CN101070223A - 热加工温控保温材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

一种热加工温控保温材料，为Al₂O₃－SiO₂系氧化物，其组分含量按重量百分比为：Al₂O₃：10～14％，SiO₂：45～52％，CaO：12～16％，Ca、Na₂O：4－8％，B₂O₃：15～22％；该保温材料使用状态的物理形态为微米级粉末或纤维编织物。通过采用本发明的新型复合保温材料和保温技术，对于高温合金、钛合金等在热加工成型过程中需要严格控制变形温度的材料，通过采用在金属坯料表面包覆高粘性复合保温材料(软包套)的方法，达到精确控制锻造温度、减少坯料回炉加热火次、延长每火可锻造时间的目的。

Description

热加工温控保温材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种保温材料及其制备方法和应用，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，特别是高温合金、钛合金等需要严格控制坯料变形温度的情况。

背景技术

高温合金、钛合金在航空航天、国防军工、船舶制造、能源化工等领域得到广泛应用。在现代航空涡轮喷气发动机、火箭发动机、地面发电机组与舰船动力用大型燃气轮机以及化工设备中，工作温度600℃以上的高温承力部件，以及需要在高温氧化腐蚀性介质环境下工作的部件，通常需要采用镍基和铁镍基高温合金制造。钛合金具有轻比重、高力学性能、耐低温的突出优势，因此成为飞机、航天器、潜艇等的理想结构材料。高温合金与钛合金的共同特点是热加工成型难度大，同时材料的最终组织性能对热加工工艺敏感。

镍基高温合金从室温到高温具有稳定的面心立方奥氏体基体，不存在同素异构转变，因此控制热塑性变形过程中的动态再结晶行为，是调整材料微观组织的唯一途径。合金在热加工过程中形成的、对材料性能产生不利影响的各种异常组织，往往无法通过后续热处理工艺进行有效的调整，所以利用变形条件与合金热变形行为之间的关系，通过优化热加工工艺来实现对微观组织的控制就成为重要的手段。对于钛合金而言，通常需要在热加工过程中利用α相与β相之间的同素异形转变，来控制材料的微观组织和力学性能，因此钛合金锻造过程中也需要对变形温度进行严格的控制。综上所述，在高温合金与钛合金部件的制备过程中，能否对材料的热加工变形温度进行有效控制，是实现锻件成型、获得预定组织性能的决定性因素。

对于高合金化、高性能的高温合金与钛合金锻件，都存在可变形温度区间窄、热变形塑性差、变形抗力随着变形温度的降低而大幅度升高的突出问题，不仅材料的热变形塑性急剧恶化，增大了热加工成型的难度，同时合金热变形行为的温度与应变速率敏感性随合金化程度的提高而增大。微观组织演变机制也呈现出新规律、新特点：合金热变形过程中的组织演变不仅受到变形温度、应变速率、应力状态与变形量等变形工艺条件的直接控制，同时合金的变形前热历史、成分偏析、溶质元素行为和固态相变对微观组织的影响更加显著，变形诱导过饱和固溶体分解对相变过程的影响、动态析出相影响位错组态和晶界迁移而导致的动态应变时效效应等多种动力学机制交互作用，呈现出复杂的规律，给微观组织控制带来了极大的困难。微观组织控制对变形工艺条件的要求比材料热变形塑性的限制更加苛刻。上述特征导致合金的锻造成型困难、成材率低。特别是沉淀强化相含量超过40％的镍基高温合金和大尺寸复杂结构钛合金锻件的热加工成型，对锻造温度的控制精度提出了苛刻的要求，热变形塑性许可的变形温度范围通常小于100℃，而微观组织与力学性能所要求的温度范围往往更小，需要采取等温锻造和热模锻造等特殊的工艺措施才能保证锻造成型的顺利实现。

等温锻造工艺是将模具加热至与坯料变形温度接近的高温，坯料的变形过程可以近似认为是热平衡过程，因此可以对材料的变形温度进行精确控制。钛合金等温锻造过程中模具通常需要加热至850℃～1000℃，高温合 金等温锻造过程中模具则需要加热至1000℃～1150℃，模具材料需要采用高温合金、金属间化合物和难熔合金等特种材料，其中Mo合金等模具材料还需要在惰性气体保护条件下工作。由于模具材料的强度随使用温度的升高而下降，同时为了满足等温锻工艺条件的要求、维持锻件的超塑性状态，等温锻造的应变速率通常低于10^-3s^-1。因此等温锻造工艺在较好地解决锻造温度控制问题的同时，也存在生产效率低、生产成本高的问题。对于要求通过应变强化和热机械处理工艺提高性能的材料、大尺寸和复杂结构的锻件、铸锭的自由锻开坯和轧制等变形工艺，以及在对生产效率和生产成本有一定要求的情况下，等温锻造工艺均不能满足要求。

