CN112275817A - 一种高温合金铸锭的等通道转角挤压开坯方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高温合金铸锭的等通道转角挤压开坯方法，所述方法包括如下步骤：步骤1)将所述高温合金铸锭包套形成锭坯；步骤2)对锭坯进行多次的等通道转角挤压，且每次等通道转角挤压时，都先将锭坯和模具的预热后送入挤压通道内，且在挤压杆与所述锭坯之间设置耐高温柔性垫；步骤3)将所述锭坯外部的包套去除。本发明主要针对涡轮盘用难变形高温合金开坯过程存在的棒坯易开裂、变形不充分和细晶组织难获得等难题，解决了单一变形温度和有限变形量难以获得均匀细晶组织的技术瓶颈，弥补了难变形高温合金制坯工艺的不足。

Description

一种高温合金铸锭的等通道转角挤压开坯方法
技术领域
本发明涉及高温合金热加工领域，具体为一种高温合金铸锭的等通道转角挤压开坯方法，特别难变形的镍基高温合金。
背景技术
高合金化的新型镍基高温合金因优异的承温、承载能力成为航空发动机涡轮盘的首选材料，该类合金在普通变形高温合金的基础上进一步提高合金化程度以提高材料的高温性能和使用温度，这主要靠提高Al、Ti等γ′相形成元素来实现。合金化程度的不断提高造成材料热加工塑性急剧恶化，热加工非常困难。一般认为，Al+Ti含量超过6％、γ′相含量超过40％即为难变形高温合金，如何通过优化合金制备技术，突破其临界变形门槛，是难变形高温合金及其涡轮盘技术的关键。
高温合金均质细晶棒材是制备涡轮盘的基础，而均匀细晶组织的获得依赖铸锭经过大变形破碎铸态枝晶和细化晶粒。难变形高温合金热工艺塑性很低，变形极易开裂，常规快锻开坯在技术难度和工艺成本上已越来越难以适应开坯要求。近年来，国内挤压装备和技术不断进步，高温合金热挤压开坯受到越来越多的关注。热挤压通过对坯料施加三向压应力使得热加工塑性提高，开裂风险降低，利用热挤压制备难变形高温合金棒材成为极具潜力的方法。然而，常规挤压“短粗进、细长出”的变形特点使得难以对棒坯反复挤压以充分细化晶粒，制备均质细晶棒材急需一种不减径的“截面扩展型”挤压方法。
等径角挤压(ECAP)作为具有代表性的大塑性变形方法，可使坯料截面不发生变化而获得大的剪切变形，并可通过反复挤压来获得足够大的累积变形以使材料组织发生细化。目前ECAP已用于热加工温度低、变形抗力小的铝、镁、铜等有色金属的细晶化开坯，相比而言，难变形高温合金热加工温度高、工艺窗口窄、塑性差且组织转变规律复杂，采用ECAP工艺对难变形高温合金铸锭开坯，技术难度非常大。
发明内容
本发明的目的是：解决难变形高温合金开坯过程存在的棒坯易开裂、变形不充分和细晶组织难获得等问题，制备具有均质细晶组织的难变形高温合金棒材，以满足航空发动机高性能涡轮盘的使用需求。
本发明的技术方案是：
提供一种高温合金铸锭的等通道转角挤压开坯方法，所述高温合金为镍基高温合金，且所述镍基高温合金的Al+Ti含量在6％以上，γ′相含量在40％以上；等通道转角挤压模具的内交角为120°～150°，等通道转角挤压模具的外接弧角为30°～60°；
所述方法包括如下步骤：
步骤1)将所述高温合金铸锭包套形成锭坯，并进行初始预热，初始预热的预热时间为T＝锭坯直径D×时间系数t，时间系数t为0.6min/mm～1.6min/mm；
步骤2)对锭坯进行多次的等通道转角挤压，且每次等通道转角挤压后，都对锭坯和模具再次预热，且在挤压杆与所述锭坯之间设置耐高温柔性垫；
步骤3)将所述锭坯外部的包套去除。
进一步的，所述多次的等通道转角挤压包括第一温度挤压和第二温度挤压，且第一温度挤压为多次，第二温度挤压为多次，第一温度的范围为相变点温度+(5～20)℃，第二温度的范围为相变点温度+(－50～－20)℃。更进一步的，每次第一温度的等通道转角挤压，所述锭坯均进行周向旋转，旋转角度θ为θ＝360°/M，M为第一温度的等通道转角挤压次数。更优选地，第一温度的等通道转角挤压次数为3～12。更进一步的，每次第二温度的等通道转角挤压，所述锭坯均进行周向旋转，旋转角度θ为θ＝360°/Q，Q为第二温度的等通道转角挤压次数。更优选地，第二温度的等通道转角挤压次数为3～12。
