GH4169合金盘形锻件在空气中的近等温锻造方法

摘要

本发明公开了一种GH4169合金盘形锻件在空气中的近等温锻造方法，其工艺过程为：加热GH4169合金原始棒料到995℃～1005℃后采用镦拔+冲孔+辗轧方法制作GH4169细晶毛坯；分别加热细晶毛坯到995℃～1005℃和锻模到950℃～965℃；细晶毛坯装模定位；同时加热细晶毛坯和锻模保持其加热温湿度；在55MN～65MN的锻造压力和0.01s－1～0.05s－1的应变速率下锻模锻压细晶毛坯成形；获得盘形锻件；盘形锻件水冷处理。采用本发明所述的锻造方法可以实现难变形GH4169合金材料的盘形锻件成形，获得晶粒细小和强度较高且形状较为复杂的GH4169合金盘形锻件。

说明书

技术领域

本发明涉及一种变形高温合金锻件的锻造方法，特别是GH4169合金盘形锻件在空气中的近等温锻造方法。

背景技术

GH4169合金是一种沉淀强化型的镍-铬-铁基高温合金，该合金具有较高的强度，该合金的盘形锻件如涡轮盘在650℃以下广泛用于航空、航天等宇航发动机的核心热端部件，能在高温、高应力、高转速、高速气流环境下长期工作，适应服役环境恶劣，工作负荷大，故障频率较高的极端工作环境要求。该合金由于强度高，变形温度范围窄，导致其变形抗力较大，使锻造成形较为困难，而且要想获得晶粒细小的高强度盘形锻件首先必须要使锻件毛坯的晶粒细小。

2004年6月2日公开的中国发明专利说明书CN1500577A(申请号：200310103692.4)公开了一种镍基超耐热合金的准等温锻造，所述准等温锻造是指锻模的加热温度与锻件坯料的加热温度两者的温差在56℃～250℃之间进行的锻造。该专利申请表述了锻造毛坯可以采用固结粉末坯料或铸造-锻造的坯料来提供，优选固结粉末坯料。该专利申请对采用铸造-锻造的坯料来进行锻造如何获得晶粒细小的坯料或锻件并未充分公开，而铸造或锻造的原始坯料由于晶粒较粗大，采用该专利申请提供的锻造方法对原始毛坯进行锻造后是很难获得晶粒细小的锻件的。采用固结粉末坯料进行准等温锻造，一是固结粉末坯料需要专门的金属制粉技术和制粉设备才能生产，而目前由于金属制粉技术的难度较大和制粉设备的投资较高使固结粉末坯料的成本较高、价格较贵；二是金属制粉技术由于需要攻克的技术难题较多，致使采用固结粉末坯料生产的锻件质量处于不稳定状态；三是金属制粉技术属于方兴技术，尚未普及应用致使固结粉末坯料的获得较难。此外，该专利申请所述的锻造方法在锻造成形的过程中仅对锻模进行加热，致使锻造过程中锻造毛坯暴露在空气中不利于保持锻造毛坯的温度；而且锻模温度与毛坯的准等温锻造的温差为56℃～250℃，由于温差范围较大，不利于精确控制锻件的热力参数，获得组织和性能优良的锻件；该专利方法对需要多大的压力来实现镍基超耐热合金的准等温锻造也未提及。

有鉴于此，本发明提供了一种GH4169合金盘形锻件在空气中的近等温锻造方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种使用细晶毛坯和精确的近等温锻造温度来实现GH4169合金盘形锻件在空气中的近等温锻造方法，采用该方法能锻出晶粒细小的该合金盘形锻件并使锻件具有高强度。