在实际的高温合金与钛合金锻压生产过程中，普通锻造、热模锻造仍然是占主导地位的工艺路线。普通锻造即冷模锻造，由于模具与坯料之间存在温度差，同时坯料在转移和变形过程中会通过辐射和对流向空气中传热，因此为了控制锻造温度，锻件的加热温度选择为许可变形温度范围的上限，同时采用坯料表面包裹保温材料来减缓热量的散失，保温材料的保温效能越高、坯料的转移过程和完成变形所用时间越短，坯料的变形温度就越高，锻造过程中坯料的热量随时间的延长而散失，坯料温度不断下降，其中坯料表面区域由于与空气和模具接触下降较快，中心区域温度下降较慢，变形剧烈的区域由于变形功转化为热量甚至会导致局部温度的上升，坯料各部位温度分布高度不均匀，且总体上随锻造时间的延长而快速下降，因此整个锻造过程中坯料的温度场是一个瞬态场，可锻造时间受到材料最低允许变形温度的限制。在热模锻工艺条件下，模具虽然可以预热到600℃～800℃，但与锻件的变形温度之间仍存在很大差距，锻造过程中仍需要对坯料采取各种保温措施。

目前工业生产中普遍采用的典型保温方法是使用通用石棉绝热材料覆盖在坯料表面，达到减缓坯料因辐射和对流导致的热量损失的目的。在锻造过程中将石棉毯加垫在模具与坯料之间而防止接触传热，遮挡在坯料表面防止与空气间的对流传热。由于高温合金和钛合金的可锻造温度范围很小，坯料的出炉转移时间通常需要精确到秒，因此为了在坯料出炉转移过程中也能实施有效的保温措施，需要在装炉加热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石棉毯约束在坯料表面，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。采用常规石棉保温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与钛合金的热加工过程中得到了广泛的应用，但该方法存在很大的局限性，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的突出问题：

首先是石棉保温材料和不锈钢外套都不能承受任何外力和变形，在锻压开始阶段即破裂，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的剧烈下降，导致锻件相应区域开裂破坏及组织性能异常。其次，不锈钢包套方法不适用于铸锭开坯等需多火次锻造过程，更无法在锤锻工艺中实施，在棒材和管材的热轧，以及在轧环机上轧制大型环件的过程中，也无法采用上述的不锈钢加硅酸铝包套方法。此外，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。高温压锻过程中，由于石棉保温材料受到锻压力的作用，同时所含气体在高温下剧烈膨胀，因而材料会破碎而产生强烈的喷射与飞溅，在空气中形成大量的石棉纤维与粉尘，严重污染环境、危害现场工作人员身体健康。

由于一般性地包裹石棉材料、焊接不锈钢包套等方法不能满足高温合金与钛合金各种热加工工艺对保温材料效能的要求，因此实际工业生产中采用了若干改进措施，主要有以下几类：

为了解决不锈钢硅酸铝复合包套只能在坯料处于冷状态下实施，无法对高温坯料进行包套的问题，出现了利用玻璃在高温下软化而具有粘性的特点，使用玻璃粉将硅酸铝保温毯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，可以解决在每一火次锻后回炉-加热-出炉过程中采取保温措施的问题。但作为化工原料的商品化玻璃粉存在粘性不足、维持粘性状态的温度范围小、腐蚀性强等问题。商品化玻璃原料化学成分复杂，不同批次的成分差异很大，部分原料含有对高温合金与钛合金组织性能具有有害影响的微量元素，若原料成分配比不当，其中的硅、碳、硼等元素在高温下会沿晶界等扩散通道快速向金属坯料内部扩散，严重情况下可能导致锻件因化学成分超范围而报废。商品化玻璃原料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***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。该方法的另一个问题是操作工艺上的困难，为了将玻璃原料刷涂在石棉毯上而使用的水剂粘结剂在干燥后产生硬化，极易破裂和脱落，使石棉毯的搬运、卷曲和使用变得非常困难，为了缓解上述困难，在石棉材料上刷涂玻璃材料与水剂粘结剂时需要避免连续刷涂，即刷涂区域要形成若干独立分割的小区域，使石棉材料能够在一定程度上能够承受弯曲变形而玻璃材料不会因此脱落，造成了实际使用中粘结剂与坯料接触面积减小、粘结不牢固，因此这种利用商品化的化工原料和石棉耐火材料进行包套无论从保温效能和可操作性上都不能完全满足高温合金与钛合金热加工对保温效能的要求。

