CN101332484B - 一种高温合金的模锻方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温合金的模锻方法，其包括如下步骤：a)模锻坯绝热保温，采用绝热棉包覆模锻坯；b)模锻坯加热，将包覆绝热棉的模锻坯放入加热炉中加热、保温，加热温度900～1200℃，保温时间≥30分钟；c)模具加热，将模具装入压机，在压机的加热炉内将模具加热到600～650℃的工作温度；d)模锻，模锻坯出加热炉输送至油压机或水压机进行模锻，变形量为40～80％，模锻速度为1～5mm/s。本发明解决了现有“复合包套”方式导致模锻坯在加热炉中升温缓慢的缺点，提高了工件保温效果，降低应用保温材料的成本；可以采用较低的模具温度，充分缓解热模锻模具寿命低和制造难度大的问题，制造出细晶要求合金锻件。

Description

一种高温合金的模锻方法

技术领域

本发明涉及高温合金的锻造热加工变形工艺，尤其是指用于如GH4169高温合金的模锻方法。

背景技术

GH4169合金被称为高温合金的支柱，是国际上应用最广泛的高温合金品种；根据GH4169合金产品的晶粒组织，可分为粗晶产品、细晶产品。GH4169合金细晶锻件(具有细晶特征和δ相球化特征)，由于具有良好的低周疲劳性能及高周疲劳性能，良好的强韧化综合平衡性能，在高新动力装置的关键部件或重要部件中获得了广泛的应用。

这种GH4169合金细晶模锻件，为防止在热处理过程中产生晶粒粗化，其热处理的固溶温度应略低于δ相的溶解温度，由于热处理本身不可能实现晶粒的细化及δ相的球化。因此，细晶GH4169合金模锻件在未经热处理状态下，应具有10级或更细的晶粒组织以及球状δ相组织，并应避免模锻件经机加工后的零件存在未再结晶的拉长晶冷模组织(上述苛刻的组织要求是国内外公认的难题)。细晶GH4169合金锻件的模锻热加工工艺主要有二种：一种是采用保温技术进行模锻，简称保温模锻；另一种是采用热模具进行模锻，简称热模锻。

保温模锻，是我国高温合金应用较多的模锻技术。我国在20世纪80年代创新的模锻坯复合包套保温模锻技术，曾为我国系列高温合金模锻件的开发发挥了重要的作用。所谓复合包套保温模锻，就是：首先对模锻坯进行复合包套，将绝热棉包复在模锻坯的表面，再采用不锈钢板包复绝热棉，并焊接不锈钢板接触处；然后，将复合包套的模锻坯在炉中加热，并将加热好的复合包套模锻坯在压机上进行保温模锻。

但是，该方法存在如下缺陷：

1.由于绝热棉与模锻坯之间未粘结成一体，绝热棉包复不锈钢板及焊接不锈钢板时可发生漂移错动，少数绝热棉会发生破损，部分模锻坯难以获得充分有效的隔热保温效果；

2.模锻坯表面用不锈钢板全包复绝热棉后，由于绝热棉导热系数低，复合包套的模锻坯在加热炉中加热时升温过程缓慢，导致模锻坯加热时间太长，在δ相析出峰温度附近经过的时间较长，不利于模锻时δ相的充分球化及δ相数量的合理控制；

3.模具采用合金钢制造，在使用前加热到350℃左右，由于模具的加热温度偏低，加上复合包套不能使模具坯获得足够的保温效果，无法获得无显著冷模组织的模锻件。为保证模锻件成品加工后无冷模组织，模锻坯的余量较大(以保证模锻件机加工后的零件无冷模组织)，零件机加工的材料利用率较低；

4.坯料包复不锈钢板会降低模锻件成形的对称性及尺寸精度。

热模锻：将模具激冷影响降至最低限度的一个途径是采用耐高温模具。这类模具通常是采用铸造镍基高温合金材料(生产实践中，常采用K3铸造高温合金)，根据采用的材料可加热到540℃至830℃。采用较高的模具温度，可以提高模锻坯温度的均匀性，获得良好的显微组织，但模具的制造难度、制造成本及使用寿命与应用需求的矛盾较大。

