制備高合金化合金盤(pán)形鍛件的3d整體鍛造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種制備高合金化難變形高溫合金盤(pán)形鍛件的3D整體鍛造方法，包括如下步驟：定向錠坯的準(zhǔn)備及高溫均勻化處理→錠坯開(kāi)坯→整形鍛造成四方體→分別沿X、Y、Z三個(gè)方向依次鍛造→整體鍛造成圓柱→鍛造至所需尺寸的盤(pán)形鍛件→檢驗(yàn)。通過(guò)本發(fā)明的3D整體鍛造方法制備的盤(pán)形鍛件具有均勻細(xì)小的微觀組織。本發(fā)明生產(chǎn)周期短，控制方便、成本低廉，適用于大批量生產(chǎn)大尺寸、高潔凈、組織均勻的高合金化難變形合金盤(pán)形鍛件。
【專利說(shuō)明】制備高合金化合金盤(pán)形鍛件的3D整體鍛造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鍛造方法，具體涉及一種制備高合金化難變形合金盤(pán)形鍛件的鍛造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]盤(pán)形鍛件是航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)最重要的熱端零部件之一，由于盤(pán)形鍛件在高溫工作環(huán)境下承受高的載荷，且本身在高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)還起到傳送扭矩的作用，工作條件非?？量蹋虼藢?duì)材料性能的要求極高。
[0003]目前制備盤(pán)形鍛件的工藝主要有兩種:常規(guī)鑄鍛工藝(Cast/Wrought，C/W)和粉末冶金工藝(Powder Metallurgy, P/Μ)。
[0004]采用常規(guī)鑄鍛工藝(Cast/Wrought，C/W)，該工藝?yán)谜婵崭袘?yīng)熔煉+真空電弧重熔雙聯(lián)工藝制備錠坯，錠坯經(jīng)均勻化退火后通過(guò)液壓鍛造設(shè)備沿軸向拔長(zhǎng)鍛造開(kāi)坯成棒坯，總變形量控制在75%左右，然后將棒坯根據(jù)要求切成棒段，最后將棒段通過(guò)液壓設(shè)備以一定的變形速率和變形量沿軸向鐓鍛成盤(pán)形鍛件。這種傳統(tǒng)的鍛造方法存在以下幾個(gè)方面的局限性:第一，它僅適合于合金化相對(duì)較低的合金，而對(duì)于先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用的盤(pán)形鍛件，由于其合金化程度更高，采用常規(guī)的雙聯(lián)工藝制備的錠坯中心偏析程度更嚴(yán)重，析出相尺寸更大，錠坯變形抗力增大，熱加工窗口減小，造成錠坯無(wú)法完成鍛造開(kāi)坯；第二，錠坯鍛造開(kāi)坯是通過(guò)鍛造設(shè)備局部依次鍛造變形使坯料拔長(zhǎng)的過(guò)程，這種鍛造過(guò)程容易造成組織均勻性差的問(wèn)題；第三，鍛造開(kāi)坯過(guò)程和鐓鍛過(guò)程均是沿軸向，會(huì)造成盤(pán)形鍛件端面存在冷模組織和變形死區(qū)，不適合先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用的盤(pán)形鍛件的制造。
[0005]對(duì)于先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用的最高使用溫度在650°C以上的盤(pán)形鍛件(例如FGH96合金)，通常采用粉末冶金工藝(Powder Metallurgy,P/Μ)制備錠坯，但粉末冶金工藝本身存在著原始顆粒邊界(PPB)和大尺寸夾雜物等問(wèn)題。歐美國(guó)家通常采用熱擠壓+等溫鍛造工藝，能夠解決粉末冶金工藝制備的錠坯的原始顆粒邊界(PPB)和大尺寸夾雜物等問(wèn)題，而我國(guó)通常采用的熱等靜壓+等溫鍛造工藝，無(wú)法從根本上解決粉末冶金工藝制備的錠坯的原始顆粒邊界(PPB)和大尺寸夾雜物等問(wèn)題，另外粉末冶金工藝生產(chǎn)周期長(zhǎng)、材料成材率低、生產(chǎn)設(shè)備昂貴，導(dǎo)致粉末冶金工藝制備的盤(pán)形鍛件的成本較高。