硅酸铝石棉纤维毯本身不具备足够的延展性，不能在模锻坯料充型的全过程中对坯料进行有效的保温。在模锻工艺中，某些情况下采用玄武岩纤维布替代常规的硅酸铝纤维毯包裹坯料来达到一定的保温作用，由于玄武岩纤维布本身具有一定的柔韧性，在模腔形状复杂的情况下对坯料充形过程的不利影响要小于不锈钢硅酸铝复合包套，但玄武岩纤维布绝热性能不足，其本身虽然具有一定的柔韧性，但不能承受大的变形，当坯料延伸变形以及与模具出现剧烈摩擦时，仍会发生破裂而失去保温效果。

根据以上分析可知，锻件的保温技术是高温合金与钛合金锻件热加工工艺不可分割的组成部分，对锻件顺利成型和获得预定的组织性能具有重要的保证作用，没有保温技术的支撑，某些材料和部件便无法锻造成型，而高效的保温技术，甚至可以促进新材料的开发与热加工工艺的发展。

发明内容

本发明的目的是提供了一种新型的保温材料及其制备方法和应用，可满足高温合金与钛合金材料热加工工艺对保温技术提出的要求。

为了实现上述目的，本发明提出了如下技术方案：

本发明的一个方面是提供了一种热加工温控保温材料，为Al₂O₃-SiO₂系氧化物，其中：组分含量按照重量百分比为：Al₂O₃：10～14％，SiO₂：45～52％，CaO：12～16％，Ca、Na₂O：4～8％，B₂O₃：15～22％；热加工温控保温材料使用状态的物理形态为微米级粉末或纤维编织物。

在800℃～1200℃的温度范围内，保温材料的粘度大于30Pa·S。

该保温材料的微米级粉末室温下为10μm～1001μm粉末。

该保温材料的纤维编织物为将保温材料粉末熔融后制成高温粘性纤维，编织成5mm～30mm厚的纤维毯/或0.5mm～5mm厚的纤维布。

本发明的另一个方面是提供了该热加工温控保温材料的制备方法。

对于纤维编织物是采用喷吹法或甩丝法使保温材料熔融后制成高温粘性纤维，并编织成5mm～30mm厚的纤维毯或0.5mm～5mm厚的纤维布。

高温粘性纤维与常规石棉纤维共同编织形成双层复合纤维毯或布。

通过实压工艺在高温粘性纤维上粘结石棉保温材料形成多层复合纤维毯或布。

多层复合纤维毯或布由包括高温粘性层、阻渗层、耐高温保温层、中温粘性层、高强度基底层的2～8层材料组成，总厚度为0.5mm～10mm，其中在热加工过程中，高温粘性层与坯料接触，高强度基底层与模具接触。

中温粘性层位于耐高温保温层与高强度基底层之间，中温粘性层的组分含量按照重量百分比为：Al₂O₃：10～14％，SiO₂：45～52％，CaO：12～16％，Ca、Na₂O：4～8％，B₂O₃：15～22％。

耐高温保温层为高纯Al₂O₃纤维或添加Zr高纯Al₂O₃纤维的制成。

本发明的第三个方面是提供了该热加工温控保温材料在高温合金锻造中的应用。

将粉末状保温材料喷洒在高温金属坯料的表面，在热加工过程形成0.5mm～10mm高粘性的玻璃态保温层。

在金属坯料表面呈高粘性的玻璃态保温层上粘结其它常规石棉保温材料。

具体而言，本发明对于热加工用保温材料的工艺性能要求为：在锻造过程中在坯料表面形成具有低热流密度与热容量保温层，该保温层在坯料炉内加热、出炉转移、锻造变形全过程中不产生脱落和破裂，将高温金属坯料与空气和模具可靠隔离。

为了满足上述工艺要求，本发明采用的技术手段包括以下几方面：

高粘性保温材料的成分

金属锻件热加工用高粘性保温材料，该材料在室温下为微米级复合粉末，在高温合金与钛合金的热加工温度范围内呈现高粘性的玻璃态。通过将高粘性保温材料粉末喷洒在高温金属坯料的表面，可以在坯料表面熔融形成0.5mm至10mm厚的玻璃态高粘性保温层，该保温层具有低的热导率和热辐射黑度系数，锻造过程中能够有效减缓坯料因辐射、对流和传导引起的热量散失，起到保持和控制锻造温度的作用。

