+VAR、VIM+ESR)或三联冶炼VIM+ESR+VAR制备吨级铸锭，通过高温扩散热处理减轻铸锭的元素偏析，再通过大型锻造设备破碎铸态晶粒、闭合铸造缺陷，此过程的压力加工会使铸锭的直径变细、长度增加，即得到细长的棒料，再根据锻件重量切割下料才能完成坯料准备。整个过程能耗大、设备投资高、生产流程长，目前国内仅有几个大企业具备合金开坯锻造的生产能力。特别是对于Al+Ti+Nb+Ta总含量10％以上的难变形合金，吨级工业铸锭的枝晶偏析强烈，且VAR、ESR出现白斑和黑斑等宏观缺陷的概率很高，而且材料热加工区间窄，在大锭型开坯锻造过程中，开坯锻造件的流程长，保温措施很难全覆盖，因此特别容易出现锻造裂纹，常规技术一般单纯经过真空感应熔炼完成合金化，再经过真空自耗和/或电渣重熔，因为较深的熔池会加重材料凝固偏析，甚至导致黑斑和或白斑缺陷，这样的坯料是不适合直接锻造成坯料的，还要经过锻造开坯。
为解决这一问题，本发明提出了一种短流程合金锻件的制备方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的主要目的是提供一种短流程合金锻件的制备方法，能够有效解决背景技术中的问题：特别是对于Al+Ti+Nb+Ta总含量10％以上的难变形合金，吨级工业铸锭的枝晶偏析强烈，且VAR、ESR出现白斑和黑斑等宏观缺陷的概率很高，而且材料热加工区间窄，在大锭型开坯锻造过程中，开坯锻造件的流程长，保温措施很难全覆盖，因此特别容易出现锻造裂纹，常规技术一般单纯经过真空感应熔炼完成合金化，再经过真空自耗和/或电渣重熔，会因为较深的熔池会加重材料凝固偏析，甚至导致黑斑和或白斑缺陷，这样的坯料是不适合直接锻造成坯料的，还要经过锻造开坯。本发明的具体技术方案如下：
一种短流程合金锻件的制备方法，其具体包括以下制备步骤：
第一步：将合金锻件的原料加入真空感应炉中熔化，合金熔体在膜壳中浇铸成锭子，在高温电炉功率为30kW、加热速度为25-35℃/min的条件下升温，当温度升至500℃开启氩气保护装置，然后在氩气流量为25ml/s-50ml/s的条件下继续升温至熔化温度1420℃-1450℃，熔炼2小时，然后使用定向冷却技术将经过处理的合金坯料按照由上至下的方向定向凝固后均匀化处理，即得到短流程合金均匀化坯料；
第二步：完成第一步后，持续通入氩气，流量为25ml/s-50ml/s的条件下风冷至一次时效温度1070℃-1090℃，保持一次时效温度1070℃-1090℃四个小时，然后持续通入氩气，在流量为25ml/s-50ml/s的条件下风冷3分钟，再进行空冷，处理后合金运至变形模具上，在温度为950℃-980℃的条件下进行热锻变形，达到20％-30％的变形量，得到变形后的合金坯料；
第三步：将经过第二步处理的变形后的合金坯料运至模锻模具上进行模锻锻造，关闭氩气保护装置，将高温电炉以5℃/min-15℃/min的升温速度升至800℃-850℃进行模锻，在该温度下保温24h，得到二次处理合金锻件，二次处理合金锻件进行后续热处理得到短流程合金锻件成品；
第一步中所述的合金锻件的原料按照质量百分含量12.0％～13.0％Cr、8.5％～9.5％ Co、0.06％～0.10％ C、1.65％～2.15％ Mo、3.85％～4.50％ W、3.85％～4.50％Ta、3.15％～3.60％ Al、3.75％～4.20％ Ti、0.01％～0.02％ B、0.01％～0.05％ Zr、S≤0.0015％、P≤0.0015％、Si≤0.2％、Mn≤0.15％、Fe≤0.5％、Cu≤0.1％、Bi≤0.00005％、Pb≤0.0005％、Se≤0.0003％、Ag≤0.0005％、3.85％～4.45％Ta、4％～6％ Nb和剩余量为Ni。