[0006]本申請(qǐng)的 申請(qǐng)人:一鋼鐵研究總院針對(duì)我國(guó)先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)盤(pán)形鍛件制備過(guò)程中存在的問(wèn)題，開(kāi)成功發(fā)了 ESR-⑶S技術(shù)，并申請(qǐng)了 “真空/氣體保護(hù)電渣重熔連續(xù)定向凝固裝置和方法”的中國(guó)發(fā)明專利(專利號(hào):201010614036.0)。利用該項(xiàng)技術(shù)可制備大尺寸、高純凈、低偏析的定向凝固高合金化難變形高溫合金錠坯，定向凝固錠坯具有良好的熱加工性能，通過(guò)液壓鍛造設(shè)備就可完成錠坯鍛造開(kāi)坯過(guò)程，克服了傳統(tǒng)變形工藝無(wú)法制備更高合金化水平(使用溫度超過(guò)650°C)盤(pán)形鍛件的問(wèn)題，同時(shí)解決了粉末冶金工藝生產(chǎn)盤(pán)形鍛件存在的原始顆粒邊界(PPB)和大尺寸夾雜物以及價(jià)格昂貴等問(wèn)題。
[0007]然而，真空/氣體保護(hù)電渣重熔連續(xù)定向凝固錠坯通過(guò)常規(guī)鍛造方法制備的盤(pán)形鍛件不能達(dá)到對(duì)先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用盤(pán)形鍛件組織均勻性的要求。[0008]因此，針對(duì)真空/氣體保護(hù)電渣重熔連續(xù)定向凝固技術(shù)制備的高合金化合金錠坯，本發(fā)明研發(fā)了一種3D整體鍛造方法，一方面能得到組織均勻性更好的盤(pán)形鍛件，另一方面能降低制備成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的，是提供一種能制備先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高合金化合金盤(pán)形鍛件的鍛造方法。
[0010]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0011]一種制備高合金化合金盤(pán)形鍛件的3D整體鍛造方法，使用的原料錠坯為電渣重熔連續(xù)定向凝固技術(shù)制備的圓柱形定向錠坯，該方法包括如下步驟:
[0012]a)對(duì)定向錠坯進(jìn)行高溫均勻化處理；
[0013]b)沿定向錠坯軸向鐓鍛開(kāi)坯，并對(duì)定向錠坯設(shè)定三維直角坐標(biāo)系，錠坯的軸線為Z軸；
[0014]c)然后將開(kāi)坯后的圓盤(pán)坯整形鍛造成四方體；
[0015]d)依次沿X、Y、Z三個(gè)方向分別鍛造；
[0016]e)整體鍛造成圓柱，X方向?yàn)槎嗣?；然后，沿X方向鍛造至所需尺寸的盤(pán)形鍛件；
[0017]f)對(duì)盤(pán)形鍛件的晶粒度和組織均勻性進(jìn)行檢驗(yàn)，若平均晶粒度和組織均勻性達(dá)不到要求，則重復(fù)步驟c)?e)。
[0018]所述定向錠坯為鎳基高溫合金，其化學(xué)成分為:C:0.03-0.06wt %, Co:12.5-21wt %, Cr:13-16.5wt %, Mo:3.8-4.2wt %，W:2_4.2wt %, Ti:3.5-3.7wt %,Al:1.95-3.5wt %, Nb:0.6-1.5wt %, B:0.012-0.03wt %, Zr:0.03-0.05wt %，Ta:0 ?
