一种应用于超大型镍基高温合金涡轮盘锻造的包套方法

摘要

本发明公开了一种应用于超大型镍基高温合金涡轮盘锻造包套方法，它涉及镍基高温合金在涡轮盘锻造过程中加热包套方法，本发明通过如下步骤实现：步骤1.将初始圆柱形高温合金坯料进行加热保温；步骤2.将加热保温后的高温合金坯料进行热包套；步骤3.热包套后的高温合金坯料回炉进行加热保温。本发明避免传统包套方法致使高温合金坯料在炉内加热时间过长、软包套容易脱落、夹持易破损等问题，可有效减少高温合金坯料转运锻造过程中温度降低问题，避免锻件变形过程中开裂、有效降低锻件变形抗力，可获得理想的晶粒组织。

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于超大型镍基高温合金涡轮盘锻造的包套方法，用于冶金与机械行业金属材料热加工过程中锻造温度的控制保温，是一种特殊的热加工包套方法，特别适用于超大型难变形镍基高温合金要严格控制坯料变形温度的情况。

背景技术

镍基高温合金以其优良的高温性能，广泛被选作石油、化工、火电及核电等行业的涡轮盘材料。在涡轮盘使用过程中，工作温度一般在550℃以上，其性能的好坏主要由合金组织决定。然而，由于镍基高温合金具有高合金化元素，再结晶温度较高，同时其初熔点较低，故而造成该合金锻造温度范围较窄、变形塑性差、变形抗力大等突出问题，受温度影响较为敏感。变形温度的降低，不仅导致合金热塑性急剧恶化，同时合金变形温度与应变速率敏感性随着合金化程度的提高而增大。微观组织受到变形温度、变形速率、变形量及应力状态等工艺影响较明显，其比热塑性的限制更加苛刻。从而，造成合金锻造成形困难、成材率低。特别是对于强化相含量较高的镍基高温合金和超大型的镍基高温合金钢锭的锻造生产，对温度的控制提出了苛刻的要求，热塑性许可范围通常在80℃以内，而微观组织与力学性能所要求温度范围往往更小，需要采取等温锻造和热模锻等特殊工艺措施才能保证锻造成形及最佳组织控制的实现 [姚志浩，董建新，张麦仓. GH738高温合金热变形过程显微组织控制与预测 I. 组织演化模型的构建[J]. 金属学报, 47(12): 1581-1590, 2011；姚志浩，王秋雨，张麦仓，董建新. GH738高温合金热变形过程显微组织控制与预测 II. 组织演化模型验证与应用[J]. 金属学报, 47(12): 1591-1599, 2011] 。

目前，由于等温锻造成本高，操作较为复杂，不利于大规模生产。一般采用对坯料采取各种保温措施的热模锻生产。典型的保温方法是使用石棉绝热材料覆盖在坯料表面，以减缓坯料因辐射和对流导致的热量损失。在锻造过程中，由于模具与坯料之间存在温度差，故而将石棉垫在模具与坯料之间而防止接触传热，阻挡坯料表面与空气间的传热。实际上，为了控制锻造温度，锻件的加热温度选择为许可变形温度范围的上限，同时采用包套包裹坯料减缓热量散失，保温材料的保温效能越高、坯料的转移过程和完成变形的时间越短，则可获得较好的变形组织。由于高温合金可锻造温度范围很小，坯料出炉转移时间通常要精确到秒，因此为了在坯料出炉过程中能够有效保温，需要再装炉前的冷态条件下将石棉保温材料固定在坯料表面，最主要的办法就是通过焊接不锈钢外套的方法将保温材料固定在坯料表面，从而保证石棉毯在坯料加热和出炉转移过程中不脱落，工业生产中称该方法为不锈钢硅酸铝复合包套或硬包套。采用常规石棉包套材料能够显著减缓合金坯料的热量散失，因此长期以来在高温合金的热加工过程中得到广泛应用。

