專利名稱：鎳基高溫合金高筒環(huán)鍛件的輾軋成形方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種環(huán)形鍛件的軋制成形方法，特別是涉及了鎳基高溫合金高筒環(huán)鍛 件的輾軋成形方法。
背景技術：
采用鎳基高溫合金制造的航空航天等領域使用的回轉體零部件，如前機匣鍛件 等，由于鍛件的壁厚較薄，高度較高，再加上鍛件尺寸精度、性能及組織要求也較高，增加了 軋制成形的難度。2008年10月8日公開的中國發(fā)明專利說明書CN 101279346A公開了一種鎳基高 溫合金異形環(huán)鍛件的輾軋成形方法，該方法把按規(guī)格下料的合金棒料經(jīng)鐓粗、沖孔、兩次軋 環(huán)制坯(不使用輾軋模具)，再把坯料裝進軋環(huán)機輾軋模具內(nèi)輾軋成形，通過在連續(xù)兩次軋 環(huán)制坯過程中采取小變形量成形的方式和在各工藝步驟中控制準確的變形量，軋制出了組 織和性能良好的異形環(huán)鍛件。采用該方法軋制壁厚較薄的鎳基高溫合金高筒環(huán)鍛件時，由 于主輥的轉動方向與預軋坯的轉動方向不一致，軋制時輾軋模具的孔型與預軋坯之間產(chǎn)生 激烈的摩擦，不僅使軋制過程非常不穩(wěn)定對生產(chǎn)造成影響，而且還容易導致預軋坯溫度升 高對合金的組織和性能產(chǎn)生影響，如出現(xiàn)組織變異、晶粒粗大等缺陷。在采用上述方法及直接使用軋環(huán)機的主輥和芯輥軋制(如上述方法中的軋環(huán)制 坯)薄壁的鎳基高溫合金高筒環(huán)鍛件時，由于受軋環(huán)機的主輥等部件剛度的影響，加上薄 壁高筒環(huán)鍛件的結構剛度較差和加工余量較小，軋制過程中易導致預軋坯出現(xiàn)塑性失穩(wěn)而 產(chǎn)生軋扁、喇叭口等現(xiàn)象，造成環(huán)鍛件形狀和尺寸達不到設計使用或機加工要求而報廢，這 對價格昂貴的鎳基高溫合金材料來說損失較大。而且，由于軋制時上、下錐輥及兩個抱輥要 隨預軋坯的徑向展寬而外移，增加了設備操作和控制的難度。輾軋過程中，預軋坯剛開始軋制時由于先向其轉動方向一側的抱輥偏移，再向另 一側的抱輥偏移，使預軋坯在軋制過程中有朝其兩側的抱輥左右擺動的現(xiàn)象，受抱輥扶持 產(chǎn)生的反作用力影響，環(huán)鍛件容易被軋扁而報廢。而且由于軋環(huán)機的抱輥尺寸是一定的，其 高度一般沒有高筒環(huán)鍛件的高度高，因此軋制過程中受抱輥的反作用在環(huán)鍛件的外周面易 出現(xiàn)由于抱輥的“輔軋”而形成臺階痕跡，對環(huán)鍛件的形狀及尺寸精度造成不良影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種采用隨動模套來實現(xiàn)鎳基高溫合金高筒環(huán) 鍛件的輾軋成形方法，采用該方法能夠軋制出薄壁并具有優(yōu)良組織和性能的高筒環(huán)鍛件。為解決上述技術問題，本發(fā)明所述鎳基高溫合金高筒環(huán)鍛件的輾軋成形方法，其 技術方案包括以下步驟預熱隨動模套到260°C 310°C的溫度，并加熱鎳基高溫合金預軋坯到980°C 1060°C的變形溫度；把所述隨動模套和預軋坯裝進軋環(huán)機，使隨動模套套住預軋坯、預軋坯套住芯輥并且沿主輥和芯輥的中心距方向隨動模套與主輥的外周面之間、隨動模套的內(nèi)環(huán)面與預軋 坯的外周面之間、以及預軋坯的內(nèi)環(huán)面與芯輥的外周面之間分別相切接觸，隨動模套被兩 個抱輥在其外周面扶持，上錐輥和下錐輥沿隨動模套和預軋坯的上、下端面夾持該兩個工 件；啟動軋環(huán)機使其主輥旋轉并驅動隨動模套、預軋坯、芯輥和兩個抱輥轉動，同時由 軋環(huán)機驅動上錐輥和下錐輥夾持住隨動模套和預軋坯一起轉動，芯輥沿徑向朝主輥方向作 進給運動并與主輥一起以400KN 4500KN的軋制力在隨動模套內(nèi)輾軋預軋坯，預軋坯以 2mm/s 12mm/s的速度沿徑向展寬，壁厚逐漸減小，其變形量達30% 45%被輾軋成高筒 環(huán)鍛件，輾軋時上、下錐輥及兩個抱輥不隨預軋坯的徑向展寬而外移。