该高粘性保温材料是在Al₂O₃：10-14％，SiO₂：45-52％系氧化物的基础上，通过加入CaO：12-16％，Ca、Na₂O：4-8％，B₂O₃：15-22％等组分控制保温材料的熔点和粘度，采用球磨工艺或电渣冶金造渣工艺制备成微米级粉末(10μm～100μm)。通过调整保温材料化学成分特别是控制低熔点组元的含量，确保该材料在800℃至1200℃很宽的温度范围内保持为粘度大于30Pa·S的高粘性玻璃态，既避免当坯料表面温度较低时保温材料因凝固脆化而剥落，又防止当坯料在炉内加热等高温条件下保温材料因粘度过低而流失，从而使粘性保温层在整个热加工温度范围内牢固地粘结在金属坯料的表面。玻璃态高粘性保温层具有良好的延展性，高温下能够与金属坯料协调变形而不破裂、不脱落，同时具备保温与润滑的双重功能。

为了能够同时满足高保温效能、抗锻压冲击、可自行附着在高温金属坯料表面、能够与坯料协调变形等工艺要求，上述成分的该高粘性保温材料在室温下为微米级复合粉末，通过控制保温材料中低熔点组元的含量，实现对保温材料熔点和粘度的连续调节。该保温层具有低的热导率和热辐射黑度系数，锻造过程中可以有效减缓坯料因辐射、对流和传导引起的热量散失，起到保持和控制锻造温度的作用。熔融玻璃态的高粘性保温层具有良好的延展性，锻造过程中能够与金属坯料协调变形而不破裂、不脱落。高粘性的玻璃态保温层可以产生良好的润滑作用，因此该保温材料同时具备保温与润滑的双重功能。

热加工温控保温材料使用状态的物理形态为微米级粉末或纤维编织物

对于高粘性保温材料粉末，使用时喷洒在高温金属坯料的表面，即可在坯料表面熔融形成0.5mm至10mm厚的高粘性玻璃态保温层，因此使用方便且不受具体工艺条件的限制。采用坯料预热—喷洒保温材料—入炉加热—出炉锻造的方法，高粘性保温可以在坯料出炉转移和锻造成型的全过程中起到良好的保温效果。在铸锭开坯等多火锻造工艺中，每火次回炉加热之前都可以补充喷洒保温材料来强化保温效果。该材料还适用于棒材、管材的轧制与挤压变形工艺，以及在轧环机上轧制大型环形件的过程，在上述成型过程中都很难采用常规的不锈钢、硅酸铝复合包套技术。

对于高粘性保温材料粉末的纤维编织物，采用常规石棉保温材料的生产工艺，即喷吹法或甩丝法，将上述成分的高粘性保温材料作为原料，熔融后制成的长玻璃纤维在高温下转变为高粘性玻璃态，称为高温粘性纤维，将高温粘性纤维编织成厚5mm至30mm厚的纤维毯或0.5mm至5mm厚的纤维布。该纤维毯/布在室温下的强度和柔韧性等机械性能指标与常规的石棉纤维毯或玻璃纤维布接近，高温下该纤维毯/布与粉末状的高粘性保温材料具有相同的物理化学性质，与高温金属坯料接触时转变为高粘性的玻璃态并自行粘结在坯料表面，起到保温和润滑作用。

将高粘性保温材料制成纤维毯/布之后，大大提高了使用的简便性和灵活性，在室温下也可以对金属坯料进行包套，在铸锭开坯等多火次锻造工艺中，采用高粘性保温材料纤维毯/布可以在坯料每火次锻后回炉加热前进行热态包套从而使保温层得到加强，从而在坯料出炉转移和在快锻机上进行压锻时达到最佳的保温效能，因此采用上述工艺可以有效解决多火次锻造过程中的全过程保温问题。

高温粘性纤维制备的双层/多层复合纤维毯或布

将高粘性保温材料采用喷吹或甩丝工艺制成玻璃纤维之后，将该保温材料纤维与常规耐高温石棉纤维(如高纯Al₂O₃纤维)共同编织成双层复合纤维毯/布，该纤维毯/布的一侧为高粘性保温材料，另一侧主要成分为常规耐高温石棉，当该双层复合纤维毯/布的高粘性保温材料一侧与热态金属坯料接触时，高粘性保温材料纤维转变为熔融玻璃态，纤维毯/布另一侧的耐高温石棉纤维与呈玻璃态的高粘性保温材料充分浸润，纤维毯/布从高温金属坯料表面剥离所需的正应力达到0.1MPa，从而将双层复合纤维毯/布牢固地粘结在高温金属坯料表面。粘性层可以根据材料的种类以及锻造工艺要求调节熔点与锻造温度范围内的粘度。本方法可以在单独使用高粘性保温材料的基础上，进一步增强保温效果，或减少高粘性保温材料的使用量，达到降低成本的目的。

