CN114012012A - 基于耐高温介质的高温合金棒坯镦粗成形装置及其方法 - Google Patents

基于耐高温介质的高温合金棒坯镦粗成形装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于耐高温介质的高温合金棒坯镦粗成形装置及其方法，将与棒坯与耐高温介质放置于挤压筒内进行一次鐓粗成形；所述耐高温介质从挤压筒壁设有的出料孔流出。本发明实现大高径比难变形高温合金的稳态鐓粗变形，同时有效避免合金棒坯变形过程中温度迅速降低而出现开裂缺陷。另外，该成形方法在大变形量鐓粗变形过程中不需要更换模具，而是采用一次锻造成形，减少难变形高温合金鐓粗过程中的加热次数和成形工序，而且在不采用传统等温锻造工艺的情况下可以避免大高径比棒坯在镦粗变形过程中产生失稳或开裂缺陷，节约了成本，提高了生产效率。为小批量大高径比难变形高温合金棒坯的镦粗变形提供了一种新的选择途径。

Description

基于耐高温介质的高温合金棒坯镦粗成形装置及其方法
技术领域
本发明涉及热加工锻造技术领域，提供基于耐高温介质的高温合金棒坯镦粗成形装置及其方法。
背景技术
新一代航空发动机涡轮盘锻件直径一般在Φ400mm以上，盘件锻造需要Φ200mm以上的细晶坯料。但难变形高温合金γ’相含量均较高，这导致合金锭随着直径的增加偏析愈加严重。现阶段难以生产Φ360mm以上的大规格低偏析铸锭，而中等规格铸锭开坯制备Φ200mm以上规格棒材时难以获得较大的变形量，导致棒材晶粒组织粗大。镦粗变形过程是一个不均匀变形的过程，镦粗变形前圆形棒坯的高径比要求不超过2.5～3。在锻造生产过程中，若对高径比大于3的棒坯进行镦粗加工，则在变形过程中容易出现纵向弯曲而失稳，导致产品报废。特别是针对难变形高温合金大尺寸锻件，为了获得优质均匀的细晶棒材，往往需要对铸锭进行大变形量开坯锻造，导致获得的原始棒材直径规格受限，这就使得用于锻造的难变形高温合金棒坯的高径比较大，必须采用镦粗工艺增大棒坯锻造前的尺寸规格。另外，由于难变形高温合金“Al+Ti”含量高，变形工艺窗口窄，变形过程中更容易出现失稳和开裂现象，一般需要采用等温锻造工艺实现棒坯的超塑性变形。
目前，国内学者针对大规格铸锭和棒坯的镦粗变形工艺进行了较为深入的研究。文章“超大高径比棒料连续镦粗工艺及材料变形规律”提出超大高径比棒料连续镦粗的成形工艺，设计带有锥度的凸、凹模对坯料进行镦粗，变形过程中需要对模具结构进行多次拆卸和调整，导致生产周期较长，增加了制造成本。专利“大规格大高径比镁合金铸棒短流程大变形制坯方法”(CN110883122A)采用鐓挤复合短流程大变形制坯模具成形出与原始尺寸相同的圆柱体坯料，但该方法在成形过程中需要更换凸模模具，导致坯料不能连续变形，降低了生产效率。专利“一种大高径比大规格铸坯的一次镦粗成形方法”(CN107552700B)通过采用一次镦粗成形模具，将高径比大于3的圆柱体坯料在变形时刻实际的高径比控制在H/D＜2.5，有效避免“双鼓形”和折叠，实现大规格铸棒的大塑性变形，但该方法鐓粗条件受限，而且鐓粗后的制件需要拆掉上凹模后才能被取出，无法实现连续生产作业，生产效率较低。因此，如何避免大高径比棒坯在镦粗变形过程中产生失稳或开裂缺陷，同时提高生产效率是获得高性能大尺寸高温合金锻件的重要挑战。