为实现GH4169合金锻件的细晶要求，GH4169合金模锻坯(细晶坯)的加热温度为990℃(以防止细晶坯加热时晶粒粗化)，在这个加热温度下，GH4169合金模锻时变形抗力很大，约为35kg/mm²，如果模具采用较高的加热温度，将导致模具容易变形，模具使用寿命偏低。曾采用K3铸造高温合金制造的模具模锻细晶GH4169模锻件，模具加热温度为800℃，仅模锻二十几件锻件，模具即发生显著变形。此外，由于铸造高温合金合金化程度很高，熔点较低，铸造模具时防止模具产生疏松、偏析等缺陷的技术难题很大，模具制造成本甚高，我国细晶GH4169合金热模锻技术近年来方取得初步开发，其发展受制于热模锻用的铸造高温合金模具。综上所述，现有的保温模锻和热模锻方法均具有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的是提供一种高温合金的模锻方法，解决现有“复合包套”方式导致模锻坯在加热炉中升温缓慢的缺点，提高绝热棉材料对工件的保温效果及可操作性，并降低应用保温材料的成本；另一方面，实现对工件的良好绝热保温，从而可以采用较低的模具温度，可充分缓解热模锻模具寿命低和制造难度大的问题，最终，制造出细晶要求的如GH4169合金锻件，满足高新动力装置关键部件(或重要部件)的应用要求。

本发明将保温模锻(采用可粘贴绝热棉的保温模锻)及热模锻(采用热模具)组合起来，它不是原有两种模锻技术的原封不动的简单组合，而是根据细晶合金如GH4169合金模锻工艺要素的特点，对原有的两种模锻技术进行合理的变革与改进。一方面相对现有绝热片+不锈钢板复合包套保温模锻技术，解决其“复合包套”方式导致模锻坯在加热炉中升温缓慢的缺点，提高绝热棉材料对工件的保温效果及可操作性，并降低应用保温材料的成本；另一方面，由于应用可粘贴绝热棉可实现对工件的良好绝热保温，从而可以采用较低的模具温度，可充分缓解热模锻模具寿命低和制造难度大的问题。最终，制造出细晶要求的GH4169合金锻件，满足高新动力装置关键部件(或重要部件)的应用要求。

本发明提供的一种生产GH4169合金细晶锻件的模锻技术，将保温模锻、热模锻二种模锻热加工工艺组合，一是模锻时采用可粘贴绝热棉对模锻坯进行绝热保温，二是采用工作温度不高于650℃的热模具；在含有加热炉的热模锻压机上，将GH4169合金模锻坯制造成尺寸规格、性能符合标准要求的GH4169合金细晶模锻件。

具体地，本发明的高温合金的模锻方法，其包括如下步骤：

a)模锻坯绝热保温，采用可粘贴绝热棉，用粘贴的方法将绝热棉包覆模锻坯上；

b)模锻坯加热与保温，将包覆可粘贴绝热棉的模锻坯敞开一面，放入加热炉中加热、保温，加热温度900～1200℃，保温时间≥30分钟；

c)模具加热，将模具装入热模锻压机，并在热模锻压机的加热炉内将模具加热到600℃～650℃的工作温度；

d)模锻，模锻坯出加热炉输送至油压机或水压机进行模锻，变形量为40％～80％，模锻速度为1～5mm/s。

进一步，模锻坯粘贴绝热棉时，模锻坯表面敞开一面绝热棉，以便于模锻坯在加热炉中加热时较快升温。

模锻坯加热到温、保温后，在敞开的一面覆盖可粘贴绝热棉，由于高温下可粘贴绝热棉的内部及一个表面具有高的粘性，覆盖于工件上的可粘贴绝热棉即可粘在工件的表面上。

可粘贴绝热棉全覆盖的高温模锻坯，在出炉及转移至压机模锻的过程中，其运输机械的夹钳与模锻坯的接触部位粘贴可粘贴绝热棉，从而避免运输的夹钳损伤包复在模锻坯上的绝热棉，显著降低运输设备吸取模锻坯的热量。