在金属坯料表面的高粘性玻璃态保温层上粘结其它常规保温材料进一步 提高保温效果

在使用上述高粘性保温材料的过程中，可以根据情况需要在金属坯料表面的高粘性玻璃态保温层上粘结高纯Al₂O₃石棉等其它常规保温材料来进一步提高保温效果。在将高粘性保温材料与常规保温材料配合使用，或单独使用双层复合纤维毯/布的过程中，高粘性保温材料与耐高温石棉纤维充分浸润，所形成的复合保温层具有良好的延展性，在坯料的加热、转移、锻压过程中牢固地粘结在坯料表面，既不脱落也不破裂，并能够实现与坯料协调变形，确保坯料在整个变形过程中不与空气和模具接触。采用上述材料和使用方法，可以解决棒材、管材和大型环件轧制成型等多种成型工艺过程中的保温问题。

由于玻璃态的高粘性保温层可以将各种石棉纤维和锻造过程中产生的石棉粉尘牢固地粘结在金属坯料表面，从而防止锻造过程中石棉纤维和粉尘向空气中喷射和飞散，在起到保温作用的同时，可以有效防止环境污染、保护现场工作人员的身体健康。

多层复合纤维毯或布的结构

本发明的高粘性保温材料，与具有不同物理化学与机械性能的常规石棉结合料，经过编织、压实后制成用于模锻成型过程的多层复合保温材料。根据合金种类和锻造工艺的具体要求，该多层复合材料由高温粘性层、阻渗层、绝热层、中温粘性层、高强度基底层等2至8层分别具有不同厚度与物理化学性能的材料组成，总厚度为0.5至10mm。高温粘性层在锻造过程中与坯料接触，中温粘性层位于绝热层与基底层之间，均采用高粘性保温材料制备，并通过调整材料中低熔点组元成分控制粘性层具备最佳粘性的温度范围。绝热层采用高纯Al₂O₃纤维制成，在1200℃以下具有很高的绝热性能和延展性。高强度基底层与模具接触，在接近莫来石化学成分的Al₂O₃-SiO₂基础上加入增强剂制成，中温抗压强度大于200MPa，同时具有良好的柔韧性。

采用分层结构和粘性层的作用，使多层复合保温材料具备了承受剧烈变形而不破坏的能力。剪切变形集中在粘性层内，粘性层的润滑作用使绝热层可以与坯料保持协调变形并达到200％以上的应变量，具有高强度和耐磨性的基底层使其能够避免因剧烈摩擦而导致的破坏从而维持复合保温材料的完整性。

该多层复合保温材料用于高温合金与钛合金复杂锻件的模锻成型过程，可将坯料与模具有效隔离，起到控制锻件温度、提高变形均匀性、延长模具使用寿命的作用。可以使高合金化难变形的高温合金与钛合金复杂模锻件的表面质量、微观组织和力学性能得到可靠保证。

作为专用的高效保温材料，本发明还具备以下关键特性：

在锻后冷却过程中，坯料表面的粘性保温层在低于600℃之后会因脆化而从坯料表面自行剥落，易于清理，不会影响锻件的表面质量。

该保温材料具有极低的热腐蚀性，在高温长时间加热过程中，不会对金属坯料的表面质量产生不良影响。由于在坯料表面连续分布的粘性保温层隔绝了空气，因此产生了一定的抗氧化性。实验表明，在相同加热条件下，粘性保温材料保护下的高温合金与钛合金坯料表面的氧化层明显减少，坯料冷却后表面上氧化层随粘性保温层共同脆化剥落的区域，完全保留了加热前的光洁金属表面及细微的原始特征(如车刀纹等)，这表明粘性保温材料不仅没有对金属坯料产生高温热腐蚀，反而起到了明显的防氧化作用，这对部分钛合金精锻件具有重要的意义。

由于对粘性保温材料的化学成分和相组成进行了严格的控制与优化，有效抑制了各化学组元(特别是碳、硼等微量间隙元素)在高温下向金属坯料内部的扩散。通过进行高温合金材料在1150℃保温6小时、钛合金在1000℃保温4小时的实验，并对金属坯料的微观组织观察及化学成分分析表明，没有出现显著的晶间腐蚀倾向性，包括碳、硼等微量间隙元素在内的各种化学成分对金属坯料化学成分的影响层小于0.2mm，保证了保温材料安全使用这一重要前提。