在采用上述方法輾軋不同截面形狀的高筒環(huán)鍛件時，所述隨動模套的內(nèi)環(huán)面形狀 是可以依高筒環(huán)鍛件的外周面形狀來調(diào)整的。并且，所述隨動模套在設計時，其最小壁厚按下式計算D0 = L-D1-R1-R2式中 為隨動模套的最小壁厚；L為主輥與芯輥的最小中心距；D1為高筒環(huán)鍛件的徑向最小壁厚；R1為主輥的半徑；&為芯輥的半徑。采用上述輾軋成形方法軋制成形的高筒環(huán)鍛件，其壁厚最小值是25mm，高厚比的 最大值是25mm。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果如下本發(fā)明把經(jīng)預熱的隨動模套和加熱到變形溫度的鎳基高溫合金預軋坯套裝進軋 環(huán)機定位后，由其芯輥沿徑向朝主輥方向作進給運動并與主輥一起在隨動模套內(nèi)輾軋預軋 坯使其變形成形，獲得了薄壁及組織和性能優(yōu)良的高筒環(huán)鍛件。輾軋過程中，由于隨動模套只進行了預熱處理，其在軋制過程中幾乎是不會變形 的。盡管軋制時主輥的轉動方向與預軋坯的轉動方向不一致，但由于在預軋坯和主輥之間 隔了一層隨動模套，并且預軋坯在隨動模套內(nèi)與其一起同向轉動，克服了預軋坯與隨動模 套之間由于產(chǎn)生激烈的摩擦使軋制過程不穩(wěn)定和易導致預軋坯溫度升高的現(xiàn)象，從而有利 于組織生產(chǎn)和獲得優(yōu)質鍛件。輾軋過程中，由于預軋坯的外周面緊貼在隨動模套的內(nèi)環(huán)面上并與其一起同向、 同步轉動，避免了預軋坯與其轉向相反的主輥剛性部件的影響，從而避免其出現(xiàn)塑性失穩(wěn) 而產(chǎn)生軋扁、喇叭口等現(xiàn)象，而且與預軋坯一起同向、同步轉動的隨動模套還可對預軋坯的 外周面進行整圓，以防止其軋扁和出現(xiàn)喇叭口等現(xiàn)象，可實現(xiàn)精密軋制成形尺寸精度高的 環(huán)鍛件，節(jié)省貴重的鎳基高溫合金材料。輾軋過程中，由于預軋坯是套裝在隨動模套內(nèi)，是由隨動模套的外周面與兩個抱 輥的外周面直接接觸，因此即使產(chǎn)生擺動現(xiàn)象也不會對隨動模套內(nèi)的預軋坯產(chǎn)生太大影 響，而且也不會由于抱輥的“輔軋”使環(huán)鍛件的外周面出現(xiàn)臺階痕跡。輾軋過程中，由于上、下錐輥及兩個抱輥不隨預軋坯的徑向展寬而外移，降低了對 設備的控制和操作難度。
以牌號為GH4169的變形鎳基高溫合金為例經(jīng)檢測該合金高筒環(huán)鍛件的尺寸精度，達到了相應尺寸的3%。(千分之三)。經(jīng)檢測該合金高筒環(huán)鍛件的室溫拉伸性能，其抗拉強度為1420MI^ 1430MPa (大 于設計使用要求的1275MPa)，伸長率為0.2%時的屈服強度為1280MPa 1290MPa (大于設 計使用要求的1035MPa)，斷后伸長率為18% 25% (大于設計使用要求的12% )，斷面收 縮率為33% 36% (大于設計使用要求的15% )。