專利名稱：鍛造模和鍛造工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及鍛造設(shè)備和鍛造工藝，包括用于利用金屬粉末生 產(chǎn)大鍛件的鍛造設(shè)備和鍛造工藝。更具體地，本發(fā)明涉及配備有徑向 區(qū)段的鍛造模，該徑向區(qū)段通過在鍛造期間促進(jìn)徑向生長而減小在粉 末冶金坯錠的鍛造期間的裂紋發(fā)生率。
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背景技術(shù)：
用于發(fā)電渦輪的轉(zhuǎn)子構(gòu)件典型地由鐵和具有低合金含量的鎳基 合金形成，即三種或四種主要元素，其允許相對容易地對它們進(jìn)行熔 煉和處理且具有極小的化學(xué)或微結(jié)構(gòu)偏析。近來，在發(fā)電業(yè)中使用的
15 較為先進(jìn)的陸基燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)(諸如本發(fā)明的受讓人的H和FB類燃 氣渦輪)的輪子、隔離件以及其它轉(zhuǎn)子構(gòu)件由高強(qiáng)度合金形成，諸如伽 馬雙引號(Y')沉淀強(qiáng)化鎳基超級合金，包括合金718和合金706。典型 地，這些構(gòu)件的處理包括通過三重熔煉(真空感應(yīng)熔煉(VIM)/電渣重熔 (ESR)/真空電弧重熔(VAR))以具有很大直徑(例如，高達(dá)大約90cm)而
20 形成鑄錠，其然后形成坯錠且經(jīng)受鍛造。相反，用于飛機(jī)燃?xì)鉁u輪發(fā) 動機(jī)的轉(zhuǎn)子構(gòu)件常常通過粉末冶金(PM)工藝形成，已知這種工藝提供 良好的蠕變、拉伸和疲勞裂紋生長性質(zhì)的平衡，以滿足飛機(jī)燃?xì)鉁u輪 發(fā)動機(jī)的性能要求。粉末金屬構(gòu)件典型地通過以某種形式固結(jié)金屬粉 末而生產(chǎn)，諸如擠出固結(jié)，然后將所固結(jié)的材料等溫鍛造或熱模鍛造
25 至所希望的輪廓。
使用粉末冶金工藝來生產(chǎn)適合于發(fā)電燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)子構(gòu) 件的大鍛件提供了生產(chǎn)更接近終型鍛件的能力，從而減少了材料損 失。隨著諸如合金718及以上的更多復(fù)合合金變?yōu)閮?yōu)選的并且鍛件的
尺寸不斷增加，對化學(xué)和微結(jié)構(gòu)偏析、與將大晶錠轉(zhuǎn)換成終鍛件相關(guān) 聯(lián)的高材料損失以及處理較大高強(qiáng)度鍛件的有限的工業(yè)能力的關(guān)注
使得PM合金基礎(chǔ)成本越高，則潛在的成本效益就越高。然而，在鍛
造粉末冶金坯錠時遭遇的問題包括在鍛造模-坯錠界面形成并且阻礙
5 坯錠的自由徑向生長而導(dǎo)致鍛件裂紋的高摩擦力。被認(rèn)為是由切向應(yīng) 力驅(qū)動的這些裂紋觀察到在鐓鍛工藝期間有規(guī)則地間隔開且在徑向
方向上處于鍛件中的泊松感應(yīng)點(poisson induced bugle)處。對于這個 問題所提出的解決方案，包括改變鍛造模溫度、鐓鍛水平以及鍛造應(yīng) 變速度，僅獲得了很有限的成功。
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發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種適合于生產(chǎn)鍛件，包括發(fā)電燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的渦 輪盤和其它大旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的鍛造模和鍛造工藝。本發(fā)明特別適合于利用 通過粉末冶金技術(shù)所形成的坯錠來生產(chǎn)大鍛件。
15 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，鍛造模包括具有第一表面的背板，和圍
繞背板的第一表面上的區(qū)域呈放射狀布置的多個區(qū)段。這些區(qū)段中的 每個區(qū)段具有面向背板的背面并且限定背向背板的分界面，其中該分 界面適于在利用鍛造模鍛造坯錠期間接合坯錠。這些區(qū)段以如下方式 物理地聯(lián)接到背板的第一表面，該方式使得這些區(qū)段能夠相對于背板
20 的區(qū)Jt或徑向移動。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，鍛造工藝需要通過圍繞背板的第一表面 上的區(qū)域呈放射狀地布置多個區(qū)段并且將這些區(qū)段物理地聯(lián)接到第 一表面以使這些區(qū)段能夠相對于背板的區(qū)域徑向移動而組裝鍛造模。 這些區(qū)段被布置且聯(lián)接到背板，使得每個區(qū)段具有面向背板的背面并