高温合金与钛合金锻件的模锻成型工艺特点决定了其对保温材料及使用方法的特殊要求。为了在模锻成型的全过程中对锻件进行有效的保温，需要保温材料具备以下特性：低热导率，较薄的保温材料层就可以大幅度减小坯料与模具间的热流密度。高抗压强度，良好的柔韧性，分层结构，层间具有协调切向剪切变形的能力，与坯料接触的一侧在压应力作用下能够获得高的延伸率。与模具接触的基底层具备高的抗压强度，锻造过程中与模具紧密压合，防止模具与坯料接触并产生剧烈摩擦，最终导致保温材料的严重破裂。

根据以上的性能要求，采用高粘性保温材料，以及具有不同物理化学与机械性能的常规耐火石棉为原料，编织、压制成用于金属坯料模锻成型过程的多层复合保温材料。根据锻造工艺的需要，该多层复合材料由高温粘性层、阻渗层、耐高温保温层、中温粘性层、高强度基底层，等2至8层分别具有不同物理化学性能的材料组成，总厚度为0.5至10mm。高温粘性层在锻造过程中与坯料接触，中温粘性层位于基底层与绝热层之间，起到粘结复合保温层和协调变形的作用，通过调整材料中低熔点组元成分控制粘性层具备最佳粘性的温度范围。对于高温合金用复合保温材料，高温粘性层与中温粘性层达到最佳粘度的温度区间分别控制在900℃以上和600℃至800℃之间，对与钛合金用保温材料，上述温度范围分别调整为800℃以上和500℃至700℃之间。耐高温保温层由添加Zr的高纯Al₂O₃纤维制成，在1200℃以下具有良好的保温性能和延展性，在粘性层的润滑作用下，可以在坯料达到200％以上的应变量时保持与坯料协调变形而不破裂。高强度基底层由接近莫来石成分的Al₂O₃-SiO₂加入增强粘合剂构成，中温抗压强度大于200MPa，在锻造过程中与模具接触并紧密压合。

在模锻充型过程中，熔融玻璃态的粘性层内产生剪切流动，协调坯料、高温保温层和高强度基底层之间的变形，因此该多层复合保温材料能够在模腔形状复杂、变形剧烈的条件下保持完整性，防止由于保温材料破裂而使坯料与模具直接接触导致坯料温度的快速下降，有效控制锻件大变形量部位的变形温度、延长模具使用寿命。

综上所述，通过采用本发明所发展的系列新型复合保温材料和保温技术，对于高温合金、钛合金等在热加工成型过程中需要严格控制变形温度的材料，通过采用在金属坯料表面包覆高粘性复合保温材料(软包套)的方法，达到精确控制锻造温度、减少坯料回炉加热火次、延长每火可锻造时间的目的。在热加工过程中，可大幅度提高对锻件变形温度的控制能力，延长每火次可锻造时间、减少坯料回炉加热次数，使热模锻造工艺的变形温度控制能力接近等温锻造的水平，大大改善高温合金与钛合金锻件的微观组织和力学性能。本发明在设备条件一定的条件下，对于增强超大尺寸复杂形状锻件的制备能力、提高生产率和产品质量稳定性、降低生产成本具有重要意义，因此对高温合金和钛合金部件不断向更高性能、更高可靠性、长寿命及大型化方向发展，可以起到重要的技术支撑作用。

根据金属锻件种类的不同和热加工工艺的具体要求，可以将高粘性保温材料制成10μm～100μm粉体、多层复合纤维毯或布等多种形式，该保温材料可以自行粘结在高温金属坯料表面并形成高粘性的玻璃态保温层，该保温层具有良好的延展性，在坯料的加热、转移、锻压过程中既不脱落也不破裂，特别是能够实现与坯料的协调变形，确保坯料在整个变形过程中不与空气及模具接触，从而有效减缓坯料的热量散失、提高变形均匀性、延长模具使用寿命。

通过采用本发明研制的高粘性复合保温材料，可以使普通热模锻造工艺的变形温度控制能力接近等温锻造工艺的水平，大幅度改善高温合金与钛合金锻件的微观组织和力学性能，对于提高锻件的生产效率、控制产品质量稳定性和降低生产成本具有重要意义。