經(jīng)檢測該合金高筒環(huán)鍛件在650°C的高溫拉伸性能，其抗拉強度為1190MI^ 1120MPa(大于設計使用要求的IOOOMPa)，斷后伸長率為28% 29% (大于設計使用要求的 15% )。經(jīng)檢測該合金高筒環(huán)鍛件的高溫持久性能，該合金鍛件在試驗溫度為650°C、試驗 應力為690MPa、持續(xù)時間在67. 2h 69. 8h (大于使用要求的25h)內(nèi)增載三次，均斷于光滑 處，斷后伸長率為26% 30% (大于使用要求的5%)滿足了設計使用要求。經(jīng)檢測該合金高筒環(huán)鍛件的金相組織并對鍛件進行探傷檢測，達到了《航空用高 溫合金環(huán)形件規(guī)范》(GJB5301-2004)標準的要求。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細說明。圖1是預軋坯的立體結構示意圖。圖2是隨動模套和預軋坯的裝機定位及輾軋狀態(tài)示意圖。圖3是預軋坯輾軋成高筒環(huán)鍛件的立體結構示意圖。圖4是采用本發(fā)明所述方法輾軋第一種異形截面高筒環(huán)鍛件時沿其中心線的縱 剖面結構狀態(tài)圖。圖5是采用本發(fā)明所述方法輾軋第二種異形截面高筒環(huán)鍛件時沿其中心線的縱 剖面結構狀態(tài)圖。圖6是采用本發(fā)明所述方法輾軋第三種異形截面高筒環(huán)鍛件時沿其中心線的縱 剖面結構狀態(tài)圖。
具體實施例方式實施本發(fā)明所述的鎳基高溫合金高筒環(huán)鍛件的輾軋成形方法需要提供鍛造加熱 爐、壓力機、軋環(huán)機、機械手等設備。下面以我國材料牌號為GH4169的變形鎳基高溫合金為 例來詳細說明該方法的
具體實施例方式該合金的主要化學元素含量(重量百分比)為含C量彡0.08%、含Cr量 17. 0% 21. 0%、含 Ni 量 50. 0% 55. 0%、含 Co 量;^ 1. 0%、含 Mo 量 2. 80% 3. 30%、 含 Al 量 0. 30 % 0. 70 %、含 Ti 量 0. 75 % 1. 15 %、含 Nb 量 4. 75 % 5. 50 %、含 B 量 彡 0. 006%、含 Mg 量彡 0. 01%、含 Mn 量彡 0. ；35%、含 Si 量彡 0. ；35%、含 P 量彡 0. 015%, 含 S 量< 0. 015%、含 Cu 量< 0. 30%、含 Ca 量< 0. 01 %、含 Pb 量< 0. 0005 %、含 k 量 ^ 0. 0003%、余量為 Fe。該合金從棒料到生產(chǎn)出合格的高筒環(huán)鍛件的工藝步驟如下步驟1 制坯。
把按規(guī)格下料的GH4169合金棒料經(jīng)加熱、鐓粗、沖孔、拔長、預軋后制取預軋坯 10°，其形狀如圖1所示。步驟2:裝機。如圖2所示，把隨動模套4在鍛造加熱爐內(nèi)預熱到沈01 310°C后裝進軋環(huán)機并 平放在該機的底盤上(圖中未示出)，隨動模套4套進軋環(huán)機的芯輥2，其外周面與軋環(huán)機 的主輥1及兩個抱輥3的外周面相切接觸，兩個抱輥3對隨動模套4起扶持作用；同時把預 軋坯10°在鍛造加熱爐內(nèi)加熱到980°C 1060°C的變形溫度后裝進軋環(huán)機套進軋環(huán)機的 芯輥2并套在隨動模套4內(nèi)后平放在該機的底盤上(圖中未示出)，隨動模套4的外周面與 主輥1的外周面之間、預軋坯10°的外周面與隨動模套4的內(nèi)環(huán)面之間、及預軋坯10°的 內(nèi)環(huán)面與芯輥2的外周面之間均沿芯輥2和主輥4的中心距方向相切接觸；啟動軋環(huán)機使 其上錐輥5和下錐輥6沿隨動模套4和預軋坯10°的上下端面夾持該兩個工件，完成該兩 個工件的裝機定位。