本发明进一步的改进在于，在所述第一步的过程中通过炉体加热策略保证真空感应炉在加热速度为25℃/min-35℃/min的条件下升温，所述炉体加热策略包括如下具体步骤：
S101、提取加入原料的体积和对应原料的比热容，同时提取各个原料密度和原料加入时的温度，同时提取炉体的直径和深度数据，分别设置为：ck，Vk，ρk，Tk，D和h，其中，ck为加入原料中第k个原料的比热，Vk为加入原料中第k个原料的体积，ρk为加入原料中第k个原料的密度，Tk为加入原料中第k个原料的温度、D为炉体的直径，h为炉体的深度；
S102、将提取数据代入炉体加热公式中计算真空感应炉工作的一级加热功率，其中ci为加入原料中第i个原料的比热容，ρi为加入原料中第i个原料的密度，Vi为加入原料中第i个原料的体积，/>为炉体的加热速度，取加热速度为25℃/min-35℃/min，η为炉体内加热器的热传递效率；
S103、计算通入25ml/s-50ml/s的氩气条件下继续升温至熔化温度1420℃-1450℃的真空感应炉工作的二级加热功率，所述真空感应炉工作的二级加热功率的公式为：其中cyq为氩气的比热容，syq为氩气的流量，即为25ml/s-50ml/s，ρyq为氩气的密度，ΔT为单位时间加热温度，即为25℃-35℃；
S104、控制器通过计算的一级加热功率和二级加热功率控制加热器的运行，进而对真空感应炉内部的原料进行加热。
本发明进一步的改进在于，所述第二步中热锻变形的变形方式采用累积变形方式，达到20％-30％的总变形量，其中单次变形量为5％-8％，用不同方向交替锻造变形，即在两个相对方向上使合金变形5％-8％之后，翻转材料在另两个相对方向上重新变形，以此类推使6个面交替实现交替变形。
本发明进一步的改进在于，所述第一步中将合金锻件的原料加入真空感应炉中进行煅烧熔化之前，需要对炉体进行真空抽气操作，所述真空抽气的真空度低于10-3pa。
本发明进一步的改进在于，在所述第一步中合金坯料在模壳中浇筑锻件，浇筑的合金熔体的温度范围为：1440℃-1500℃，模壳温度范围为：890℃-920℃。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明由于采用定向凝固技术得到了平直的固液界面，不同于传统真空感应熔炼、真空自耗重熔和电渣重熔形成凹陷的固液界面和较宽的糊状区，固液界面没有明显对流，因此凝固偏析程度较低、无宏观偏析、且疏松缺陷少；通过控制固液界面的生长速率，能够保证固液界面上方在较高的熔体温度，而固液界面下方，通过液态金属带走凝固部分的大量热量实现迅速凝固，从而有效保证复杂合金化合金材料的纯净度、冶金缺陷和偏析程度；
2、本发明通过对加入原料的参数进行提取，以准确计算炉体的加热功率，保证真空感应炉内的原料均匀升温，保证了合金的生产质量。
3、本发明通过设置的热锻变形的变形方式采用多次累积变形方式，在两个相对方向上使合金变形5％-8％之后，翻转材料在另两个相对方向上重新变形，以此类推使6个面交替实现交替变形，变形效果好，达到20％-30％的总变形量。
4、本发明通过将合金材料放在真空炉中煅烧熔化，保温两小时后，定向冷却技术将经过处理的合金坯料按照由上至下的方向定向凝固后均匀化处理，即得到短流程合金均匀化坯料，一次时效处理后合金运至变形模具上，在变形量为20％-30％的条件下进行热锻变形，得到变形后的合金坯料，将变形后的合金坯料运至模锻模具上进行模锻锻造，模锻锻造后进行后续热处理，相比于现有技术具有流程短的优点。
附图说明
图1为本发明一种短流程合金锻件的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1