2.7wt%, Fe: = 0.5wt%, N1:余量。
[0019]步驟a中，高溫均勻化處理溫度控制在1180°C?1220°C，保溫時(shí)間不小于24小時(shí)。
[0020]步驟b中，開(kāi)坯鍛造采用多火次鐓鍛開(kāi)坯工藝，開(kāi)坯火次控制在2?4次，鍛造溫度控制在1100°C?1180°C，每火次的變形量控制在30%?50%，總變形量達(dá)到70%以上，名義變形速率控制在0.01?0.ls—1，開(kāi)坯后坯料的晶粒度達(dá)到6級(jí)或更細(xì)。
[0021]步驟d、e中，鍛造時(shí)，每次鍛造的變形量控制在30 %?50 %，鍛造溫度控制在1060。。?1150°C，名義變形速度控制在0.0Ols-1?0.1s'
[0022]步驟b、d、e中，每一次鍛造前坯料采用纖維氈和不銹鋼進(jìn)行包套。
[0023]本方法采用下壓速度及行程可控的液壓鍛造設(shè)備。
[0024]本發(fā)明針對(duì)的是先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用的高合金化合金盤(pán)形鍛件，采用常規(guī)的雙聯(lián)工藝制備的錠坯中心偏析程度和析出相尺寸較大，在開(kāi)坯鍛造過(guò)程中容易發(fā)生開(kāi)裂，因此選擇利用電渣重熔連續(xù)定向技術(shù)制備的定向凝固錠坯，該錠坯消除了中心的宏觀偏析，能夠有效提高錠坯的熱加工塑性，錠坯開(kāi)坯鍛造前需進(jìn)行均勻化處理，處理工藝根據(jù)選用材料的成分確定。
[0025]本發(fā)明提供的3D整體鍛造技術(shù)需采用下壓速度及行程可控的液壓鍛造設(shè)備，采用該設(shè)備可精確控制變形量和變形速度，從而控制鍛造后坯料的組織。
[0026]鐓鍛時(shí)每火次的變形量控制在30%?50%，變形溫度和變形速度根據(jù)鍛造材料確定，因?yàn)樽冃涡∮?0%時(shí)，往往不能滿足坯料動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的要求，而超過(guò)50 %時(shí)，坯料局部的剪切變形程度增大會(huì)造成組織不均勻。
[0027]鍛造過(guò)程的變形溫度，變形量和變形速度需根據(jù)具體材料和盤(pán)形鍛件的組織要求確定，但錠坯開(kāi)坯后的坯料晶粒度應(yīng)達(dá)到6級(jí)或更細(xì)。
[0028]采用本發(fā)明的3D整體鍛造方法制備的高合金化難變形合金盤(pán)形鍛件有如下的特 [0029]I)大塑性變形工藝，強(qiáng)烈細(xì)化晶粒，改善力學(xué)性能；
[0030]2)整體變形，過(guò)程可控，組織均勻；
[0031]3)坯料端面和側(cè)面互換，消除變形死區(qū)；
[0032]4)不同方向鍛造，有利于消除鍛造流線組織；
[0033]5)是一種制備均勻超細(xì)晶結(jié)構(gòu)材料的有效方法；
[0034]6)工藝簡(jiǎn)單，成本低，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
[0035]該方法制備的盤(pán)形鍛件的組織均勻性能夠達(dá)到或超過(guò)粉末冶金工藝制備的盤(pán)形鍛件，且明顯降低制備成本，該盤(pán)形鍛件具有理想的晶粒組織，可以滿足后續(xù)的模鍛、熱處理工藝對(duì)盤(pán)形鍛件 晶粒組織的要求。本發(fā)明方法制備的盤(pán)形鍛件具有均勻等軸晶組織，可直接使用，也可作為下一步模鍛件或環(huán)形件的坯料。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0036]圖1為本發(fā)明的3D鍛造技術(shù)的實(shí)施流程圖。
[0037]圖2為采用本發(fā)明實(shí)施例一制造的Φ630_盤(pán)形鍛件實(shí)物圖。
[0038]圖3為實(shí)施例一中盤(pán)形鍛件截面的低倍組織。
[0039]圖4為實(shí)施例一中盤(pán)形鍛件的微觀組織。
[0040]圖5為采用本發(fā)明實(shí)施例二制造的Φ 500mm盤(pán)形鍛件實(shí)物圖。
[0041]圖6為實(shí)施例二中盤(pán)形鍛件截面的低倍組織。
[0042]圖7為實(shí)施例二盤(pán)形鍛件的微觀組織。
【具體實(shí)施方式】
[0043]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0044]實(shí)施例一