裝機時工件的裝運主要通過機械手操作完成。步驟3:輾軋。啟動軋環(huán)機使其主輥1按圖2所示方向旋轉，主輥1驅動隨動模套4、預軋坯10°、 芯輥2和兩個抱輥3按圖2所示的方向轉動，同時由軋環(huán)機驅動上錐輥5和下錐輥6按圖 2所示方向轉動并在隨動模套4和預軋坯10°軋制過程中夾持該兩個工件的上、下端面，使 軋環(huán)機的兩個抱輥3扶持住隨動模套4的外圓周面；芯輥2沿徑向朝主輥1方向作進給運 動并與主輥1 一起以400KN 4500KN的軋制力在隨動模套4內(nèi)輾軋預軋坯10°，預軋坯 10°以2mm/s 12mm/s的速度沿徑向展寬，其壁厚逐漸減小，上、下錐輥5和6以及兩個抱 輥3不隨預軋坯10°的徑向展寬而外移。預軋坯10°在隨動模套4內(nèi)被輾軋產(chǎn)生連續(xù)局部塑性變形，當其變形量達30% 45%后被軋制成形為高筒環(huán)鍛件10(如圖3所示)，關閉軋環(huán)機，所有轉動部件停止后移開 主輥1、上錐輥5和下錐輥6、兩個抱輥3以及壓在芯輥2頂部的軋環(huán)機懸臂，從芯輥2頂部 取出隨動模套4后再取出高筒環(huán)鍛件10。高筒環(huán)鍛件10終軋結束后進行固溶加時效處理，即把鍛件加熱至950°C 980°C 范圍內(nèi)，保溫Ih 1. 5h，空冷至720°C左右，保溫8h，爐冷至620°C左右，保溫8h，空冷。在上述步驟1和步驟3中，該合金的終鍛或終軋溫度不小于930°C。所述變形量的計算方法為變形量=[(預軋坯10°沿中心線的縱截面面積-高 筒環(huán)鍛件10沿中心線的縱截面面積)/預軋坯10°沿中心線的縱截面面積]X 100%。在上述軋制過程中，為保證隨動模套4在軋制過程中不變形和預軋坯10°能夠在 該模套內(nèi)充分變形成形，該模套的最小壁厚按下式進行設計計算D0 = L-D1-R1-R2式中Dq為隨動模套4的最小壁厚；L為主輥1與芯輥2的最小中心距；D1為高筒環(huán)鍛件10的徑向最小壁厚；R1為主輥1的半徑；&為芯輥2的半徑。采用上述輾軋方法軋制的該合金高筒環(huán)鍛件10，其最小壁厚可達25mm，高厚(指 壁厚)比最大可達25mm。
經(jīng)檢測，采用上述方法輾軋成形的GH4169鎳基高溫合金高筒環(huán)鍛件10具有較高 的尺寸精度和優(yōu)良的內(nèi)部組織及性能，完全滿足了該合金鍛件的設計使用要求。圖4示出了采用上述輾軋成形方法輾軋第一種異形截面的鎳基高溫合金高筒環(huán) 鍛件IO1時沿其中心線的縱剖面結構的狀態(tài)，圖中高筒環(huán)鍛件IO1的外周面呈鼓包形狀，對 應該高筒環(huán)鍛件IO1的異形截面形狀，隨動模套41的內(nèi)環(huán)面和芯輥21的外周面形狀作了相 應的調(diào)整。圖5示出了采用上述輾軋成形方法輾軋第二種異形截面的鎳基高溫合金高筒環(huán) 鍛件IO2時沿其中心線的縱剖面結構的狀態(tài)，圖中在高筒環(huán)鍛件IO2的下端面與其外周面相 交處有一突起環(huán)，對應該高筒環(huán)鍛件IO2的異形截面形狀，隨動模套42的內(nèi)環(huán)面形狀作了相 應的調(diào)整，為清楚起見，對應標注了芯輥22的附圖標記。圖6示出了采用上述輾軋成形方法輾軋第三種異形截面的鎳基高溫合金高筒環(huán) 鍛件IO3時沿其中心線的縱剖面結構的狀態(tài)，圖中在高筒環(huán)鍛件IO3的下端面與其外周面相 交處有一突起環(huán)并在其外周面的中上部也有一突起環(huán)，對應該高筒環(huán)鍛件IO3的異形截面 形狀，隨動模套43的內(nèi)環(huán)面形狀作了相應的調(diào)整，為清楚起見，并對應標注了芯輥23的附圖 標記。采用本發(fā)明提供的上述輾軋成形方法并不限于上述實施方式，對于不同截面形狀 的高筒環(huán)鍛件，只需對應改變隨動模套和芯輥的形狀，按照上述方法便可輾軋出不同截面 形狀的高筒環(huán)鍛件。