进一步的，在最后一次等通道转角挤压时以第一温度进行挤压，挤压后使得锭坯降至第二温度。
进一步的，所述耐高温柔性垫为石墨垫、云母垫或粘土垫。
进一步的，在每次等通道转角挤压之前都在锭坯外表面涂覆润滑剂。
进一步的，每次等通道转角挤压，所述锭坯均进行周向旋转，旋转角度θ为θ＝360°/N，N为等通道转角挤压次数。
进一步的，每次等通道转角挤压后的再次预热的预热时间为T2＝锭坯直径D×时间系数t，时间系数t为0.4min/mm。道次间保温过程中先前热变形获得的再结晶晶粒会发生长大，这不利于棒材周向组织的均匀性控制，通过控制道次间保温时间0.4min/mm，可使热回炉的棒坯刚好热透而不至于引起晶粒的明显粗化。
本发明方法的基本原理是选择小锭型铸锭制备ECAP锭坯，通过模具结构参数和变形工艺路径的选择来使锭坯获得均匀分布的道次变形量和累积变形量，另外，还能够进一步配合跨相区差异化温度变形工艺，实现锭坯铸态组织破碎与组织细化，最终得到均质细晶棒材。
针对模具挤压内交角过小，则应变集中于内侧，过大则无法获得足够的道次变形量，外接弧角过小则易造成外侧变形死区，过大则易导致外侧变形不充分；本发明提出的模具参数范围可使棒坯获得均匀平缓的道次变形量，也避免了包套局部剧烈剪切变形而发生起皱、开裂，从而保证了变形了平稳性和可持续性。另外，本发明通过控制挤压路径中N(挤压道次)×θ(周向旋转角度)＝360°，保证棒坯周向累积变形的均匀一致。(2)跨相区ECAP变形工艺设计。难变形高温合金铸态枝晶组织发达，需要较高温度(γ相区)的大变形才能充分破碎，但高温不利于晶粒细化，通常细晶组织的获得需要经过(γ+γ′)两相区大变形，但单纯的两相区变形易造成枝晶组织残留，不利于组织均匀性控制。跨相区变形兼顾γ相区高温剪切变形破碎铸态枝晶组织和(γ+γ′)两相区低温变形细化晶粒的作用，棒坯可依次完成铸态组织－变形态组织－变形态细晶组织的逐渐过渡。(3)控时保温工艺。
本发明的优点是：本发明主要针对涡轮盘用难变形高温合金开坯过程存在的棒坯易开裂、变形不充分和细晶组织难获得等难题，创新采用跨相区ECAP变形工艺制备难变形合金棒材。相比于快锻开坯，解决了棒坯锻造开裂和混晶难题，降低了技术风险和工艺成本；相比于常规热挤压工艺，解决了单一变形温度和有限变形量难以获得均匀细晶组织的技术瓶颈，弥补了难变形高温合金制坯工艺的不足。
附图说明
图1是等通道转角挤压的示意图；
其中：1－挤压杆、2－耐高温隔热垫、3－铸锭、4－钢质包套、5－挤压通道。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细说明。
实施例1，Φ160mm规格GH4065A合金(相变点1145℃)细晶棒材制备；
锭坯制备，采用线切割截取Φ180mm锭型的GH4065A合金自耗锭604mm长，车外圆至Φ174mm，平端面至600mm长。钢质包套包括前堵头、后堵头和中间套筒，中间套筒内径Φ175mm，外径Φ195mm，长度600mm，前堵头外径Φ195mm，厚55mm，其中一侧端面倒圆角R10mm，另一侧端面用于与套筒组装，后堵头外径Φ195mm，厚25mm，将自耗锭置入套筒后与前、后堵头组装并焊接成整体，形成外径Φ195mm，长度680mm的锭坯。
模具加工：挤压筒内径Φ200mm，内交角135°，外接弧角45°。
锭坯外表面涂覆玻璃润滑剂，自然晾干。
锭坯预热，锭坯在500℃以下入电炉中，分别在750℃、1000℃保温后升至等通道转角挤压的第一温度，各温度保温160min。
模具预热，锭坯出炉挤压前10min，依次取出3支随炉加热的不锈钢假料对挤压通道预热，每支预热时间不少于3min，最终预热至不低于300℃。
