制備高合金化合金盤形鍛件的3d整體鍛造方法
【專利摘要】本發明涉及一種制備高合金化難變形高溫合金盤形鍛件的3D整體鍛造方法，包括如下步驟：定向錠坯的準備及高溫均勻化處理→錠坯開坯→整形鍛造成四方體→分別沿X、Y、Z三個方向依次鍛造→整體鍛造成圓柱→鍛造至所需尺寸的盤形鍛件→檢驗。通過本發明的3D整體鍛造方法制備的盤形鍛件具有均勻細小的微觀組織。本發明生產周期短，控制方便、成本低廉，適用于大批量生產大尺寸、高潔凈、組織均勻的高合金化難變形合金盤形鍛件。
【專利說明】制備高合金化合金盤形鍛件的3D整體鍛造方法
【技術領域】
[0001]本發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形鍛件的鍛造方法。
【背景技術】
[0002]盤形鍛件是航空發動機、燃氣輪機最重要的熱端零部件之一，由于盤形鍛件在高溫工作環境下承受高的載荷，且本身在高速旋轉的同時還起到傳送扭矩的作用，工作條件非常苛刻，因此對材料性能的要求極高。
[0003]目前制備盤形鍛件的工藝主要有兩種:常規鑄鍛工藝(Cast/Wrought，C/W)和粉末冶金工藝(Powder Metallurgy, P/Μ)。
[0004]采用常規鑄鍛工藝(Cast/Wrought，C/W)，該工藝利用真空感應熔煉+真空電弧重熔雙聯工藝制備錠坯，錠坯經均勻化退火后通過液壓鍛造設備沿軸向拔長鍛造開坯成棒坯，總變形量控制在75%左右，然后將棒坯根據要求切成棒段，最后將棒段通過液壓設備以一定的變形速率和變形量沿軸向鐓鍛成盤形鍛件。這種傳統的鍛造方法存在以下幾個方面的局限性:第一，它僅適合于合金化相對較低的合金，而對于先進航空發動機用的盤形鍛件，由于其合金化程度更高，采用常規的雙聯工藝制備的錠坯中心偏析程度更嚴重，析出相尺寸更大，錠坯變形抗力增大，熱加工窗口減小，造成錠坯無法完成鍛造開坯；第二，錠坯鍛造開坯是通過鍛造設備局部依次鍛造變形使坯料拔長的過程，這種鍛造過程容易造成組織均勻性差的問題；第三，鍛造開坯過程和鐓鍛過程均是沿軸向，會造成盤形鍛件端面存在冷模組織和變形死區，不適合先進航空發動機使用的盤形鍛件的制造。
[0005]對于先進航空發動機使用的最高使用溫度在650°C以上的盤形鍛件(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題。歐美國家通常采用熱擠壓+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題，而我國通常采用的熱等靜壓+等溫鍛造工藝，無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題，另外粉末冶金工藝生產周期長、材料成材率低、生產設備昂貴，導致粉末冶金工藝制備的盤形鍛件的成本較高。
[0006]本申請的 申請人:一鋼鐵研究總院針對我國先進航空發動機盤形鍛件制備過程中存在的問題，開成功發了 ESR-⑶S技術，并申請了 “真空/氣體保護電渣重熔連續定向凝固裝置和方法”的中國發明專利(專利號:201010614036.0)。利用該項技術可制備大尺寸、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，通過液壓鍛造設備就可完成錠坯鍛造開坯過程，克服了傳統變形工藝無法制備更高合金化水平(使用溫度超過650°C)盤形鍛件的問題，同時解決了粉末冶金工藝生產盤形鍛件存在的原始顆粒邊界(PPB)和大尺寸夾雜物以及價格昂貴等問題。
[0007]然而，真空/氣體保護電渣重熔連續定向凝固錠坯通過常規鍛造方法制備的盤形鍛件不能達到對先進航空發動機用盤形鍛件組織均勻性的要求。[0008]因此，針對真空/氣體保護電渣重熔連續定向凝固技術制備的高合金化合金錠坯，本發明研發了一種3D整體鍛造方法，一方面能得到組織均勻性更好的盤形鍛件，另一方面能降低制備成本。

【發明內容】

[0009]本發明的目的，是提供一種能制備先進航空發動機用高合金化合金盤形鍛件的鍛造方法。
[0010]為實現上述目的，本發明的技術方案如下:
[0011]一種制備高合金化合金盤形鍛件的3D整體鍛造方法，使用的原料錠坯為電渣重熔連續定向凝固技術制備的圓柱形定向錠坯，該方法包括如下步驟:
[0012]a)對定向錠坯進行高溫均勻化處理；
[0013]b)沿定向錠坯軸向鐓鍛開坯，并對定向錠坯設定三維直角坐標系，錠坯的軸線為Z軸；
[0014]c)然后將開坯后的圓盤坯整形鍛造成四方體；
[0015]d)依次沿X、Y、Z三個方向分別鍛造；
[0016]e)整體鍛造成圓柱，X方向為端面；然后，沿X方向鍛造至所需尺寸的盤形鍛件；
[0017]f)對盤形鍛件的晶粒度和組織均勻性進行檢驗，若平均晶粒度和組織均勻性達不到要求，則重復步驟c)?e)。