发明内容
本发明的目的是：针对上述国内现有的技术状况而设计提供了一种基于耐高温介质控形的大高径比高温合金棒坯镦粗方法，其目的是在难变形高温合金棒坯镦粗过程中通过采用可重复利用的耐高温介质，对棒坯起到径向约束作用的同时还起到了包套保温作用，实现大高径比难变形高温合金的稳态鐓粗变形，同时有效避免合金棒坯变形过程中温度迅速降低而出现开裂缺陷。
本发明的技术方案是：
提供基于耐高温介质的高温合金棒坯镦粗成形装置，棒坯的长径比大于2.5；该方法采用镦粗成形模具包括上模座1、凸模2、挤压筒3、钢垫4、耐高温介质5、棒坯6、支撑环7、浮动套筒8、下模9、下模座13和顶杆15；
所述挤压筒安装固定在下模上；所述顶杆15的下端安装在下模9上，顶杆15的上端封闭所述挤压筒3的下端口；所述挤压筒3的筒壁上间隔一定轴向距离开有压力控制孔；所述棒坯位于所述挤压筒3内，且挤压筒中填充有耐高温介质5，所述棒坯与所述挤压筒3内壁之间为所述耐高温介质5；
所述上模座套装在所述挤压筒3外壁面，并与挤压筒滑动配合；所述凸模封闭所述挤压筒的上端口，所述凸模用于对棒坯施加向下的挤压力，在所述凸模与棒坯之间设置有钢垫4，所述钢垫4与挤压筒内壁滑动配合，用于封闭挤压筒并在挤压力作用下的推动棒坯和耐高温介质5；
所述下模9上设置有浮动套筒8，所述浮动套筒8同样套装在所述挤压筒外壁面上，并与上模存在轴向距离，且所述浮动套筒8和上模座1均能够封闭所述压力控制孔，当压力控制孔被封闭时，耐高温介质5无法从压力控制孔中排出，当所述浮动套筒8和上模座1轴向移动使得压力控制孔暴露时，耐高温介质5能够从压力控制孔中排出；
所述上模通过支撑环支撑在所述浮动套筒8上；
所述浮动套筒8通过垂直位移机构活动的设置在下模9上。
进一步的，所述垂直位移机构为螺杆11，所述螺杆11与所述浮动套筒8螺纹配合，所述螺杆旋转能够带动浮动套筒8在垂直方向位移。优选地，所述螺杆上套有弹簧12，所述弹簧12设置在浮动套筒8与下模9之间。
进一步的，所述耐高温介质5为颗粒物或沙粒。优选为金属颗粒物或金属沙粒。
进一步的，所述棒坯的长径比大于2.5～3。
进一步的，所述顶杆与所述下模之间设置有垫块14。
进一步的，所述挤压筒通过下模镶块10支撑安装在下模上。
本发明中，可以通过调节上模座1和浮动挡料筒8下行高度来封闭挤压筒中不同高度的压力控制孔出料，来控制挤压筒中不同轴向位置的压力，实现对棒坯变形的引导。
基于上述棒坯镦粗成形装置，提供耐高温介质控形的高温合金棒坯镦粗方法，该成形方法中的步骤如下：
步骤1、将颗粒状耐高温介质与棒坯一起置于加热炉中进行加热保温；
步骤2、将耐高温介质和棒坯装入挤压筒3中，以耐高温介质填充棒坯和挤压筒3之间的空隙；
步骤3、使得上模和浮动套筒不封闭最上层的压力控制孔，使得凸模2压着钢垫垂直向下位移，耐高温介质在压力作用下首先从挤压筒上已打开的最上层压力控制孔排出，失去约束作用的棒坯率先在最上层压力控制孔的高度位置产生鼓肚变形；