25 且限定背向背板的分界面，其中該分界面適于在利用鍛造模鍛造坯錠 期間接合坯錠。然后，通過使坯錠與區(qū)段的分界面接合并且利用區(qū)段 的分界面加工坯錠而鍛造坯錠。
本發(fā)明的鍛造模和鍛造工藝的顯著優(yōu)點包括鍛造粉末冶金坯錠
來生產(chǎn)具有較低的裂紋發(fā)生率的較大盤和其它大物件的能力和在這 種物件中實現(xiàn)更均勻的性質(zhì)的能力。減'J、的裂紋發(fā)生率能夠?qū)崿F(xiàn)報廢 率的相應(yīng)減小，同時減小的性質(zhì)差異導(dǎo)致更高的設(shè)計容許性質(zhì)，因此 導(dǎo)致更有效的產(chǎn)品設(shè)計。該鍛造模和鍛造工藝也能夠利用先前原本可 5 能不適于或原本難于鍛造的合金來鍛造大物件。
通過下文的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點將得到更好地理解。


10 圖1是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的鍛造模的平面圖的示意圖。
圖2和圖3是示出分別沿著圖1的線2-2與3-3所獲得的視圖的 示意圖。
圖4是與圖2中的視圖相對應(yīng)的示意圖，并且示出在啟動對坯錠 的鍛造操作之前圖1至圖3的鍛造模。
元件編號10鍛造模
12背板
14區(qū)段
16區(qū)域
18表面
20表面
22表面
24表面
26鍵
28凹槽
30背面
32間隙
34 帶 36 銷 40 坯錠
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具體實施例方式
本發(fā)明針對于通過鍛造所形成的構(gòu)件的制造，具體實例為鍛造大 坯錠以形成陸基燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)子構(gòu)件，但其它應(yīng)用是能預(yù)測到 的并且也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在優(yōu)選實施例中，坯錠通過粉末冶金工 藝形成，諸如通過固結(jié)(例如，熱等靜壓(HIP)或擠出固結(jié))金屬合金粉 10 末而形成。多種合金可用于此目的，包括低合金鐵和鎳基合金，以及 更高強(qiáng)度合金，諸如伽馬雙引號沉淀強(qiáng)化鎳基超級合金，包括合金718 和合金706。
圖1至圖4展示了由單獨構(gòu)件的組件構(gòu)成的鍛造模10，包括背板 12和繞背板12的中央?yún)^(qū)域16呈放射狀布置的區(qū)段14。區(qū)段14和中
15 央?yún)^(qū)域16的表面20和22分別協(xié)作以限定分界面18,利用該分界面 18使由鍛造模IO所鍛造的材料變形。如圖3所示，中央?yún)^(qū)域16的表 面22基本上與單獨區(qū)段14的周圍表面20齊平，但可預(yù)測這些表面 20和22可能不共面。在圖1中可見區(qū)段14在尺寸上基本相同且具有 基本上相同的楔形，但不同的尺寸和形狀也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。每個
20 區(qū)段14的徑向最內(nèi)部的區(qū)域示出為鄰接中央?yún)^(qū)域16,而每個區(qū)段14 的徑向最外部的區(qū)域示出為與背板12的徑向最外部的區(qū)域重合。如 圖2清楚所示，在每個相鄰區(qū)段14對的相鄰徑向邊緣之間存在徑向 間隙32。
如圖2和圖3更清楚地所示，區(qū)段14聯(lián)接至背板12，但由于背
在所示的實施例中，面向區(qū)段14的背板12的表面24具有徑向定向 的軌道或鍵26，軌道或鍵26在中央?yún)^(qū)域16與背板12的周邊之間延 伸。鍵26可為在背板12的表面24上整體形成的凸起特征，或者單
獨地制造且安裝于背板12上。如圖2清楚地所示，鍵26在尺寸和形 狀方面設(shè)置為單獨地容納于限定在每個區(qū)段14的背面30中的凹槽 28。鍵26和凹槽28示出為具有互補(bǔ)形燕尾截面，其防止區(qū)段14在 垂直于背板12的表面24的方向上從背板12移開，但仍允許區(qū)段14 5 在背板12上自由地徑向移動，使得鍵26作為區(qū)段14的徑向引導(dǎo)件。 雖然示出鍵26和凹槽28具有燕尾形截面，但也可使用其它聯(lián)鎖截面 且也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
背板12還優(yōu)選地由采用圍繞背板12的中央?yún)^(qū)域16的同心帶34 的形式的單獨構(gòu)件所構(gòu)成。利用穿過最外部帶34中的孔、穿過(多個)