为解决上述技术问题，本发明GH4169合金盘形锻件在空气中的近等温锻造方法是采用以下技术方案来实现的：

首先提供锻造加热炉、辗轧机、带锻模和环形加热炉的锻压机和铸造或锻造的GH4169合金原始棒料，然后按以下步骤操作：

第一步：在空气中，把GH4169合金原始棒料加热到995℃～1005℃的起始温度后，经镦粗+拔长+再加热镦粗+冲孔+再加热辗轧后获得环形的细晶毛坯；

第二步：在空气中，加热所述细晶毛坯到995℃～1005℃的起始温度，同时加热锻压机上的上、下锻模到950℃～965℃的起始温度；

第三步：把加热后的细晶毛坯装入并定位在锻压机的上、下锻模之间，在空气中利用锻压机的环形加热炉对所述细晶毛坯和上、下锻模进行加热；

第四步：在所述细晶毛坯和上、下锻模的起始温度范围内，所述上、下锻模通过锻压机提供锻造压力在空气中把所述细晶毛坯锻压成形，得到盘形锻件。

为使本发明达到最佳实施效果，上述GH4169合金原始棒料的加热温度优选1005℃，细晶毛坯的加热温度优选1005℃，上、下锻模的加热温度优选950℃；而且在整个锻造过程中所述环形加热炉一直不停地对细晶毛坯和上、下锻模进行加热以维持其温度在所述起始温度范围内；上、下锻模的模具材料采用铸造高温合金，优选K403合金，可较好地满足盘形锻件成形。

采用本发明所述的锻造方法进行锻造时锻压机提供给上、下锻模的锻造压力为55MN～65MN，可使细晶毛坯在锻压成形时的应变速率达0.01s^-1～0.05s^-1，优选0.03s^-1，所述应变速率由锻压机上滑块的运动速度来确定。

采用本发明所述的锻造方法锻出的盘形锻件在锻后采用水冷处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明所述的GH4169合金盘形锻件在空气中的近等温锻造方法，由于把铸造或锻造的原始坯料如GH4169合金棒材通过镦拔加辗轧工艺制作成细晶毛坯后再通过近等温锻造成形，把GH4169合金的晶粒度从锻前原始坯料的4级细化到细晶毛坯的8级后再进行近等温锻造可把锻后盘形锻件的晶粒度提高到11级(所述晶粒度均为美国标准ASTM水平)，极大地细化了该合金材料的晶粒，从而可获得高强度的盘形锻件。

本发明使用铸造或锻造的GH4169合金原始坯料获得了晶粒细小和强度较高的盘形锻件，可以不依赖于采用固结粉末坯料来细化晶粒和提高锻件的强度，从而极大地降低了锻造成本，而且原始坯料易于获得，有利于近等温锻造方法的推广应用。

本发明所述的近等温锻造方法在锻造过程中由于环形加热炉一直不停地对锻模和毛坯进行加热，可以保持锻模和毛坯在规定的温度范围内进行锻造，并可把锻模温度与毛坯温度的近等温锻造的温差控制在30℃～55℃，由于温差范围较小，有利于精确控制锻件的热力参数如等效应变、温度、应变速率等，获得组织和性能优良的锻件；而且本发明对采用多大的锻造压力来满足锻造过程中应变速率的要求也给出了具体的参数，使该锻造方法的可操作性较强。

此外本发明的实施例和附图给出了一种形状较为复杂、变形量较大的GH4169合金盘形锻件的近等温锻造成形方法，采用该方法锻出的盘形锻件的形状和尺寸基本沿零件外形分布，不仅实现了难变形GH4169合金材料盘形锻件的塑性成形，而且还可以实现盘形锻件的近净成形，锻出接近零件形状和尺寸的盘形锻件；锻造时由于坯料的加热为一个火次，减少了坯料的表面氧化脱皮现象，有利于提高盘形锻件的尺寸精度，节省大量的贵重GH4169合金材料和机加费用。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是GH4169合金盘形锻件在空气中的近等温锻造方法的工艺流程图。

图2是用于实施本发明所述的近等温锻造方法的锻压机、锻模和环形加热炉的装配图。

图3是细晶毛坯装进锻模的状态图。

图4是锻模把细晶毛坯锻压成形的状态图。

图5是盘形锻件的截面图。

图6是细晶毛坯的内部组织金相图。

图7是盘形锻件的内部组织金相图。

具体实施方式

实施本发明所述的GH4169合金盘形锻件在空气中的近等温锻造方法，需要提供锻造加热炉、辗轧机、带锻模和环形加热炉的锻压机和铸造或锻造的GH4169合金原始棒料。

图1示出了GH4169合金盘形锻件在空气中进行近等温锻造的工艺流程。

图2示出了用于实施本发明所述的近等温锻造方法的锻压机9、上锻模6、下锻模4和环形加热炉3的装配情况，在锻压机9的工作台1上依次固定装有下砧2的和下锻模4，工作台1通过导柱10与滑块8连接，滑块8在导柱10上可上下滑动，在滑块8下依次固定装有上砧7和上锻模6；在上砧7和下砧2之间装有环形加热炉3，环形加热炉3沿高度方向被分为两节，该炉的上节固定在上砧7的底面，下节固定在下砧2的上面，在环形加热炉3的上、下节之间装有可拆卸的隔热环11，上锻模6和下锻模4合模时的模腔即为本发明所述的盘形锻件12的型腔。图中还用双点划线示意性地画出了细晶毛坯5装进锻模时的初始状态。