当模锻坯为圆饼时，用可粘贴绝热棉包复圆饼的一个端面及圆周面，敞开圆饼的另一端面；模锻坯在加热炉加热时，其圆饼敞开一面在炉中朝上。

所述的模锻模具材料采用变形高温合金。

所述的热模锻变形高温合金为变形GH4169合金；采用变形高温合金(变形GH4169合金)取代常规的铸造高温合金(例如，K3铸造高温合金)，显著降低热模锻模具的制造难度；应用于热模锻的耐高温材料模具，关键性能要求在使用温度下具有较高持久强度，从而尽量降低在使用温度下的蠕变变形，提高模具在使用温度下的寿命。当模具温度较高时，铸态高温合金常常为首选模具材料。但经研究，在采用可粘贴绝热棉对工件进行保温的前提下，采用650℃的模具温度即可有效地避免产生明显的冷模组织。而在不超过650℃的温度时，变形GH4169合金也具有高的持久强度。因此，可考虑选用成本与制造难度均较低的变形GH4169合金作为热模锻用模具。

模锻坯的加热要求：模锻坯的最高加热温度应处于δ相的临界溶温度范围内，使针状δ相通过加热溶解为短棒状，为模锻时转化成球状δ相创造必要条件。应尽量减少模锻坯加热时在δ相析出峰温度附近(910℃～940℃)经过的时间，以减少模锻坯加热时δ相的过量析出。对10级细晶要求的模锻件，模锻坯的最高加热温度以990℃±10℃为宜。当加热炉温度达到990℃后，模锻坯方可装炉。

保温模锻部分的工艺要素

应用于保温模锻的可粘贴绝热棉应采用高温下不易粉化的优质绝热毯制造；该绝热棉可从市场获得供应，其组成包括绝热棉、室温粘结剂、高温粘结剂。其中绝热棉为陶瓷耐火纤维毯，具有无机泡沫纤维的高绝热功能的特点，绝热效果很高。弥散分布于绝热棉内的高温粘结剂在(≥800℃)高温下同时具有高的粘贴能力和润滑能力。

高粘度高温粘结剂：可从市场上获得供应。粘贴温度范围：室温至1300℃，室温时可呈糊状，高温下呈固态。在室温下对模锻坯粘贴可粘贴绝热棉时，使用该粘结剂。在高温下粘贴时，则无需采用。

由于上述可粘贴绝热棉为现有技术，在此不再赘述，具体请参见中国专利申请号200510023801.0“可粘贴绝热棉及其制备方法”中的描述。

模锻坯在加热炉中还可以采用敞开一面的加热方式，模锻坯在加热炉加热到温后，在敞开的一面覆盖可粘贴绝热棉，全覆盖可粘贴绝热棉的模锻坯在出炉及转移至压机模锻的过程中，其运输机械的夹钳及模锻坯的接触部位也应粘贴绝热棉。

模锻坯的准备：制备较细晶粒的模锻坯，对10级细晶要求的模锻件，模锻坯的晶粒度应不粗于7级，并避免模锻坯出现魏氏状和密集成堆的针状δ相组织存在。按照普通锻造的方法，可以获得这种组织的坯料。

热模锻部分工艺要素：

采用如变形GH4169合金制造模具，在≤650℃温度下变形GH4169合金具有高的持久强度，当使用温度超过650℃时合金持久强度会迅速下降，故变形GH4169合金模具使用温度以控制在600～650℃为宜。

模锻变形量为40％～80％，模锻速度1～5mm/s，从而通过足够的应变，激活短棒状δ相向球化δ相自动进行的热力学过程。

采用本发明方法模锻的GH4169合金细晶锻件，形状、尺寸符合使用要求。具有10～12级细晶及δ相充分球化的优异组织特征，具有良好平衡的强韧化性能，特别是具有超高周疲劳性能特点。

本发明的有益效果

与现有技术相比：

1、保温技术比较，相对现有绝热片加不锈钢复合包套，本发明显著降低了模锻坯加热的时间；

国内现行的复合包套模锻工艺技术采用不锈钢+绝热片进行包套模锻，能够显著减少工件在转移过程和模锻过程中的辐射降温。主要缺点是成本较高、包套过程操作比较繁琐。由于绝热片的隔热作用，工件加热时升温速度缓慢。本发明的保温模锻工艺环节采用可粘贴绝热棉，一种无机的绝热泡沫材料，具有更好的保温效果；用粘贴的方法将绝热棉覆盖在模锻坯表面，无需再使用不锈钢板包复绝热棉，从而可对模锻坯在炉中采用敞开一面的加热方式，工件可获得较快的升温速度。此外，采用该技术操作更便捷、更有效、成本较低。