10內(nèi)帶34中的對準(zhǔn)孔且插入到背板12的中央?yún)^(qū)域16內(nèi)的徑向銷36, 將帶34固定在一起。雖然帶34中的每個帶^C^示為環(huán)狀或環(huán)形，但 其它形狀也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。利用此構(gòu)造，每個帶34優(yōu)選地制造 為或另外地配備為攜帶每個鍵26的一部分，并且?guī)?4的適當(dāng)周向?qū)?準(zhǔn)導(dǎo)致單獨的對準(zhǔn)的鍵26，每個鍵26由在帶34上的鍵部分構(gòu)成。
15 利用上文所述的構(gòu)造，區(qū)段14在徑向方向上自由地移動(相對于
區(qū)域16),以與在使用鍛造模10的鍛造工藝期間變形的材料的徑向運(yùn) 動一致并且適應(yīng)該徑向運(yùn)動。換言之，在諸如坯錠(在圖4中的40)的 材料由于鍛造模10而變形的鍛造周期期間，變形材料的徑向向外流 動由區(qū)段12的同時徑向向外行進(jìn)自動地輔助，結(jié)果，可通過在鍛造
20 期間促進(jìn)坯錠材料的徑向生長而不是摩擦地抑制坯錠材料的徑向生 長而減小鍛件的裂紋發(fā)生率。由于鍛造操作典型地分階段執(zhí)行(即，部 分鐓鍛/階段)，并且每個連續(xù)階段還使材料進(jìn)一步變形以增加其寬度 或直徑，故可根據(jù)需要來添加和移除背板12的同心帶34，以適應(yīng)鍛 件增加的尺寸?？商峁┒嘟M區(qū)段14來匹配通過改變帶34的數(shù)目所實
25現(xiàn)的背板12的不同直徑。
通過前文描述，應(yīng)了解的是，鍛造模10并不限于安裝在任何特 定類型的鍛造沖頭上，但是一般預(yù)期適于安裝在很多種鍛造設(shè)備上。 在使用中，鍛造模10首先被組裝成包含用于背板12的所希望的數(shù)目
的帶34和用于待鍛造的特定材料的適當(dāng)數(shù)目和尺寸的區(qū)段14。如本 領(lǐng)域技術(shù)人員清楚地了解，鍛造模10及其構(gòu)件所需的尺寸和物理及 機(jī)械性質(zhì)也將取決于被鍛造的材料。 一般而言，背板12和區(qū)段14的 適合材料包括常規(guī)工具鋼和鎳合金用于改進(jìn)耐用性，但其它的材料也 5 是可能的。當(dāng)鍛造鎳基合金以生產(chǎn)渦輪盤鍛件時，工具鋼和鎳合金均 適合用作用于背板12和區(qū)段14的材料。
可根據(jù)各種已知的實踐來生產(chǎn)適合于鍛造渦輪盤的坯錠。在本發(fā) 明的特定實施例中，其中通過粉末合金來生產(chǎn)坯錠40，可用化學(xué)性質(zhì) 為所希望的合金的化學(xué)性質(zhì)的熔體來生產(chǎn)起始粉末材料。這個步驟典
10 型地通過VIM工藝來實現(xiàn)，但也可通過采用ESR或VAR工藝執(zhí)行。 同時在熔融狀態(tài)和化學(xué)規(guī)范內(nèi)，通過霧化或另 一適當(dāng)工藝將合金轉(zhuǎn)化 成粉末，以產(chǎn)生大致球形的粉末顆粒。然后將粉末放置且密封于罐中， 諸如軟鋼罐，罐的尺寸將滿足固結(jié)后的坯錠尺寸要求。之后，罐及其 內(nèi)含物在足以生產(chǎn)致密固結(jié)坯錠40的溫度、時間和壓力下固結(jié)?？?br> 15通過熱等靜壓(HIP)、擠出或另一適當(dāng)固結(jié)方法來實現(xiàn)固結(jié)。
在鍛造之前，鍛造模10的分界面18優(yōu)選地利用高溫潤滑劑來潤 滑，該潤滑劑諸如本領(lǐng)域中已知的一種玻璃漿液(glass slurry),例如， 含有二硫化鉬(MoS2)的漿液，以促進(jìn)分界面18與坯塊40之間的滑動。 也可在鍵26與凹槽28之間施加相同或不同的潤滑劑，以便于區(qū)段14
20在背板12上移動。然后可根據(jù)已知程序利用本發(fā)明的鍛造模10來鍛 造坯錠40，諸如當(dāng)前用于生產(chǎn)大工業(yè)渦輪的盤狀鍛件的程序，但也可 經(jīng)過修改以在每個鍛造階段期間利用區(qū)段14的徑向移動，也可通過 背板12的同心帶34對鍛造模10的尺寸做出任何調(diào)整。 一般而言， 優(yōu)選地在允許完全填充終鍛造模腔、避免破裂且產(chǎn)生或保持材料內(nèi)均
25 勻的所希望粒度的溫度和負(fù)載條件下執(zhí)行鍛造操作。為此，鍛造典型 地在超塑成形條件下執(zhí)行，以能夠通過高幾何應(yīng)力的累積來填充鍛造 模腔。
雖然已經(jīng)在特定工藝參數(shù)和組成方面描述了本發(fā)明，但本發(fā)明的
范圍并不限于此情況。相反，可由本領(lǐng)域技術(shù)人員做出修改，諸如更
改鍛造模10的構(gòu)造，使用鍛造模10來鍛造通過各種工藝和利用各種
合金所形成的坯塊，代替其它工藝步驟，以及包括額外的工藝步驟。 因此，本發(fā)明的范圍僅受權(quán)利要求書的限制。
權(quán)利要求