附图说明

图1高粘性保温材料对热锻件表面降温速度的影响。

图2锤锻冲击下热锻件表面高粘性保温层的形态。

图3模锻用多层复合保温材料的结构与温度分布。

图4加热炉内包覆复合保温材料的高温合金圆饼毛坯。

图5模锻成型后高温合金涡轮盘锻件表面的复合保温材料形态。

具体实施方案

下面结合附图介绍本发明的具体实施例。

实施例1  本发明高粘性保温材料对热锻件表面降温速度的降低

采用重量为20公斤的GH4742高温合金坯料在5吨电液锤上进行了热锻造对比实验。两支尺寸重量相同的坯料其中一支采用高粘性保温材料，另一支不采取保温措施，在锻锤上进行锻造实验，初始加热温度为1140℃，锻造过程中记录坯料表面温度随时间的变化情况。图1为高粘性保温材料对热锻件表面降温速度的影响，由图1可知采用粘性保温材料后坯料的温度下降速度明显减缓，若将合金的终锻温度需控制在1000℃以上，则不采取保温措施的情况下可锻造时间仅为2分钟，而采用高粘性保温材料后，坯料的可锻造时间延长至5分钟以上，因此保温材料的采用有效控制了锻造温度、延长了可锻时间。图2为锤锻冲击下热锻件表面高粘性保温层的形态，在采用高粘性保温材料情况下，锻造过程中坯料的表面状态，保温材料牢固地粘结在坯料表面，在坯料变形过程中，粘性保温层始终与坯料协调变形，在锤锻冲击载荷的作用下没有出现破裂和脱落。粘性保温层将坯料与空气有效隔离，同时保温层具有低的热辐射系数，坯料表面的色温显著降低，因此该保温材料对减缓金属材料在1000℃以上的高温区间内的热量散失具有显著的作用。根据图1中坯料的温度变化曲线进行的计算表明，在坯料表面高粘性保温层厚度为1mm的情况下，在1000℃至1150℃范围内，金属坯料虽然存在强烈的辐射散热倾向，保温材料仍可将坯料表面散热的平均热流密度控制在20kW·m^-2以下。

为了提高上述高粘性保温材料的效能、改善现场操作简便性以及适应不同种类工艺的要求，将上述的高粘性保温材料作为原料，采用石棉纤维的常规生产工艺，即喷吹法或甩丝法，熔融后制成玻璃纤维，并将该纤维编织成厚5mm至30mm厚的纤维毯，或0.5mm至5mm厚的纤维布。该纤维毯/布在室温下的强度和柔韧性等机械性能指标与常规的石棉纤维毯或玻璃纤维布接近，高温下该纤维毯/布和粉末状态的高粘性保温材料具有相同的物理化学性质，当与高温金属坯料接触时转变为高粘性的玻璃态并自行粘结在坯料表面，起到保温和润滑作用。

实施例2  多层复合保温材料对热锻件表面降温速度的改善

多层复合保温材料具有良好的隔热性能，可以将坯料与模具之间的接触传热热流密度从直接接触条件下的200kW·m^-2减小至使用保温材料时的40kW·m^-2以下。在液压机上进行热模锻成型，其特征应变速率的数量级通常为0.01s^-1至0.1s^-1，盘形锻件模锻成型的总时间一般小于100s，若模具预热温度为600℃，则在上述锻造时间范围内，坯料表面温度下降约为坯料原始温度的10％，例如采用如图3所示的多层保温材料时，当坯料初始温度为1150℃，则锻造成型100s后坯料表面温度仍可以维持在1000℃以上，根据以上分析可知，通过在高温合金与钛合金的模锻成型过程中应用新型复合保温材料，可以使热模锻造工艺的温度控制能力接近等温锻造的水平，在保证高合金化难变形合金成型的同时，使锻件的微观组织与力学性能得到可靠的保证。

高温合金在热加工温度范围内仍具有很高的变形抗力，因此热锻造成型过程中所需的设备载荷远高于普通钢铁材料，锻造直径630mm的GH4169合金直径630mm涡轮盘需要150MN即1.5万吨的静载荷，锻造直径800mm的GH4742合金涡轮盘需要200MN即2万吨的静载荷，而锻造直径1000mm以上的GH4698合金涡轮盘模锻件所需的设备载荷超过300MN，因此锻造设备的能力水平，是制约研制大尺寸高温合金锻件的主要问题之一。通过采用新型保温材料，可以保持模锻成型过程特别是锻造终了阶段的锻造温度，延长可锻造时间，因此对减小设备载荷，提高可锻造部件的最大临界尺寸具有显著的效果。