[0018]所述定向錠坯為鎳基高溫合金，其化學成分為: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，保溫時間不小于24小時。
[0020]步驟b中，開坯鍛造采用多火次鐓鍛開坯工藝，開坯火次控制在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%，總變形量達到70%以上，名義變形速率控制在0.01?0.ls—1，開坯后坯料的晶粒度達到6級或更細。
[0021]步驟d、e中，鍛造時，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行包套。
[0023]本方法采用下壓速度及行程可控的液壓鍛造設備。
[0024]本發明針對的是先進航空發動機用的高合金化合金盤形鍛件，采用常規的雙聯工藝制備的錠坯中心偏析程度和析出相尺寸較大，在開坯鍛造過程中容易發生開裂，因此選擇利用電渣重熔連續定向技術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，錠坯開坯鍛造前需進行均勻化處理，處理工藝根據選用材料的成分確定。
[0025]本發明提供的3D整體鍛造技術需采用下壓速度及行程可控的液壓鍛造設備，采用該設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]鐓鍛時每火次的變形量控制在30%?50%，變形溫度和變形速度根據鍛造材料確定，因為變形小于30%時，往往不能滿足坯料動態再結晶的要求，而超過50 %時，坯料局部的剪切變形程度增大會造成組織不均勻。
[0027]鍛造過程的變形溫度，變形量和變形速度需根據具體材料和盤形鍛件的組織要求確定，但錠坯開坯后的坯料晶粒度應達到6級或更細。
[0028]采用本發明的3D整體鍛造方法制備的高合金化難變形合金盤形鍛件有如下的特 [0029]I)大塑性變形工藝，強烈細化晶粒，改善力學性能；
[0030]2)整體變形，過程可控，組織均勻；
[0031]3)坯料端面和側面互換，消除變形死區；
[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晶結構材料的有效方法；
[0034]6)工藝簡單，成本低，易于實現工業化生產。
[0035]該方法制備的盤形鍛件的組織均勻性能夠達到或超過粉末冶金工藝制備的盤形鍛件，且明顯降低制備成本，該盤形鍛件具有理想的晶粒組織，可以滿足后續的模鍛、熱處理工藝對盤形鍛件 晶粒組織的要求。本發明方法制備的盤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形件的坯料。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]圖1為本發明的3D鍛造技術的實施流程圖。
[0037]圖2為采用本發明實施例一制造的Φ630_盤形鍛件實物圖。
[0038]圖3為實施例一中盤形鍛件截面的低倍組織。
[0039]圖4為實施例一中盤形鍛件的微觀組織。
[0040]圖5為采用本發明實施例二制造的Φ 500mm盤形鍛件實物圖。
[0041]圖6為實施例二中盤形鍛件截面的低倍組織。
[0042]圖7為實施例二盤形鍛件的微觀組織。
【具體實施方式】
[0043]下面結合附圖和實施例，對本發明的【具體實施方式】作進一步詳細描述。
[0044]實施例一
[0045]制備φ630 X 120mm,平均晶粒度為6~7級的鎳基高溫合金盤形鍛件
[0046]鎳基高溫合金的名義化學成分為: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，實施例一的3D整體鍛造技術包括以下步驟:
[0048]a)定向錠坯的準備及高溫均勻化處理:定向錠坯是通過真空/氣體保護電渣重熔連續定向凝固技術制備的由相或其相關相強化的變形鎳基高溫合金，尺寸為φ250X 1100mm。定向錠坯經過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，對于本實施例合金來說，處理溫度控制在1180°C~1220°C，保溫時間不小于24小時；[0049]b)軸向錠坯開坯:開坯鍛造經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70%，名義變形速率控制在0.01?0.ls-1，開坯后坯料的晶粒度達到6級或更細；
[0050]c)整形鍛造成四方體，并標記X、Y、Z三個方向；
[0051]d)分別沿X、Y、Z三個方向依次鍛造，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方向為端面；然后，沿X方向鍛造至φ630 X120mm的盤形鍛件，鍛造溫度控制在1060°C?1110°C，每火次鍛造變形量為30?50%，總變形量根據盤形鍛件的尺寸確定，名義變形速率控制在0.0OliT1?0.1s—1 ；