但是该方法局限性很多，无法完全满足锻造工艺对锻件温度控制精度的要求，特别是存在以下几方面突出问题：

其一，石棉保温材料和不锈钢外套在高温下不能承受较大外力和变形，在锻造开始阶段即破裂，使坯料直接与模具及空气接触，特别是坯料与模具的接触使坯料局部温度急剧下降，导致锻件相应开裂破坏及组织异常。其二，不锈钢包套方法不适于铸锭开坯等多火次锻造过程，更无法再锤锻工艺中实施，在棒材和管材的热轧，以及在轧环机上轧制大型环件过程中，也无法采用不锈钢加硅酸铝包套方法。其三，在锻造过程中，使用常规的工业石棉材料会导致严重的环保问题。其四，冷态包套致使加热时间过长，容易使不锈钢氧化严重、石棉毯发生脆化，导致夹持过程中容易出现包套碎裂；同时，过长时间的加热保温能源耗费严重，浪费大量资源。故而探索一种可持续发展锻造过程中保温效果好、可操作性强、能源节约型的包套方法是广大锻造厂亟需的技术。

为了解决不锈钢硅酸铝复合包套只能在坯料处于冷态下实施，无法对高温坯料进行包套的问题，出现了利用玻璃在高温软化而具有粘结性的特点，使用玻璃粉将硅酸铝保温毡粘贴在高温坯料表面的方法，该方法应用于铸锭开坯等需要多火次锻造，因此要多次在热状态下回炉的情况，可以解决多火次锻造-回炉-加热-出炉的保温问题。但作为化工原料的商品化玻璃粉存在粘性不足、维持粘性状态温度范围小等问题，不能在热加工工艺所要求的相应温度范围内维持足够的粘性，当坯料在炉内加热而处于较高温温度时，玻璃会由于粘性过低而在重力作用下流淌，导致石棉保温材料从坯料表面脱落，同时流失的玻璃熔体遗留在炉内凝固后难以清除，会对炉体及加热系统造成损害。当坯料出炉后表面温度出现小范围下降时，粘性层便会因凝固而脆化，从而与石棉保温材料同时脱落。因此，该方法仍不能完全满足高温合金热加工对保温效能的要求。

根据以上分析可知，锻件保温技术是高温合金锻件热加工不可分割的组成部分，对锻件顺利成形和获得理想的显微组织性能具有重要的保证作用，没有包套技术的支撑，某些材料和部件便无法锻造成形，而高效的保温技术可以促进新材料的开发与热加工工艺的发展。

发明内容

本发明旨在提供一种超大型镍基高温合金涡轮盘锻造包套方法，从而可获得晶粒度合格、无表面裂纹的锻件，以期锻造获得可达到力学性能等标准要求的镍基高温合金涡轮盘。

本发明的第一目的在于提出一种超大型镍基高温合金涡轮盘锻造的包套方法，其特征在于，该包套方法具体包括以下步骤：

步骤1. 将初始圆柱形高温合金坯料进行加热保温；

步骤2. 将加热保温后的高温合金坯料进行热包套；

步骤3. 热包套后的高温合金坯料回炉进行加热保温。

优选地，所述步骤1中，加热温度范围为1030-1100℃，保温时间范围为10-15h。

优选地，步骤2包括以下步骤：

2.1将加热保温后的高温合金坯料进行软包套；

2.2对软包套后的高温合金坯料进行硬包套。

优选地，所述软包套具体为：利用保温棉对高温合金坯料进行包裹后压实，保温棉厚度为5-20mm。

所述硬包套具体为：将不锈钢带围裹于软包套后的高温合金坯料侧面；同时，软包套后的高温合金坯料上下两端面分别采用两条不锈钢带十字交叉并与所述高温合金坯料侧面的不锈钢带固定连接，所述不锈钢带厚度为0.5-1.5mm。

优选地，所述步骤3中，热包套后的高温合金坯料加热温度范围为1030-1100℃，保温时间为3-6h。

优选地，所述镍基高温合金的成分按照质量百分比为：C：0.01-0.08%；Al：1.0-4.6%；Ti：1.2-6.25%；Co：10.0-19.0%；Cr：12.0-21.0%；Mo：1.5-6.5%；Fe≤2.0%；S≤0.001%；P≤0.005%；Ni余量；所述圆柱形高温合金坯料直径Φ≥500mm，高度h≥1000mm。