本实施例的原料按照质量百分含量12.18％Cr、1.91％Mo、8.76％Co、3.84％Ti、4.40％Ta、0.02％Zr、4.16％W、0.5％Fe、3.59％Al、0.016％B、0.098％C、5％Nb、0.0015％S和剩余量的Ni配置；
一种短流程合金锻件的制备方法，其具体包括以下制备步骤：
第一步：将合金锻件的原料加入真空感应炉中熔化，合金熔体在膜壳中浇铸成锭子，在高温电炉功率为30kW、加热速度为25℃/min-35℃/min的条件下升温，当温度升至500℃开启氩气保护装置，然后在氩气流量为25ml/s-50ml/s的条件下继续升温至熔化温度1420℃-1450℃，熔炼2小时，然后使用定向冷却技术将经过处理的合金坯料按照由上至下的方向定向凝固后均匀化处理，即得到短流程合金均匀化坯料；
第二步：完成第一步后，持续通入氩气，流量为25ml/s-50ml/s的条件下风冷至一次时效温度1070℃-1090℃，保持一次时效温度1070℃-1090℃四个小时，然后持续通入氩气，在流量为25ml/s-50ml/s的条件下风冷3分钟，再进行空冷，处理后合金运至变形模具上，在温度为950℃-980℃的条件下进行热锻变形，达到20％-30％的变形量，得到变形后的合金坯料；
第三步：将经过第二步处理的变形后的合金坯料运至模锻模具上进行模锻锻造，关闭氩气保护装置，将高温电炉以5℃/min-15℃/min的升温速度升至800℃-850℃进行模锻，在该温度下保温24h，得到二次处理合金锻件，二次处理合金锻件进行后续热处理得到短流程合金锻件成品；
在第一步的过程中通过炉体加热策略保证真空感应炉在加热速度为25℃/min-35℃/min的条件下升温，炉体加热策略包括如下具体步骤：
S101、提取加入原料的体积和对应原料的比热容，同时提取各个原料密度和原料加入时的温度，同时提取炉体的直径和深度数据，分别设置为：ck，Vk，ρk，Tk，D和h，其中，ck为加入原料中第k个原料的比热，Vk为加入原料中第k个原料的体积，ρk为加入原料中第k个原料的密度，Tk为加入原料中第k个原料的温度、D为炉体的直径，h为炉体的深度；
S102、将提取数据代入炉体加热公式中计算真空感应炉工作的一级加热功率，其中ci为加入原料中第i个原料的比热容，ρi为加入原料中第i个原料的密度，Vi为加入原料中第i个原料的体积，/>为炉体的加热速度，取加热速度为25℃/min-35℃/min，η为炉体内加热器的热传递效率；
S103、计算通入25ml/s-50ml/s的氩气条件下继续升温至熔化温度1420℃-1450℃的真空感应炉工作的二级加热功率，真空感应炉工作的二级加热功率的公式为：其中cyq为氩气的比热容，syq为氩气的流量，即为25ml/s-50ml/s，ρyq为氩气的密度，ΔT为单位时间加热温度，即为25℃-35℃；
S104、控制器通过计算的一级加热功率和二级加热功率控制加热器的运行，进而对真空感应炉内部的原料进行加热；
第二步中热锻变形的变形方式采用累积变形方式，达到15％-18％的总变形量，其中单次变形量为5％-8％，用不同方向交替锻造变形，即在两个相对方向上使合金变形5％-8％之后，翻转材料在另两个相对方向上重新变形，以此类推使6个面交替实现交替变形；
第一步中将合金锻件的原料加入真空感应炉中进行煅烧熔化之前，需要对炉体进行真空抽气操作，真空抽气的真空度低于10-3pa；在第一步中合金坯料在模壳中浇筑锻件，浇筑的合金熔体的温度范围为：1440℃，模壳温度范围为：890℃。
通过本实施得到的材料室温拉伸强度为1026MPa，屈服强度942MPa，延伸率6.8％，断面收缩率15％，760℃，662MPa条件下持久寿命102.3h，延伸率4.3％，断面收缩率19.7％，982℃，186MPa条件下持久寿命73.2h，延伸率8.7％，断面收缩率13.5％。
实施例2