步骤4、上模座1与浮动套筒8继续向下位移，棒坯中心高度随着变形不断下降，当前打开的压力控制孔被上模座封闭，下一层的压力控制孔被浮动套筒打开，耐高温介质从打开的压力控制孔中排出，使棒坯进一步发生镦粗变形；
步骤5、如果镦粗变形未达到要求，则继续步骤四，若镦粗变形未达到要求，则停止上模座1与浮动套筒8的位移，打开挤压筒，通过顶杆将镦粗后的饼坯锻件顶出挤压筒3，镦粗结束。
优选地，对棒坯进行包套。优选采用不锈钢圆管进行包套。
进一步的，步骤1，保温时间的计算公式为：T保温时间＝L包套直径×1.2min/mm。
本发明的优点是：本发明的棒坯镦粗变形过程中通过采用与其加热到相同温度的耐高温介质对镦粗变形中的坯料起到径向约束作用的同时还起到了良好的保温作用，在不采用传统等温锻造工艺的情况下实现了近等温锻造，避免大高径比棒坯在镦粗变形过程中产生失稳或开裂缺陷。
另外，本发明的方法在大变形量鐓粗变形过程中不需要更换模具，而是采用一次锻造成形，减少难变形高温合金鐓粗过程中的加热次数和成形工序，为小批量大高径比难变形高温合金棒坯的镦粗变形提供了更优选的途径。
附图说明
图1为实施本发明方法的模具的整体结构示意图；
图2a为棒材鐓粗成形初始状态示意图；
图2b为上层排料使得棒材开始变形的示意图；
图2c为棒材鐓粗变形过程示意图；
图2d为棒材鐓粗变形过程示意图；
图2e为棒材鐓粗变形过程示意图；
图2f为棒材鐓粗成形结束示意图；
图3为实施本发明方法后获得的变形高温合金饼坯微观组织形貌；
其中1－上模座，2－凸模，3－挤压筒，4－钢垫，5－耐高温介质，6－棒坯，7－支撑环，8－浮动套筒，9－下模，10－下模镶块，11－螺杆，12－弹簧，13－下模座，14－垫块，15－顶杆。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细说明。
提供基于耐高温介质的高温合金棒坯镦粗成形装置，棒坯的长径比大于2.5；该方法采用镦粗成形模具包括上模座1、凸模2、挤压筒3、钢垫4、耐高温介质5、棒坯6、支撑环7、浮动套筒8、下模9、下模座13和顶杆15；
所述挤压筒安装固定在下模上；所述顶杆15的下端安装在下模9上，顶杆15的上端封闭所述挤压筒3的下端口；所述挤压筒3的筒壁上间隔一定轴向距离开有压力控制孔；所述棒坯位于所述挤压筒3内，且挤压筒中填充有耐高温介质5，所述棒坯与所述挤压筒3内壁之间为所述耐高温介质5；
所述上模座套装在所述挤压筒3外壁面，并与挤压筒滑动配合；所述凸模封闭所述挤压筒的上端口，所述凸模用于对棒坯施加向下的挤压力，在所述凸模与棒坯之间设置有钢垫4，所述钢垫4与挤压筒内壁滑动配合，用于封闭挤压筒并在挤压力作用下的推动棒坯和耐高温介质5；
所述下模9上设置有浮动套筒8，所述浮动套筒8同样套装在所述挤压筒外壁面上，并与上模存在轴向距离，且所述浮动套筒8和上模座1均能够封闭所述压力控制孔，当压力控制孔被封闭时，耐高温介质5无法从压力控制孔中排出，当所述浮动套筒8和上模座1轴向移动使得压力控制孔暴露时，耐高温介质5能够从压力控制孔中排出；
所述上模通过支撑环支撑在所述浮动套筒8上；
所述浮动套筒8通过垂直位移机构活动的设置在下模9上。