本发明的另一目的在于提供一种采用上述任一包套方法的超大型镍基高温合金涡轮盘锻造方法，所述锻造方法具体为：

步骤4. 将步骤3获得的高温合金坯料高度尺寸压至初始圆柱形高温合金坯料高度的50%，保压停留30s后再继续将高度尺寸变形至初始圆柱形高温合金坯料高度的20%，清除包套后冷却，获得锻件；

步骤5：将步骤4获得的锻件进行亚固溶条件下的热处理，之后再进行双时效处理。

优选地，所述亚固溶条件下的热处理的温度控制在1020℃±10℃保温4小时，保温后油冷至室温。

优选地，所述双时效处理为：将油冷后的锻件在845℃±10℃的温度下保温4h后空冷至室温；将空冷后的锻件在760℃±10℃的温度下保温16h后空冷至室温。

本发明采用先加热保温再热包套的方法，与传统的冷包套相比，降低合金加热时间，控制合金组织不均匀性，防止晶粒组织长大而影响锻造组织细化；降低包套损毁的风险，可使包套在加热、转运夹持过程中不易破损、不易脱落；同时有效对合金坯料保温，缩短加热时间、节约能源；经本发明特种包套方法进行控制锻造的镍基高温合金涡轮盘，可以变形控温能力接近等温锻造工艺水平，大幅度改善高温合金锻件微观组织与力学性能，制备获得的盘件与其他具有相同成分的盘件相比，保证无开裂并具有良好的晶粒组织及更高的高温力学性能，对于提高涡轮盘锻件生产效率、控制锻件产品质量稳定和降低生产成本具有重要作用。

附图说明

图1为本发明实施例1-5中包套示意图，其中，左为俯视图，右为正视图。

图2为实施例5中获得的锻件试样环晶粒组织-组织均匀。

图3为实施例5中保温时间过长时获得的锻件试样环晶粒组织-粗大的混晶组织。

其中，1-高温合金坯料；2-不锈钢带；3-保温棉。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明进一步的详细说明。

本发明中坯料采用镍基高温合金材料，成分按照质量百分比为：C：0.01-0.08%；Al：1.0-4.6%；Ti：1.2-6.25%；Co：10.0-19.0%；Cr：12.0-21.0%；Mo：1.5-6.5%；Fe≤2.0%；S≤0.001%；P≤0.005%；Ni余量。

采用上述合金材料进行的超大型镍基高温合金涡轮盘锻造包套方法，具体包括以下步骤：

步骤1. 将初始圆柱形高温合金坯料进行加热保温。

将高温合金坯料放在电炉有效区域内，下面用耐火砖将其垫起，以保证高温合金坯料受热均匀，电炉加热温度控制在1030-1100℃，并保温10-15h，使高温合金坯料加热完全。同时可以利用热电偶对高温合金坯料进行测温，测温点位于上下底面的中心，即圆柱形高温合金坯料上下底面的圆心处。当高温合金坯料加热完全达到设定温度后再进行包套，该设定温度范围与电炉加热温度一致，同为1030-1100℃。本发明采用的热电偶为外接铠装热电偶，该外接铠装热电偶为线性度好、热电动势较大的K型热电偶线。

步骤2. 高温合金坯料加热保温后，将坯料从加热炉中取出进行热包套。

本发明中高温合金坯料加热保温后，对其进行热包套处理。其中热包套包括两个子步骤：首先进行软包套，接着进行硬包套。

软包套是利用保温棉对高温合金坯料外表面进行包裹，步骤为：将高温合金坯料周围采用保温棉进行包裹，其高温合金坯料与保温棉之间采用高温粘结剂进行胶结，包裹后将保温棉压实于坯料周围，包裹的保温棉层厚度为5-20mm。