本实施例的原料按照质量百分含量12.35％Cr、1.89％Mo、8.76％Co、4.04％Ti、3.94％Ta、0.02％Zr、4.10％W、3.54％Al、0.016％B、0.097％C、5.9％Nb、0.0015％S和剩余量的Ni配置；
一种短流程合金锻件的制备方法，其具体包括以下制备步骤：
第一步：将合金锻件的原料加入真空感应炉中熔化，合金熔体在膜壳中浇铸成锭子，在高温电炉功率为30kW、加热速度为25-35℃/min的条件下升温，当温度升至500℃开启氩气保护装置，然后在氩气流量为25ml/s-50ml/s的条件下继续升温至熔化温度1420℃-1450℃，熔炼2小时，然后使用定向冷却技术将经过处理的合金坯料按照由上至下的方向定向凝固后均匀化处理，即得到短流程合金均匀化坯料；
第二步：完成第一步后，持续通入氩气，流量为25ml/s-50ml/s的条件下风冷至一次时效温度1070℃-1090℃，保持一次时效温度1070℃-1090℃四个小时，然后持续通入氩气，在流量为25ml/s-50ml/s的条件下风冷3分钟，再进行空冷，处理后合金运至变形模具上，在温度为950℃-980℃的条件下进行热锻变形，达到20％-30％的变形量，得到变形后的合金坯料；
第三步：将经过第二步处理的变形后的合金坯料运至模锻模具上进行模锻锻造，关闭氩气保护装置，将高温电炉以5℃/min-15℃/min的升温速度升至800℃-850℃进行模锻，在该温度下保温24h，得到二次处理合金锻件，二次处理合金锻件进行后续热处理得到短流程合金锻件成品；
在第一步的过程中通过炉体加热策略保证真空感应炉在加热速度为25℃/min-35℃/min的条件下升温，炉体加热策略包括如下具体步骤：
S101、提取加入原料的体积和对应原料的比热容，同时提取各个原料密度和原料加入时的温度，同时提取炉体的直径和深度数据，分别设置为：ck，Vk，ρk，Tk，D和h，其中，ck为加入原料中第k个原料的比热，Vk为加入原料中第k个原料的体积，ρk为加入原料中第k个原料的密度，Tk为加入原料中第k个原料的温度、D为炉体的直径，h为炉体的深度；
S102、将提取数据代入炉体加热公式中计算真空感应炉工作的一级加热功率，其中ci为加入原料中第i个原料的比热容，ρi为加入原料中第i个原料的密度，Vi为加入原料中第i个原料的体积，/>为炉体的加热速度，取加热速度为25℃/min-35℃/min，η为炉体内加热器的热传递效率；
S103、计算通入25ml/s-50ml/s的氩气条件下继续升温至熔化温度1420℃-1450℃的真空感应炉工作的二级加热功率，真空感应炉工作的二级加热功率的公式为：其中cyq为氩气的比热容，syq为氩气的流量，即为25ml/s-50ml/s，ρyq为氩气的密度，ΔT为单位时间加热温度，即为25℃-35℃；
S104、控制器通过计算的一级加热功率和二级加热功率控制加热器的运行，进而对真空感应炉内部的原料进行加热；
第二步中热锻变形的变形方式采用累积变形方式，达到20％-30％的总变形量，其中单次变形量为5％-8％，用不同方向交替锻造变形，即在两个相对方向上使合金变形5％-8％之后，翻转材料在另两个相对方向上重新变形，以此类推使6个面交替实现交替变形；
第一步中将合金锻件的原料加入真空感应炉中进行煅烧熔化之前，需要对炉体进行真空抽气操作，真空抽气的真空度低于10-3pa；在第一步中合金坯料在模壳中浇筑锻件，浇筑的合金熔体的温度范围为：1440℃，模壳温度范围为：890℃。
通过本实施得到的材料室温拉伸强度为895MPa，屈服强度850MPa，延伸率8.1％，断面收缩率21.4％，760℃，662MPa条件下持久寿命96h，延伸率5.4％，断面收缩率7.8％，982℃，186MPa条件下持久寿命45.7h，延伸率8.4％，断面收缩率15.4％。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (5)