[0045]制備φ630 X 120mm,平均晶粒度為6~7級(jí)的鎳基高溫合金盤(pán)形鍛件
[0046]鎳基高溫合金的名義化學(xué)成分為:C:0.06wt %, Co:12.5wt %, Cr:16.5wt %,Mo:4.2wt %, W:4.2wt %, T1:3.5wt %, Al:1.95wt %, Nb:0.6wt %, B:0.012wt %, Zr:0.03wt%, Fe 0.5wt%，余量為 Ni。
[0047]如圖1所示，實(shí)施例一的3D整體鍛造技術(shù)包括以下步驟:
[0048]a)定向錠坯的準(zhǔn)備及高溫均勻化處理:定向錠坯是通過(guò)真空/氣體保護(hù)電渣重熔連續(xù)定向凝固技術(shù)制備的由相或其相關(guān)相強(qiáng)化的變形鎳基高溫合金，尺寸為φ250X 1100mm。定向錠坯經(jīng)過(guò)高溫均勻化處理以消除微觀偏析，處理溫度低于合金的固相線溫度(Ts)并盡量高，對(duì)于本實(shí)施例合金來(lái)說(shuō)，處理溫度控制在1180°C~1220°C，保溫時(shí)間不小于24小時(shí)；[0049]b)軸向錠坯開(kāi)坯:開(kāi)坯鍛造經(jīng)2?4火次完成，鍛造溫度控制在1100°C?1150°C，每火次的變形量控制在30%?50%，總變形量超過(guò)70%，名義變形速率控制在0.01?0.ls-1，開(kāi)坯后坯料的晶粒度達(dá)到6級(jí)或更細(xì)；
[0050]c)整形鍛造成四方體，并標(biāo)記X、Y、Z三個(gè)方向；
[0051]d)分別沿X、Y、Z三個(gè)方向依次鍛造，鍛造變形量控制在30%?50%，鍛造溫度控制在1060。。?1110°c，名義變形速率控制在0.0Ols-1?0.1s-1 ；
[0052]e)整形鍛造成圓柱，X方向?yàn)槎嗣?；然后，沿X方向鍛造至φ630 X120mm的盤(pán)形鍛件，鍛造溫度控制在1060°C?1110°C，每火次鍛造變形量為30?50%，總變形量根據(jù)盤(pán)形鍛件的尺寸確定，名義變形速率控制在0.0OliT1?0.1s—1 ；
[0053]f)對(duì)盤(pán)形鍛件的的晶粒度和組織均勻性進(jìn)行檢驗(yàn)，若平均晶粒度達(dá)不到6?7級(jí)，則重復(fù)步驟c?e ;
[0054]其中，步驟b、d、e中，每一次鍛造前坯料采用纖維氈和不銹鋼進(jìn)行包套。
[0055]實(shí)施例二
[0056]制備φ500 X80mm，平均晶粒度為8?9級(jí)的鎳基高溫合金盤(pán)形鍛件。
[0057]鎳基高溫合金的名義化學(xué)成分為:C:0.03wt %, Co:21wt %, Cr:13wt %, Mo:
3.8wt%, W:2wt%, Ti:3.7wt%, Al:3.5wt%, Nb:1.5wt%, Ta:2.7wt%, B:0.03wt%, Zr:0.05wt%, Fe 0.5wt%，余量為 Ni。
[0058]如圖1所示，實(shí)施例二的3D整體鍛造技術(shù)包括以下步驟:
[0059]a)定向錠坯的準(zhǔn)備及高溫均勻化處理:定向錠坯是采用真空/氣體保護(hù)電渣重熔連續(xù)定向凝固技術(shù)制備的合金錠還，尺寸為φ180 X750mm。錠坯的均勻化熱處理溫度控制在1180。。?1220°C，保溫時(shí)間不小于30小時(shí)；
[0060]b)軸向錠坯開(kāi)坯:開(kāi)坯鍛造經(jīng)2?4火次完成，鍛造溫度控制在1140°C?1180°C，每火次的變形量為30%?50%，總變形量超過(guò)70%，名義變形速率控制在0.0liT1?0.ls-1，開(kāi)坯后坯料的晶粒度達(dá)到為6級(jí)或更細(xì)；
[0061]c)整形鍛造成四方體，并標(biāo)注X、Y、Z三個(gè)方向；
[0062]d)分別沿X、Y、Z三個(gè)方向依次鍛造，鍛造變形量控制在30%?50%，鍛造溫度控制在1100°C?1150°c，名義變形速率控制在0.01s—1?0.1s—1 ；
[0063]e)整體鍛造成圓柱，X方向?yàn)槎嗣?；然后，沿X方向鍛造至φ500 XSOmm的盤(pán)形鍛件，鍛造溫度控制在1100°C?1150°C，每火次鍛造變形量為30%?50%，總變形量根據(jù)盤(pán)形鍛件的尺寸確定，名義變形速率控制在0.001s—1?0.01s—1 ；
[0064]f)對(duì)盤(pán)形鍛件的的晶粒度和組織均勻性進(jìn)行檢驗(yàn)，若平均粒度達(dá)不到8?9級(jí)，則