[0053]f)對盤形鍛件的的晶粒度和組織均勻性進行檢驗，若平均晶粒度達不到6?7級，則重復步驟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行包套。
[0055]實施例二
[0056]制備φ500 X80mm，平均晶粒度為8?9級的鎳基高溫合金盤形鍛件。
[0057]鎳基高溫合金的名義化學成分為: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，實施例二的3D整體鍛造技術包括以下步驟:
[0059]a)定向錠坯的準備及高溫均勻化處理:定向錠坯是采用真空/氣體保護電渣重熔連續定向凝固技術制備的合金錠還，尺寸為φ180 X750mm。錠坯的均勻化熱處理溫度控制在1180。。?1220°C，保溫時間不小于30小時；
[0060]b)軸向錠坯開坯:開坯鍛造經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70%，名義變形速率控制在0.0liT1?0.ls-1，開坯后坯料的晶粒度達到為6級或更細；
[0061]c)整形鍛造成四方體，并標注X、Y、Z三個方向；
[0062]d)分別沿X、Y、Z三個方向依次鍛造，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方向為端面；然后，沿X方向鍛造至φ500 XSOmm的盤形鍛件，鍛造溫度控制在1100°C?1150°C，每火次鍛造變形量為30%?50%，總變形量根據盤形鍛件的尺寸確定，名義變形速率控制在0.001s—1?0.01s—1 ；
[0064]f)對盤形鍛件的的晶粒度和組織均勻性進行檢驗，若平均粒度達不到8?9級，則
重復步驟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行包套。
[0066]圖2-4分別為實施例一制造的盤形鍛件的實物圖、低倍組織和微觀組織，從圖2-4中可以看到，采用本發明的3D整體鍛造技術制備的φ630 X 120mm的盤形鍛件，其尺寸符合要求，平均晶粒度為8?9級，中心的宏觀偏析小、微觀組織均勻，可以滿足后續的模鍛、熱處理工藝對盤形鍛件晶粒組織的要求。
[0067]同樣地，圖5-7分別為實施例二制造的盤形鍛件的實物圖、低倍組織和微觀組織，從圖5-7中可以看到，采用本發明的3D整體鍛造技術制備的φ500 XSOmm的盤形鍛件，其各項特性均滿足后續的模鍛、熱處理工藝對盤形鍛件晶粒組織的要求。
【權利要求】
1.一種制備高合金化合金盤形鍛件的3D整體鍛造方法，使用的原料錠坯為電渣重熔連續定向凝固技術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)對定向錠坯進行高溫均勻化處理； b)沿定向錠坯軸向鐓鍛開坯，并對定向錠坯設定三維直角坐標系，錠坯的軸線為Z軸； c)然后將開坯后的圓盤坯整形鍛造成四方體； d)依次沿X、Y、Z三個方向分別鍛造； e)整體鍛造成圓柱，X方向為端面；然后，沿X方向鍛造至所需尺寸的盤形鍛件； f)對盤形鍛件的晶粒度和組織均勻性進行檢驗，若平均晶粒度和組織均勻性達不到要求，則重復步驟c)~e)。
2.根據權利要求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.根據權利要求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，保溫時間不小于24小時。
4.根據權利要求1所述的整體鍛造方法，其特征在于: 步驟b中，開坯鍛造采用多火次鐓鍛開坯工藝，開坯火次控制在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%，總變形量達到70%以上，名義變形速率控制在0.01~0.ls—1，開坯后坯料的晶粒度達到6級或更細。
5.根據權利要求1所述的整體鍛造方法，其特征在于: 步驟d、e中，鍛造時，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.根據權利要求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行包套。
7.根據權利要求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備。
【文檔編號】B21J5/06GK103990751SQ201410191874
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月7日 優先權日:2014年5月7日
【發明者】馮滌, 付銳, 李福林 申請人:鋼鐵研究總院