实施例3  不同热加工条件下本发明保温材料的使用效果

本实施例是在1MJ对击锤上模锻成型燃气轮机用直径1200mm的大尺寸GH4698合金涡轮盘锻件，锻造该锻件所需的总载荷已经达到设备能力极限。在锻锤上没有采用保温措施的条件下，要保持坯料的表面温度高于950℃，允许的锻造时间不超过150s，锤击次数不大于40锤，数值模拟计算和实验都表明，在上述条件下，无法完成锻造成型，锻件不能充满模腔，直径达不到规定的尺寸。只有在保持较高坯料温度的条件下，大幅度延长锻造时间，才能获得预定尺寸的模锻件。

锤锻过程中的高速冲击载荷使常规的不锈钢-硅酸铝包套工艺无法实施，锻造过程中采用了本发明研制的高粘性复合保温材料。圆饼毛坯在900℃预热并包覆粘性保温材料，图4为加热炉内包覆复合保温材料的高温合金圆饼毛坯，坯料在1160℃下加热6小时条件下，保温材料始终保持高粘性，没有发生流淌和脱落现象。实际锻造过程中，在采用粘性保温材料的工艺条件下，锻造时间达到300s，锤击次数超过60锤，锻件表面最低温度仍保持在1000℃以上。粘性保温材料在锻锤的高速冲击和坯料大变形的双重作用下，没有发生脱落和破裂，在减小坯料热量散失的同时，也避免了模具温度的过度升高，对提高模具寿命起到了重要作用。图5为模锻成型后高温合金涡轮盘锻件表面的复合保温材料形态，粘性保温材料仍然完整均匀地分布于模锻件表面，将锻件表面与中心孔内没有粘性保温材料保护的区域进行对比可见色温存在显著差别，保温材料对辐射散热的高效抑制作用大幅度减缓了锻件在高温下的热量散失速度。通过采用高粘性保温材料，锻件的几何尺寸合格、表面质量优良，解剖检验表明，锻件的微观组织与力学性能达到了技术标准要求。

Claims (14)

1.一种热加工温控保温材料，为Al₂O₃-SiO₂系氧化物，其特征在于：

A.其组分含量按照重量百分比为：Al₂O₃：10～14％，SiO₂：45～52％，CaO：12～16％，Ca、Na₂O：4～8％，B₂O₃：15～22％；

B.所述热加工温控保温材料使用状态的物理形态为微米级粉末或纤维编织物。

2.根据权利要求1所述的保温材料，其特征在于：在800℃～1200℃的温度范围内，粘度大于30Pa·S。

3.根据权利要求1所述的保温材料，其特征在于：所述微米级粉末室温下为10μm～100μm粉末。

4.根据权利要求1所述的保温材料，其特征在于：所述纤维编织物为将保温材料粉末熔融后制成高温粘性纤维，编织成5mm～30mm厚的纤维毯/或0.5mm～5mm厚的纤维布。

5.一种热加工温控保温材料的制备方法，其特征在于：

A.其组分含量按照重量百分比为：Al₂O₃：10～14％，SiO₂：45～52％，CaO：12～16％，Ca、Na₂O：4～8％，B₂O₃：15～22％；

B.将所述热加工温控保温材料制备为微米级粉末或纤维编织物。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：对于纤维编织物，是采用喷吹法或甩丝法使保温材料熔融后制成高温粘性纤维，并编织成5mm～30mm厚的纤维毯或0.5mm～5mm厚的纤维布。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：高温粘性纤维与常规石棉纤维共同编织形成双层复合纤维毯或布。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：通过实压工艺在高温粘性纤维上粘结石棉保温材料形成多层复合纤维毯或布。

9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于：多层复合纤维毯或布由包括高温粘性层、阻渗层、耐高温保温层、中温粘性层、高强度基底层的2～8层材料组成，总厚度为0.5mm～10mm，其中在热加工过程中，高温粘性层与坯料接触，高强度基底层与模具接触。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：所述中温粘性层位于耐高温保温层与高强度基底层之间，中温粘性层的组分含量按照重量百分比为：Al₂O₃：10～14％，SiO₂：45～52％，CaO：12～16％，Ca、Na₂O：4～8％，B₂O₃：15～22％。

11.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：所述耐高温保温层为高纯Al₂O₃纤维或添加Zr高纯Al₂O₃纤维的制成。

12.一种根据权利要求1-4之一所述的保温材料在高温合金锻造中的应用。

13.根据权利要求12所述的应用，其特征在于：将粉末状所述保温材料喷洒在高温金属坯料的表面，在热加工过程形成0.5mm～10mm高粘性的玻璃态保温层。

14.根据权利要求13所述的应用，其特征在于：在金属坯料表面呈高粘性的玻璃态保温层上粘结其它常规石棉保温材料。

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