参见图1、图2，保温模锻时采用可粘贴绝热棉对模锻坯进行敞开一面加热，相对现行保温模锻时模锻坯的全包复加热，可以大幅度减少坯料所需的加热时间，具有显著节约能源，提高生产效率的作用；同时也大幅度减少坯料在δ相析出峰温度附近经过的时间，有利于模锻时δ相的球化析出，有利于减少δ相在晶内的过多析出，从而有利于提高合金的强韧化性能。

2、模具的润滑：

美国Wyman Gordan公司采用绝热布进行润滑，本发明采用的可粘贴绝热棉内含弥散分布的玻璃粉，在不低于850℃的温度既是一种高粘度的粘结剂，又是一种良好的润滑剂，具有更好的润滑效果。

3、模具：

英国Cameron公司采用IN-100和MarM200，模具耐热性高，使用温度可以达到760℃以上，但模具制造难度大，成本高。在本发明中，由于可粘贴绝热棉保温效果良好，模具温度可降低到不超过650℃，从而可采用变形GH4169合金制造模具。由于大大降低了模具成本和制造难度，解决了热模锻技术开发中的一个瓶颈问题。

4、锻件温度的控制：

美国采用的热模锻工艺尚未完全避免冷模组织的存在，因而进一步采取等温锻造工艺进行IN718合金的模锻；但由于等温锻成本太高，最终仍回归到热模锻工艺。本发明热模具的加热温度虽较低，但由于采用可粘贴绝热棉保温技术，目前生产的模锻件尚未发现明显冷模组织存在。

5、晶粒细化及δ相球化工艺控制：

曾经在80年代试用或采用过如中国专利号96115293，1所介绍的方法，发现了很多弊病。主要表现为δ相析出太多，不利于合金的强韧化控制。

6、有效解决了模锻坯转移过程中的显著降温问题

将保温模锻技术与热模锻技术相融合，相对热模锻而言，可解决已加热模锻坯从出炉运输至压机的转移过程中坯料的显著降温问题，从而也就解决模锻工序中一个重要的质量控制环节问题。

图3为加热至1020℃的GH4169合金棒坯包复与不包复绝热棉在空气中降温趋势对比，从图3可见，一分钟之内，包复绝热的棒坯降温甚小，在采用较快速度模锻情况下，由于部分机械能转化为热能，坯料的温度还会有所回升，这从模锻件无拉长晶的冷模组织的观察中可获得见证，但不包复绝热棉的棒坯降低甚大，导致模锻件出现冷模组织及晶粒组织的显著不均匀性。

7、降低了耐高温模具的制造难度和生产成本

由于采用热模锻与保温模锻相组合的模锻工艺技术，热模具温度可采用600～650℃，因而可使用变形GH4169合金作为模具，显著降低模具的制造难度，并显著提高模具的使用寿命。

8、改善了锻件的组织均匀性，显著消除模锻件的冷模组织

由于具有泡沫纤维特点的可粘贴绝热棉良好的保温效果，可显著降低模锻坯中心至边缘的温度梯度，在锻造过程中可粘贴绝热棉内弥散分布高温粘结剂(玻璃粉)也具有良好的润滑功能，可显著降低工件与模具之间的接触摩擦，从而改善模锻件的组织均匀性，获得无冷模组织的模锻件。

附图说明

图1为φ400×200的GH4169合金圆饼采用可粘贴绝热棉在1500KW电炉中敞开一面加热时的计算机模拟升温曲线图；

图2为同一尺寸圆饼采用复合包套方法全包复绝热棉在同一电炉中加热时计算机模拟升温曲线图；

图3为加热的GH4169合金棒材包覆与不包覆绝热棉时在空气中降温趋势对比图；

图4采用本发明的保温模锻+热模锻的GH4169合金筒体状锻件典型晶粒组织图；

图5采用本发明的保温模锻+热模锻的GH4169合金筒体状锻件典型δ相组织图。

具体实施方式

实施例1：模锻某高新动力装置关键部件用筒体状模锻件。

模锻坯的晶粒度为7～8级，δ相呈球状，少量短棒状。模锻坯形状为圆饼，在常温下应用高粘度高温粘结剂将可粘贴绝热棉粘贴在模锻坯的下端面及圆周，敞开一个端面，装入电阻加热炉，敞开一个端面朝上，加热温度为900～1200℃，且炉温为990℃时高温入炉。模锻坯到温后，敞开的一面覆盖绝热棉并转移至油压机进行模锻，模具的加热温度为600～650℃。模锻过程中对模具继续加热，使模具温度保持不变。模压时，速度为2mm/秒，变形量50％，锻后快速冷却。