等通道转角挤压，挤压的第一温度为1155℃，第二温度为1110℃，挤压速度为60mm/s，道次间保温时间78min，第一温度挤压道次6次，周向旋转角度60°；第二温度挤压道次6次，周向旋转角度60°；石墨垫外径Φ199mm，厚度50mm。挤压后空冷。
车削去除包裹高温合金的钢皮，精整外缘，获得Φ160mm细晶棒材。
实施例2，Φ130mm规格GH720Li合金(相变点1150℃)细晶棒材制备；
锭坯制备，采用线切割截取Φ150mm锭型的GH720Li合金自耗锭502mm长，车外圆至Φ145mm，平端面至500mm长。中间套筒内径Φ146mm，外径Φ175mm，长度500mm，前堵头外径Φ175mm，厚50mm，其中一侧端面倒角15mm×45°，，另一侧端面用于与套筒组装，后堵头外径Φ175mm，厚50mm，将自耗锭置入套筒后与前、后堵头组装并焊接成整体，形成外径Φ175mm，长度600mm的锭坯。
模具加工：挤压筒内径Φ180mm，内交角120°，外接弧角30°。
锭坯外表面涂覆玻璃润滑剂，自然晾干。
锭坯预热，锭坯到温入炉，在等通道转角挤压的第一温度保温140min。
模具预热，采用辅助预热装置将模具预热至350℃。
等通道转角挤压，第一温度为1155℃，第二温度为1100℃，挤压速度为30mm/s，道次间保温时间70min，第一温度挤压道次4次，周向旋转角度90°；第二温度挤压道次4次，周向旋转角度90°；石棉板外径Φ149mm，厚度30mm。挤压后包覆硅酸铝纤维毡缓冷。
车削去除钢皮，精整外缘，获得Φ130mm细晶棒材。

Claims (10)

1.一种高温合金铸锭的等通道转角挤压开坯方法，其特征在于：所述高温合金为镍基高温合金，且所述镍基高温合金的Al+Ti含量在6％以上，γ′相含量在40％以上；等通道转角挤压模具的内交角为120°～150°，等通道转角挤压模具的外接弧角为30°～60°；
所述方法包括如下步骤：
步骤1)将所述高温合金铸锭包套形成锭坯；
步骤2)对锭坯进行多次的等通道转角挤压，且每次等通道转角挤压时，都先将锭坯和模具的预热后送入挤压通道内，且在挤压杆与所述锭坯之间设置耐高温柔性垫；
步骤3)将所述锭坯外部的包套去除。
2.如权利要求1所述的一种高温合金铸锭的等通道转角挤压开坯方法，其特征在于：所述多次的等通道转角挤压包括第一温度挤压和第二温度挤压，且第一温度挤压为多次，第二温度挤压为多次，第一温度的范围为相变点温度+(5～20)℃，第二温度的范围为相变点温度+(－50～－20)℃。
3.如权利要求1所述的一种高温合金铸锭的等通道转角挤压开坯方法，其特征在于：在最后一次等通道转角挤压时以第一温度进行挤压，挤压后使得锭坯降至第二温度。
4.如权利要求1所述的一种高温合金铸锭的等通道转角挤压开坯方法，其特征在于：所述耐高温柔性垫为石墨垫、云母垫或粘土垫。
5.如权利要求1所述的一种高温合金铸锭的等通道转角挤压开坯方法，其特征在于：在每次等通道转角挤压之前都在锭坯外表面涂覆润滑剂。
6.如权利要求1所述的一种高温合金铸锭的等通道转角挤压开坯方法，其特征在于：每次等通道转角挤压，所述锭坯均进行周向旋转，旋转角度θ为θ＝360°/N，N为等通道转角挤压次数。
7.如权利要求2所述的一种高温合金铸锭的等通道转角挤压开坯方法，其特征在于：每次第一温度的等通道转角挤压，所述锭坯均进行周向旋转，旋转角度θ为θ＝360°/M，M为第一温度的等通道转角挤压次数。
8.如权利要求2所述的一种高温合金铸锭的等通道转角挤压开坯方法，其特征在于：每次第二温度的等通道转角挤压，所述锭坯均进行周向旋转，旋转角度θ为θ＝360°/Q，Q为第二温度的等通道转角挤压次数。
9.如权利要求7所述的一种高温合金铸锭的等通道转角挤压开坯方法，其特征在于：第一温度的等通道转角挤压次数为3～12。
10.如权利要求8所述的一种高温合金铸锭的等通道转角挤压开坯方法，其特征在于：第二温度的等通道转角挤压次数为3～12。
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