进一步的，所述垂直位移机构为螺杆11，所述螺杆11与所述浮动套筒8螺纹配合，所述螺杆旋转能够带动浮动套筒8在垂直方向位移。优选地，所述螺杆上套有弹簧12，所述弹簧12设置在浮动套筒8与下模9之间。
进一步的，所述耐高温介质5为颗粒物或沙粒。优选为金属颗粒物或金属沙粒。
进一步的，所述棒坯的长径比大于2.5～3。
进一步的，所述顶杆与所述下模之间设置有垫块14。
进一步的，所述挤压筒通过下模镶块10支撑安装在下模上。
本发明中，可以通过调节上模座1和浮动挡料筒8下行高度来封闭挤压筒中不同高度的压力控制孔出料，来控制挤压筒中不同轴向位置的压力，实现对棒坯变形的引导。
以高径比为4.17的GH710坯料鐓粗为例，棒坯初始尺寸为D0＝Φ120mm、高度H0＝500mm，鐓粗后目标成形件尺寸为D＝Φ210mm、高度H＝150mm，具体鐓粗步骤如下：
基于上述棒坯镦粗成形装置，提供耐高温介质控形的高温合金棒坯镦粗方法，该成形方法中的步骤如下：
步骤1、将颗粒状耐高温介质与棒坯一起置于加热炉中进行加热保温；防止合金棒坯鐓粗过程中被耐高温介质粘黏或划伤；耐高温介质盛放于高温容器内与棒坯一起放入电阻加热炉中进行加热，所述的耐高温介质为颗粒状刚玉，保温；保温时间的计算公式为：T保温时间＝L包套直径×1.2min/mm。
步骤2、将耐高温介质和棒坯装入挤压筒3中，以耐高温介质填充棒坯和挤压筒3之间的空隙；
步骤3、使得上模和浮动套筒不封闭最上层的压力控制孔，使得凸模2压着钢垫垂直向下位移，耐高温介质在压力作用下首先从挤压筒上已打开的最上层压力控制孔排出，失去约束作用的棒坯率先在最上层压力控制孔的高度位置产生鼓肚变形；
步骤4、上模座1与浮动套筒8继续向下位移，棒坯中心高度随着变形不断下降，当前打开的压力控制孔被上模座封闭，下一层的压力控制孔被浮动套筒打开，耐高温介质从打开的压力控制孔中排出，使棒坯进一步发生镦粗变形；
步骤5、如果镦粗变形未达到要求，则继续步骤四，若镦粗变形未达到要求，则停止上模座1与浮动套筒8的位移，打开挤压筒，通过顶杆将镦粗后的饼坯锻件顶出挤压筒3，镦粗结束。
采用直径Φ130mm×Φ122mm不锈钢圆管进行包套。
压力控制孔的直径为Φ8mm；第一层和下一层的压力控制孔同时打开，(刚开始时，开孔的数量和层数都不要太多，防止同时开启多个出料孔导致棒坯变形出现双鼓肚而失稳)。

Claims (10)

1.基于耐高温介质的高温合金棒坯镦粗成形装置，其特征在于：棒坯的长径比大于2.5；该方法采用镦粗成形模具包括上模座(1)、凸模(2)、挤压筒(3)、钢垫(4)、耐高温介质(5)、棒坯(6)、支撑环(7)、浮动套筒(8)、下模(9)、下模座(13)和顶杆(15)；
所述挤压筒安装固定在下模上；所述顶杆(15)的下端安装在下模(9)上，顶杆(15)的上端封闭所述挤压筒(3)的下端口；所述挤压筒(3)的筒壁上间隔一定轴向距离开有压力控制孔；所述棒坯位于所述挤压筒(3)内，且挤压筒中填充有耐高温介质(5)，所述棒坯与所述挤压筒(3)内壁之间为所述耐高温介质(5)；
所述上模座套装在所述挤压筒(3)外壁面，并与挤压筒滑动配合；所述凸模封闭所述挤压筒的上端口，所述凸模用于对棒坯施加向下的挤压力，在所述凸模与棒坯之间设置有钢垫(4)，所述钢垫(4)与挤压筒内壁滑动配合，用于封闭挤压筒并在挤压力作用下的推动棒坯和耐高温介质(5)；