1. 一種鍛造模(10)，其包括具有第一表面(24)的背板(12)；多個區(qū)段(14)，其圍繞所述背板(12)的第一表面(24)上的區(qū)域(16)呈放射狀布置，所述區(qū)段(14)中的每個區(qū)段具有面向所述背板(12)的背面(30)并且限定背向所述背板(12)的分界面(18)，所述分界面(18)適于在利用所述鍛造模(10)鍛造坯錠(40)期間接合所述坯錠(40)；以及裝置(26，28)，其用于將所述區(qū)段(14)物理地聯(lián)接至所述背板(12)的第一表面(24)上，以使得所述區(qū)段(14)能夠相對于所述背板(12)的區(qū)域(16)徑向移動。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鍛造模(IO),其特征在于，對于所述區(qū) 段(14)中的每個區(qū)段，所述聯(lián)接裝置(26,28)包括在所述背板(12)的第一 表面(24)上的第一徑向引導(dǎo)特征(26)和在所述區(qū)段(14)的背面(30)上的互補(bǔ)的第二徑向《1導(dǎo)特征(28)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的鍛造模(IO)，其特征在于，所述第一徑 向引導(dǎo)特征(26)中的每個特征是在所述背板(12)的第 一表面(24)上的 凸起表面特征(26)，所述第二徑向引導(dǎo)特征(28)中的每個特征是在所述 區(qū)段(14)的背面(30)上的凹槽(28)，所述凹槽(28)與所述凸起表面特征述區(qū)段(14)在垂直于所述背板(12)的第一表面(24)的方向上從所述背 板(12)脫開聯(lián)接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項所述的鍛造模(IO)，其特征在 于，所述區(qū)段(14)圍繞其布置的所述區(qū)域(16)居中地位于所述背板(12)上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任一項所述的鍛造模(IO)，其特征在 于，所有所述區(qū)段(14)均具有大致相同的尺寸和形狀。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任一項所述的鍛造模(IO)，其特征在 于，所述區(qū)段(14)是楔形的并且在寬度上沿遠(yuǎn)離所述背板(12)的區(qū)域 (16)的徑向方向增加。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任一項所述的鍛造模(IO)，其特征在 于，所述背板(12)的區(qū)域(16)限定表面(22)，所述表面(22)與所述區(qū)段(14)的分界面(18)的緊鄰部分(20)大致齊平。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中的任一項所述的鍛造模(IO)，其特征在 于，所述背板(12)是包括所述背板(12)的區(qū)域(16)和圍繞所述區(qū)域(16) 的多個同心部件(34)的組件，所述同心部件(34)限定所述背板(12)的第 一表面(24)。
9. —種利用根據(jù)權(quán)利要求1至8中的任一項所述的鍛造模的鍛(18)接合并且利用所述區(qū)段(14)的分界面(18)加工所述坯錠(40)以利用 所述鍛造模(10)鍛造所述坯錠(40)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的鍛造工藝，其特征在于，所述鍛造步 15 驟包括多個階段，并且所述同心部件(34)中的至少一個在所述多個階 段的連續(xù)階段之間聯(lián)接至所述背板(12)或從所述背板(12)脫開聯(lián)接。
全文摘要
一種適合于使用通過粉末冶金所形成的坯錠(40)來生產(chǎn)包括發(fā)電燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的渦輪盤和其它旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的大鍛件的鍛造模(10)和鍛造工藝。該鍛造模(10)包括背板(12)和圍繞背板(12)的表面上的區(qū)域(16)呈放射狀布置的區(qū)段(14)。每個區(qū)段(14)具有面向背板(12)的背面(30)和背向背板(12)的分界面(18)，其中該分界面(18)適于在鍛造期間接合坯錠(40)。這些區(qū)段(14)以如下方式物理地聯(lián)接至背板(12)的表面，該方式使得區(qū)段(14)能夠相對于背板(12)徑向移動。
文檔編號B21J5/02GK101391278SQ20081016800
公開日2009年3月25日 申請日期2008年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月17日
發(fā)明者G·A·戈勒, J·J·杰克森, R·J·斯托尼特什, R·R·蔡羅 申請人:通用電氣公司