紧接着进行的硬包套是利用不锈钢带对软包套后的高温合金坯料的部分外表面进行包裹，其特征为：将厚度为0.5-1.5mm厚的矩形不锈钢带围裹于已经包裹保温棉的高温合金坯料侧面，并在连接处进行焊接，即圆柱形侧面采用“筒型”包裹方式；同时，包裹保温棉的高温合金上下两个端面分别采用十字交叉的不锈钢带进行焊接，即每个端面上的两条不锈钢带十字交叉，且各条不锈钢带端部与所述高温合金坯料侧面包裹的不锈钢带焊接，以防止软包套意外脱落。

整个热包套过程时间越短越好，应不超过10min。

步骤3. 包套后的高温合金坯料回炉进行加热保温。

将包套好的高温合金坯料放在电炉有效区域内，下面用耐火砖将其垫起，电炉加热温度控制在1030-1100℃，待保温3-6h后即可进行出炉锻造。与此同时，可利用外接铠装热电偶对高温合金坯料进行测温，测温点直接接触于高温合金坯料上下底面的中心。

结束上述包套步骤后，可以进行后续的超大型镍基高温合金涡轮盘锻造，具体为：

步骤4. 锻造成形。

a.将步骤3获得的的高温合金坯料出炉后迅速转运至压机模具上，其中，转运时间控制在1min以内，压机模具温度不低于350℃；b.压机按预先设置的压制模式进行压制，先将高度尺寸压至未变形高温合金坯料（即初始圆柱形高温合金坯料）高度的50%，保压停留30s，再将高度尺寸变形至最初未变形高温合金高度的20%，变形速率控制在10mm/s；c.取下锻件，清除外面包套，放置在沙坑中空冷；必须将锻件表面杂物与氧化皮清理干净；超大型镍基高温合金涡轮盘锻件表面无裂纹。

步骤5：热处理。

将步骤4获得的锻件进行亚固溶条件下的热处理控制，即亚固溶热处理，亚固溶热处理温度应控制在1020℃±10℃保温4h后油冷至室温，然后进行双时效处理，将油冷后的锻件在845℃±10℃的温度下保温4h进行空冷至室温，然后将空冷后的锻件在760℃±10℃的温度下保温16h后空冷至室温，经性能测试达到要求。

实施例1：

将规则的Φ600mm×1260mm圆柱形棒坯料进行加热保温，其初始晶粒尺寸为150μm，且测得该选定高温合金实际成分为C：0.06%；Al：1.42%；Ti：3.15%；Co：13.5%；Cr：20.0%；Mo：4.1%；Ni余量。

步骤1. 将初始圆柱形高温合金坯料进行加热保温。

将高温合金坯料棒料放在电炉有效区域内，下面用耐火砖将其垫起，以保证高温合金坯料受热均匀，电炉加热温度控制在1060℃，保温15h。

步骤2. 当坯料加热保温后，将坯料取出进行热包套。

将该高温合金坯料加热完毕后从炉内取出迅速进行包套，首先进行软包套：将高温合金坯料周围采用保温棉进行包裹，其高温合金坯料与保温棉之间采用高温粘结剂进行胶结，包裹后将保温棉压实于高温合金坯料周围，软包套厚度为20mm。紧接着进行硬包套，其特征为：将厚度为1.0mm厚的矩形不锈钢带围裹于已经包裹保温棉的高温合金坯料侧面，并在连接处进行焊接，即圆柱形侧面采用“筒型”包裹方式；同时，包裹保温棉的高温合金坯料上下两个端面采用十字交叉的不锈钢带进行焊接。整个包套过程约3min。其高温合金坯料包套示意图，如图1所示。

步骤3. 包套后的高温合金坯料回炉进行加热保温。

将包套后的高温合金坯料放在电炉有效区域内，下面用耐火砖将其垫起，电炉加热温度控制在1060℃，待保温5h时间后出炉锻造。

步骤4. 锻造成形。

a.步骤3获得的高温合金坯料出炉后迅速转运至压机模具上，转运时间控制在1min，压机模具温度不低于350℃；b.压机按预先设置的压制模式进行压制，先将高度尺寸压至未变形高温合金高度的50%，保压30s，再将高度尺寸变形至最初未变形高度的20%，变形速率控制在10mm/s；c.取下锻件，清除外面包套，放置在沙坑中空冷；必须将锻件表面杂物与氧化皮清理干净；超大型镍基高温合金涡轮盘锻件表面无裂纹。