图3示出了细晶毛坯5装进锻模时处于上锻模6和下锻模4之间的位置关系

图4示出上锻模6和下锻模4把细晶毛坯5锻压成盘形锻件12的最终状态。

图5示出了采用本发明所述的近等温锻造方法锻出的盘形锻件12的结构。

图6示出了细晶毛坯5的内部组织金相结构，显微镜下的放大倍数为100倍。

图7示出了盘形锻件12的内部组织金相结构，显微镜下的放大倍数为100倍。

实施本发明所述的GH4169合金盘形锻件在空气中的近等温锻造方法的操作步骤如下：

步骤1：GH4169合金细晶毛坯5的制作。把按盘形锻件规格下料的GH4169合金棒材在锻造加热炉内加热到995℃～1005℃的起始温度，优选温度为1005℃，然后在锻压机上镦粗到一定高度，再拔长到原高度；再加热镦粗后冲孔；把带孔的坯料加热后在辗轧机上辗轧成盘形锻件的环坯得到GH4169合金细晶毛坯5。细晶毛坯5的晶粒度可达美国ASTM标准8级，其内部组织金相结构如图6所示。

步骤2：加热细晶毛坯5和上锻模6、下锻模4。把细晶毛坯5放入锻造加热炉内加热到995℃～1005℃的起始温度，优选温度为1005℃；同时在图2所示的上锻模6和下锻模4的合模状态下开启环形加热炉3把上锻模6和下锻模4加热到950℃～965℃的起始温度，优选温度为950℃。所述上锻模6和下锻模4在锻造过程中的锻模起始温度和应变速率下所具有的屈服强度需大于细晶毛坯5流动应力的3倍以上，因而选用铸造高温合金做锻模材料，优选K403铸造高温合金材料。

步骤3：细晶毛坯5装模定位。卸下隔热环11，开启锻压机9，滑块8沿导柱10向上滑动并通过上砧7带着上锻模6和环形加热炉3的上节脱离下锻模4和环形加热炉3的下节一定的高度，关闭锻压机9。如图3所示，把细晶毛坯5定位于上锻模6、下锻模4之间，装上隔热环11，完成细晶毛坯5的装模定位。在此步骤中环形加热炉3不停止加热。

步骤4：加热细晶毛坯5和上锻模6、下锻模4。利用环形加热炉3对细晶毛坯5和上锻模6、下锻模4进行加热，以减少因上锻模6、下锻模4与细晶毛坯5之间的温差造成细晶毛坯5的热量损失，从而使细晶毛坯5在锻造过程中保持在规定的温度范围内。在加热过程中由于隔热环11挡住了环形加热炉3的上、下节开启造成的炉缝从而可避免炉内的热量散失。

步骤5：细晶毛坯5在空气中的近等温锻造成形。开启锻压机9，滑块8沿导柱10向下滑动使上锻模6和下锻模4按图4所示把细晶毛坯5锻压成形，得到图5所示的盘形锻件12，关闭锻压机9。所述锻造过程在空气中进行，锻造压力为55MN～65MN，细晶毛坯5在锻压过程中的锻造应变速率为0.01s^-1～0.05s^-1，优选0.03s^-1，所述应变速率由滑块8的运动速度来确定。在此过程中，环形加热炉3始终对上锻模6、下锻模4和细晶毛坯5进行加热。

步骤6：盘形锻件12的水冷处理。从锻压机9中取出盘形锻件12，在锻态下进行水冷处理，至此，整个近等温锻造过程结束。盘形锻件12的晶粒度可达美国ASTM标准11级，其内部组织金相结构如图7所示。

本发明所述的近等温锻造是指锻模的加热温度与锻件坯料的加热温度两者的温差在30℃～55℃之间进行的锻造。