检测结果表明，模锻件未发现冷模组织，整体晶粒组织均匀细小，晶粒度为10～12级(见图4)，δ相为呈弥散分布的球状，数量适中，参见见图5。有如此优异的细晶组织与δ相球化组织，显示了本发明技术的合理性与先进性。经试验，该锻件具有优良的超高周疲劳性能，填补了国内一项具有超高周疲劳性能材料产品的空白。

实施例2：模锻具有双组织、双性能的GH4169合金转子锻件。

除模锻坯加热温度为1020℃外，其他工艺要求同实施例1，模锻件无明显冷模组织，具有两种良好组织状态：一种为8级细晶及δ相球化组织，另一种为4～5级细晶及δ相球化组织，从而应用本发明技术在国内首次研发成功技术要求十分苛刻的又一高端材料产品。

实施例3：推广应用于难变形高温合金的模锻

模锻了GH742、GH105、Udimet720等难变形高温合金。粘贴绝热棉的方法同实施例1。模锻坯加热温度为1130～1160℃，模锻终锻温度为≥1050℃。采用K3铸造高温合金制作模具，模具加热温度为800℃～900℃，模压速度为2mm/秒，模锻后表面状态良好，合金组织及性能能满足技术条件要求，实现了难变形合金模锻技术的突破。在模锻工艺上与细晶GH4169合金模锻工艺的区别在于：由于这类高温合金模锻时必须具有高的终锻温度，才能充分避免模锻件出现裂纹，模具的加热温度不宜低于800℃，鉴此，模具应采用铸造高温合金。

实施例4：推广应用于某Ti-Al金属间化合物的模锻。

模锻坯加热温度为1200℃，终锻温度≥1100℃，K3模具加热为950℃，模压速度为1mm/秒，实现了无裂纹模锻，模锻件组织状态良好，实现了某Ti-Al金属间化合物热加工的突破。

Claims (5)

1.一种高温合金的模锻方法，其包括如下步骤：

a)模锻坯绝热保温，采用可粘贴绝热棉，用粘贴的方法将绝热棉包覆模锻坯上；模锻坯为变形GH4169合金；

b)模锻坯加热与保温，将包覆可粘贴绝热棉的模锻坯敞开一面，放入加热炉中加热、保温，加热温度900～1200℃，保温时间≥30分钟；

c)模具加热，模具材料采用变形GH4169合金，将模具装入热模锻压机，并在热模锻压机的加热炉内将模具加热到600℃～650℃的工作温度；

d)模锻，模锻坯出加热炉输送至油压机或水压机进行模锻，变形量为40％～80％，模锻速度为1～5mm/s；得到的模锻件为细晶GH4169合金模锻件，其具有10～12级的细晶组织以及δ相充分球化。

2.如权利要求1所述的高温合金的模锻方法，其特征是，模锻坯粘贴可粘贴绝热棉时，模锻坯朝上的一个表面敞开。

3.如权利要求1或2所述的高温合金的模锻方法，其特征是，模锻坯加热到温、保温后，在敞开的一面覆盖可粘贴绝热棉。

4.如权利要求1所述的高温合金的模锻方法，其特征是，可粘贴绝热棉全覆盖的高温模锻坯，在出炉及转移至压机模锻的过程中，其运输机械的夹钳与模锻坯的接触部位粘贴可粘贴绝热棉，从而避免运输的夹钳损伤包覆在模锻坯上的绝热棉，显著降低运输设备吸取模锻坯的热量。

5.如权利要求1所述的高温合金的模锻方法，其特征是，当模锻坯为圆饼时，用可粘贴绝热棉包覆圆饼的一个端面及圆周面，敞开圆饼的另一端面；模锻坯在加热炉加热时，其圆饼敞开一面在炉中朝上。

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