所述下模(9)上设置有浮动套筒(8)，所述浮动套筒(8)同样套装在所述挤压筒外壁面上，并与上模存在轴向距离，且所述浮动套筒(8)和上模座(1)均能够封闭所述压力控制孔，当压力控制孔被封闭时，耐高温介质(5)无法从压力控制孔中排出，当所述浮动套筒(8)和上模座(1)轴向移动使得压力控制孔暴露时，耐高温介质(5)能够从压力控制孔中排出；
所述上模通过支撑环支撑在所述浮动套筒(8)上；
所述浮动套筒8通过垂直位移机构活动的设置在下模(9)上。
2.根据权利要求1所述的基于耐高温介质的高温合金棒坯镦粗成形装置，其特征在于：所述垂直位移机构为螺杆(11)，所述螺杆(11)与所述浮动套筒(8)螺纹配合，所述螺杆旋转能够带动浮动套筒(8)在垂直方向位移。
3.根据权利要求1所述的基于耐高温介质的高温合金棒坯镦粗成形装置，其特征在于：所述螺杆上套有弹簧(12)，所述弹簧(12)设置在浮动套筒(8)与下模(9)之间。优选地，对棒坯进行包套。优选采用不锈钢圆管进行包套。
4.根据权利要求1所述的基于耐高温介质的高温合金棒坯镦粗成形装置，其特征在于：所述耐高温介质(5)为颗粒物或沙粒。优选为金属颗粒物或金属沙粒。
5.根据权利要求1所述的基于耐高温介质的高温合金棒坯镦粗成形装置，其特征在于：所述棒坯的长径比大于2.5～3。
6.根据权利要求1所述的基于耐高温介质的高温合金棒坯镦粗成形装置，其特征在于：所述顶杆与所述下模之间设置有垫块(14)。
7.根据权利要求1所述的基于耐高温介质的高温合金棒坯镦粗成形装置，其特征在于：所述挤压筒通过下模镶块(10)支撑安装在下模上。
8.根据权利要求1所述的基于耐高温介质的高温合金棒坯镦粗成形装置，其特征在于：压力控制孔的直径为Φ8mm。
9.基于耐高温介质控形的高温合金棒坯镦粗方法，其特征在于：利用根据权利要求1－8之一所述的棒坯镦粗成形装置，该方法包括如下步骤：
步骤1、将颗粒状耐高温介质与棒坯一起置于加热炉中进行加热保温；
步骤2、将耐高温介质和棒坯装入挤压筒(3)中，以耐高温介质填充棒坯和挤压筒3之间的空隙；
步骤3、使得上模和浮动套筒不封闭最上层的压力控制孔，使得凸模(2)压着钢垫垂直向下位移，耐高温介质在压力作用下首先从挤压筒上已打开的最上层压力控制孔排出，失去约束作用的棒坯率先在最上层压力控制孔的高度位置产生鼓肚变形；
步骤4、上模座(1)与浮动套筒(8)继续向下位移，棒坯中心高度随着变形不断下降，当前打开的压力控制孔被上模座封闭，下一层的压力控制孔被浮动套筒打开，耐高温介质从打开的压力控制孔中排出，使棒坯进一步发生镦粗变形；
步骤5、如果镦粗变形未达到要求，则继续步骤四，若镦粗变形未达到要求，则停止上模座(1)与浮动套筒(8)的位移，打开挤压筒，通过顶杆将镦粗后的饼坯锻件顶出挤压筒(3)，镦粗结束。
10.基于耐高温介质控形的高温合金棒坯镦粗方法，其特征在于：步骤1，保温时间的计算公式为：T保温时间＝L包套直径×1.2min/mm。
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