步骤5：热处理。

将步骤4获得的锻件进行亚固溶条件下的热处理控制，即亚固溶热处理，热固溶热处理温度应控制在1020℃±10℃保温4小时后油冷至室温，然后进行双时效处理，将油冷后的锻件在845℃±10℃的温度下保温4h进行空冷至室温，然后将空冷后的锻件在760℃±10℃的温度下保温16h后空冷至室温，经性能测试达到要求。

实施例2：

本实施例采用Φ508mm×1200mm圆柱形棒坯料进行加热保温，其初始晶粒尺寸为150μm，且测得该选定高温合金实际成分为C：0.06%；Al：1.45%；Ti：3.10%；Co：13.2%；Cr：19.3%；Mo：4.4%；Ni余量。

其包套与锻造过程与实施例1的区别在于：

步骤1中的电炉加热温度控制在1030℃，保温时间为10h；

步骤3中的电炉加热温度控制在1030℃，保温时间为3h；

其他各个步骤与实施例1完全相同。经测试获得室温、高温拉伸性能及持久性能均达到技术条件要求。

实施例3：

本实施例采用Φ600mm×1240mm圆柱形棒坯料进行加热保温，其初始晶粒尺寸为135μm，且测得该选定高温合金实际成分为C：0.07%；Al：1.38%；Ti：3.5%；Co：13.0%；Cr：19.5%；Mo：4.3%；Ni余量。

其包套与锻造过程与实施例1的区别在于：步骤2中软包套厚度为5mm，硬包套的不锈钢钢带厚度为1.5mm。

其他各个步骤与实施例1完全相同。经测试获得室温、高温拉伸性能及持久性能均达到技术条件要求。

实施例4：

本实施例采用Φ580mm×1200mm圆柱形棒坯料进行加热保温，其初始晶粒尺寸为120μm，且测得该选定高温合金实际成分为C：0.05%；Al：1.47%；Ti：3.85%；Co：13.9%；Cr：21.0%；Mo：4.0%；Ni余量。

其包套与锻造过程与实施例1的区别在于：步骤2中软包套厚度为20mm，硬包套的不锈钢钢带厚度为1.5mm。

其他各个步骤与实施例1完全相同。经测试获得室温、高温拉伸性能及持久性能均达到技术条件要求。

实施例5：

本实施例采用Φ600mm×1160mm圆柱形棒坯料进行加热保温，其初始晶粒尺寸为143μm，且测得该选定高温合金实际成分为C：0.04%；Al：1.40%；Ti：3.25%；Co：13.9%；Cr：19.8%；Mo：4.2%；Ni余量。

其包套与锻造过程与实施例1的区别在于：

步骤3中的电炉加热温度控制在1080℃，保温时间为6h；其他各个步骤与实施例1完全相同。经测试获得室温、高温拉伸性能及持久性能均达到技术条件要求，其锻件试样环组织如图2所示。

与之相比，若步骤3保温时间为25h时，经测试试样环组织为混晶态，组织不均匀，主要原因为后期包套后保温时间过长导致。其锻件试样环组织见图3所示。

综合以上分析，利用本发明超大型镍基高温合金涡轮盘锻造包套方法对涡轮盘进行适当变形及热处理，就会获得了满意的组织和性能数据，达到并超过了技术条件的要求。

经过上述包套方法锻造获得的超大型镍基高温合金涡轮盘锻件，显微组织与力学性能可达标准要求，对于提高锻件生产效率、控制产品质量稳定性和降低成本具有重要意义。本发明可用于制备超大型 (初始圆柱型高温合金坯料尺寸：直径Φ≥500mm，高度h≥1000mm)镍基高温合金涡轮盘。适用于制造石油、化工、火电及核电等超大型镍基高温合金涡轮盘等热端部件。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。