重復(fù)步驟c?e ;
[0065]其中，步驟b、d、e中，每一次鍛造前坯料采用纖維氈和不銹鋼進(jìn)行包套。
[0066]圖2-4分別為實(shí)施例一制造的盤(pán)形鍛件的實(shí)物圖、低倍組織和微觀組織，從圖2-4中可以看到，采用本發(fā)明的3D整體鍛造技術(shù)制備的φ630 X 120mm的盤(pán)形鍛件，其尺寸符合要求，平均晶粒度為8?9級(jí)，中心的宏觀偏析小、微觀組織均勻，可以滿足后續(xù)的模鍛、熱處理工藝對(duì)盤(pán)形鍛件晶粒組織的要求。
[0067]同樣地，圖5-7分別為實(shí)施例二制造的盤(pán)形鍛件的實(shí)物圖、低倍組織和微觀組織，從圖5-7中可以看到，采用本發(fā)明的3D整體鍛造技術(shù)制備的φ500 XSOmm的盤(pán)形鍛件，其各項(xiàng)特性均滿足后續(xù)的模鍛、熱處理工藝對(duì)盤(pán)形鍛件晶粒組織的要求。
【權(quán)利要求】
1.一種制備高合金化合金盤(pán)形鍛件的3D整體鍛造方法，使用的原料錠坯為電渣重熔連續(xù)定向凝固技術(shù)制備的圓柱形定向錠坯，其特征在于: 該方法包括如下步驟: a)對(duì)定向錠坯進(jìn)行高溫均勻化處理； b)沿定向錠坯軸向鐓鍛開(kāi)坯，并對(duì)定向錠坯設(shè)定三維直角坐標(biāo)系，錠坯的軸線為Z軸； c)然后將開(kāi)坯后的圓盤(pán)坯整形鍛造成四方體； d)依次沿X、Y、Z三個(gè)方向分別鍛造； e)整體鍛造成圓柱，X方向?yàn)槎嗣妫蝗缓?，沿X方向鍛造至所需尺寸的盤(pán)形鍛件； f)對(duì)盤(pán)形鍛件的晶粒度和組織均勻性進(jìn)行檢驗(yàn)，若平均晶粒度和組織均勻性達(dá)不到要求，則重復(fù)步驟c)~e)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的整體鍛造方法，其特征在于: 所述定向錠坯為鎳基高溫合金，其化學(xué)成分為:C:0.03-0.06wt%, Co:12.5-2Iwt %,Cr:13-16.5wt%,Mo:3.8-4.2wt%,ff:2-4.2wt%,Ti:3.5-3.7wt%,Al:1.95-3.5wt%,Nb:0.6-1.5wt%, B:0.012-0.03wt%, Zr:0.03-0.05wt%, Ta:0 ~2.7wt%, Fe: = 0.5wt%,N1:余量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的整體鍛造方法，其特征在于: 步驟a中，高溫均勻化處理溫度控制在1180°C~1220°C，保溫時(shí)間不小于24小時(shí)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的整體鍛造方法，其特征在于: 步驟b中，開(kāi)坯鍛造采用多火次鐓鍛開(kāi)坯工藝，開(kāi)坯火次控制在2~4次，鍛造溫度控制在1100°C~1180°C，每火次的變形量控制在30%~50%，總變形量達(dá)到70%以上，名義變形速率控制在0.01~0.ls—1，開(kāi)坯后坯料的晶粒度達(dá)到6級(jí)或更細(xì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的整體鍛造方法，其特征在于: 步驟d、e中，鍛造時(shí)，每次鍛造的變形量控制在30%~50%，鍛造溫度控制在1060°C~1150°C，名義變形速度控制在0.0Ols^1~0.1s'
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的整體鍛造方法，其特征在于: 步驟b、d、e中，每一次鍛造前坯料采用纖維氈和不銹鋼進(jìn)行包套。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的整體鍛造方法，其特征在于: 本方法采用下壓速度及行程可控的液壓鍛造設(shè)備。
【文檔編號(hào)】B21J5/06GK103990751SQ201410191874
【公開(kāi)日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2014年5月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月7日
【發(fā)明者】馮滌, 付銳, 李福林 申請(qǐng)人:鋼鐵研究總院