1.一种短流程合金锻件的制备方法，其特征在于：其具体包括以下制备步骤：
第一步：将合金锻件的原料加入真空感应炉中熔化，合金熔体在模壳中浇铸成锭子，在高温电炉功率为30kW、加热速度为25-35℃/min的条件下升温，当温度升至500℃开启氩气保护装置，然后在氩气流量为25ml/s-50ml/s的条件下继续升温至熔化温度1420℃-1450℃，熔炼2小时，然后使用定向冷却技术将经过处理的合金坯料按照由上至下的方向定向凝固后均匀化处理，即得到短流程合金均匀化坯料；
第二步：完成第一步后，持续通入氩气，流量为25ml/s-50ml/s的条件下风冷至一次时效温度1070℃-1090℃，保持一次时效温度1070℃-1090℃四个小时，然后持续通入氩气，在流量为25ml/s-50ml/s的条件下风冷3分钟，再进行空冷，处理后合金运至变形模具上，在温度为950℃-980℃的条件下进行热锻变形，达到20％-30％的变形量，得到变形后的合金坯料；
第三步：将经过第二步处理的变形后的合金坯料运至模锻模具上进行模锻锻造，关闭氩气保护装置，将高温电炉以5℃/min-15℃/min的升温速度升至800℃-850℃进行模锻，在该温度下保温24h，得到二次处理合金锻件，二次处理合金锻件进行后续热处理得到短流程合金锻件成品；
第一步中所述的合金锻件的原料按照质量百分含量12.0％～13.0％Cr、8.5％～9.5％Co、0.06％～0.10％C、1.65％～2.15％Mo、3.85％～4.50％W、3.85％～4.50％Ta、3.15％～3.60％Al、3.75％～4.20％Ti、0.01％～0.02％B、0.01％～0.05％Zr、S≤0.0015％、P≤0.0015％、Si≤0.2％、Mn≤0.15％、Fe≤0.5％、Cu≤0.1％、Bi≤0.00005％、Pb≤0.0005％、Se≤0.0003％、Ag≤0.0005％、3.85％～4.45％Ta、4％～6％Nb和剩余量为Ni。
2.根据权利要求1所述的一种短流程合金锻件的制备方法，其特征在于：在所述第一步的过程中通过炉体加热策略保证真空感应炉在加热速度为25℃/min-35℃/min的条件下升温，所述炉体加热策略包括如下具体步骤：
S101、提取加入原料的体积和对应原料的比热容，同时提取各个原料密度和原料加入时的温度，同时提取炉体的直径和深度数据；
S102、将提取数据代入炉体加热公式中计算真空感应炉工作的一级加热功率；
S103、计算通入25ml/s-50ml/s的氩气条件下继续升温至熔化温度1420℃-1450℃的真空感应炉工作的二级加热功率；
S104、控制器通过计算的一级加热功率和二级加热功率控制加热器的运行，进而对真空感应炉内部的原料进行加热。
3.根据权利要求2所述的一种短流程合金锻件的制备方法，其特征在于：所述第二步中热锻变形的变形方式采用累积变形方式，达到20％-30％的总变形量，其中单次变形量为5％-8％，用不同方向交替锻造变形，即在两个相对方向上使合金变形5％-8％之后，翻转材料在另两个相对方向上重新变形，以此类推使6个面交替实现交替变形。
4.根据权利要求3所述的一种短流程合金锻件的制备方法，其特征在于：所述第一步中将合金锻件的原料加入真空感应炉中进行煅烧熔化之前，需要对炉体进行真空抽气操作，所述真空抽气的真空度低于10-3pa。
5.根据权利要求4所述的一种短流程合金锻件的制备方法，其特征在于：在所述第一步中合金坯料在模壳中浇筑锻件，浇筑的合金熔体的温度范围为：1440℃-1500℃，模壳温度范围为：890℃-920℃。
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