權利要求
1.一種鎳基高溫合金高筒環(huán)鍛件的輾軋成形方法，其特征在于，包括以下步驟預熱隨動模套到260°C 310°C的溫度，并加熱鎳基高溫合金預軋坯到980°C 1060°C 的變形溫度；把所述隨動模套和預軋坯裝進軋環(huán)機，使隨動模套套住預軋坯、預軋坯套住芯輥并且 沿主輥和芯輥的中心距方向隨動模套與主輥的外周面之間、隨動模套的內(nèi)環(huán)面與預軋坯的 外周面之間、以及預軋坯的內(nèi)環(huán)面與芯輥的外周面之間分別相切接觸，隨動模套被兩個抱 輥在其外周面扶持，上錐輥和下錐輥沿隨動模套和預軋坯的上、下端面夾持該兩個工件；啟動軋環(huán)機使其主輥旋轉并驅動隨動模套、預軋坯、芯輥和兩個抱輥轉動，同時由軋環(huán) 機驅動上錐輥和下錐輥夾持住隨動模套和預軋坯一起轉動，芯輥沿徑向朝主輥方向作進給 運動并與主輥一起以400KN 4500KN的軋制力在隨動模套內(nèi)輾軋預軋坯，預軋坯以2mm/ s 12mm/s的速度沿徑向展寬，壁厚逐漸減小，其變形量達30% 45%后被輾軋成高筒環(huán) 鍛件，輾軋時上、下錐輥及兩個抱輥不隨預軋坯的徑向展寬而外移。
2.根據(jù)權利要求1所述的輾軋成形方法，其特征在于所述隨動模套的內(nèi)環(huán)面形狀是 可以依高筒環(huán)鍛件的外周面形狀來調(diào)整的。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的輾軋成形方法，其特征在于所述隨動模套的最小壁厚 按下式進行設計計算D0 = L-D1-R1-R2式中D0為隨動模套的最小壁厚；L為主輥與芯輥的最小中心距；D1為高筒環(huán)鍛件的徑向最小壁厚；R1為主輥的半徑；R2為芯輥的半徑。
4.根據(jù)權利要求1所述的輾軋成形方法，其特征在于所述高筒環(huán)鍛件的壁厚最小值 是25mm，高厚比的最大值是25mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鎳基高溫合金高筒環(huán)鍛件的輾軋成形方法，為軋制成形薄壁及組織和性能優(yōu)良的高筒環(huán)鍛件，其技術方案為先把經(jīng)預熱的隨動模套和加熱到變形溫度的鎳基高溫合金預軋坯套裝進軋環(huán)機，由軋環(huán)機的主輥、芯輥、抱輥和上、下錐輥對該兩個工件進行定位；再啟動軋環(huán)機，由其芯輥沿徑向朝主輥方向作進給運動并與主輥一起以400KN～4500KN的軋制力在隨動模套內(nèi)輾軋預軋坯，使其以2mm/s～12mm/s的速度沿徑向展寬，壁厚逐漸減小，其變形量達30％～45％后被輾軋成高筒環(huán)鍛件，輾軋時上、下錐輥及兩個抱輥不隨預軋坯的徑向展寬而外移。采用該方法軋制成形的鎳基高溫合金高筒環(huán)鍛件的壁厚最小值是25mm，高厚比的最大值是25mm，該鍛件主要用于航空航天等領域使用的前機匣等回轉體零部件。
文檔編號B21H1/06GK102085550SQ20101058203
公開日2011年6月8日 申請日期2010年12月10日 優(yōu)先權日2010年12月10日
發(fā)明者劉峰, 張小林, 王龍祥, 臧黔, 葛金峰, 蔣禮萍, 譚明明, 顧莉莉 申請人:貴州安大航空鍛造有限責任公司