CN114054532A - 一种提升挤压制造镍基合金棒料材料利用率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提升挤压制造镍基合金棒料材料利用率的方法，属于高温合金热加工技术领域，解决了现有技术中的大直径镍基合金挤压棒料变形不均匀、材料利用率低的问题。所述方法在待挤压的圆柱形锻坯的头部设置圆柱形垫片，待挤压的圆柱形锻坯的尾部设置圆环形垫片。本发明的方法实现了大直径镍基合金棒料挤压均匀变形、材料利用率提高的稳定性制造。

Description

一种提升挤压制造镍基合金棒料材料利用率的方法

技术领域

本发明涉及金属加工技术领域，尤其涉及一种提升挤压制造镍基合金棒料材料利用率的方法。

背景技术

镍基合金是一种含镍大于30％的γ相为基体的高温合金，时效型镍基合金以具有面心立方结构的γ′相和体心立方结构的γ″相为析出强化相，在600℃以上具有优良的高强度、抗氧化性、良好的韧性和延展性、良好的焊接性能以及很好的机械加工性能，在燃气轮机、航空发动机、深海油井等领域均具有极为广泛的应用。

航空航天用镍基合金棒料对组织均匀性、晶粒尺寸、晶粒度级差等具有非常高的要求，目前国内大规格细晶棒料一般采用快锻的方式生产。由于挤压过程的应力状态复杂，其应力的不均匀性也会对组织控制带来很大的影响，尤其是坯料整体组织的不均匀性，都将增加镍基合金热挤压过程的组织控制难度。棒材挤压时头部一部分区域为自由面，变形量很小，尾部未完全通过挤压模的变形区及定径带，从而保留了较多的坯料组织，造成首尾与中段晶粒度级差大于2级，难以满足航空航天用细晶棒料的要求。供货时需切除首尾两端一部分棒料，导致材料利用率较低，由于高温合金中镍、铬、钼等昂贵金属较多，从而造成生产成本居高不下。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种提升挤压制造镍基合金棒料材料利用率的方法，用以解决现有技术中镍基合金挤压棒料变形不均匀、材料利用率低的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本申请公开了一种提升挤压制造镍基合金棒料材料利用率的方法，在待挤压的圆柱形锻坯的头部设置圆柱形垫片，待挤压的圆柱形锻坯的尾部设置圆环形垫片。

进一步的，提升挤压制造镍基合金棒料材料利用率的方法包括：

步骤1、采用自由锻镦粗或闭式镦粗的方式对镍基合金铸锭进行开坯及制坯处理；

步骤2、对制坯完成的镍基合金坯料进行表面机械加工，车掉黑皮和表面缺陷，获得圆柱形锻坯；

步骤3、将圆柱形垫片焊接到圆柱形锻坯的头部，将圆环形垫片设置到圆柱形锻坯的尾部，得到组合坯料；其中，所述圆柱形垫片、圆柱形锻坯和圆环形垫片的轴心对齐；

步骤4、对组合坯料进行加热，加热温度为930～1080℃，组合坯料热透后继续保温1～4h，然后出炉进行热挤压。

进一步的，所述步骤3中，所述圆柱形垫片的直径等于圆柱形锻坯的直径。

进一步的，所述步骤3中，所述圆柱形垫片的高度为40～100mm。

进一步的，所述步骤3中，所述圆环形垫片的高度为100～300mm。

进一步的，所述步骤3中，所述圆环形垫片的内径为圆柱形锻坯的直径的1/4～1/2。

进一步的，所述步骤2中，还包括将圆柱形垫片的一端进行倒圆角，所述圆角的半径为r20～r50mm。

进一步的，在所述步骤3中，所述圆柱形垫片和圆环形垫片的材质均为奥氏体不锈钢。

进一步的，所述步骤4中，热挤压前对组合坯料进行润滑剂处理，润滑剂包括玻璃垫和涂覆于圆柱形锻坯及圆柱形垫片表面的玻璃粉，玻璃垫置于挤压模与圆柱形垫片之间。

进一步的，所述步骤4中，热挤压时，挤压比为2～9，挤压速度为5～30mm/s。

进一步的，所述圆柱形垫片、圆柱形锻坯和圆环形垫片同轴设置。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

(1)本发明的方法通过在待挤压的圆柱形锻坯的头部设置圆柱形垫片，挤压开始时圆柱形垫片可对挤压坯的头部产生反向作用力，进而将传统挤压坯头部的自由面区域的两向压应力一向拉应力改善为与挤压坯其他部位相同的三向压应力，从而增加了头部的变形量，使坯料整体应变更加均匀，减小轴向晶粒度级差(例如，头部、尾部与中段的晶粒度级差小于或等于1级)。

(2)本发明的方法通过在待挤压的圆柱形锻坯的尾部设置圆环形垫片，改善了传统挤压方式的缩尾现象并可将圆柱形锻坯的材料全部从挤压模挤出，大大提高了圆柱形锻坯(材料为昂贵的镍基合金材料)的利用率(例如，材料利用率达到90％以上)，降低生产成本。

(3)本发明的方法中圆柱形垫片和圆环形垫片均采用奥氏体不锈钢，奥氏体不锈钢与镍基合金这两种金属的变形温度区间相近，且较容易焊接，另外这两种金属材料可使用相同型号的润滑剂，为挤压操作带来方便。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书实施例以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明的组合挤压坯料示意图；

图2为本发明采用的挤压模的双锥模示意图；

图3为传统方法的棒材挤压时的尾部缩尾示意图；其中(a)为剖视图之一；(b)为另一个视角的剖视图；

图4为本发明的方法的挤压时的示意图。

附图标记：

1-圆柱形垫片，2-圆柱形锻坯，3-圆环形垫片，4-双锥模入口处，5-定径带。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

航空航天用镍基合金棒料对组织均匀性、晶粒尺寸、晶粒度级差等具有非常高的要求，目前国内大规格细晶棒料一般采用快锻的方式生产。由于挤压过程的应力状态复杂，其应力的不均匀性也会对组织控制带来很大的影响，尤其是坯料整体组织的不均匀性。现有的棒材挤压时挤压模采用双锥模，如下图2所示，模角组合为60°和45°，模角之间采用圆弧过渡，R30mm，模角与定径带之间采用圆弧过渡，R100mm。发明人在实践中经过深入研究发现：棒材挤压时头部的一部分区域为自由面，变形量很小，尾部未完全通过挤压模的变形区及定径带，从而保留了较多的坯料组织，且棒料直径越大缩尾现象越严重，如下图3所示。造成首尾与中段晶粒度级差大于2级，难以满足航空航天用细晶棒料的要求。供货时需切除首尾两端一部分棒料，导致材料利用率较低，由于航空航天用镍基高温合金中镍、铬、钼等昂贵金属较多，从而造成生产成本居高不下。

本发明公开了一种提升挤压制造镍基合金棒料材料利用率的方法，上述方法在待挤压的圆柱形锻坯2的头部设置圆柱形垫片1，待挤压的圆柱形锻坯2的尾部设置圆环形垫片3。

与现有技术相比，本发明通过在待挤压的圆柱形锻坯的头部设置圆柱形垫片，挤压开始时圆柱形垫片可对挤压坯的头部产生反向作用力，进而将传统挤压坯头部的自由面区域的两向压应力一向拉应力改善为与挤压坯其他部位相同的三向压应力，从而增加了头部的变形量，使坯料整体应变更加均匀，减小轴向晶粒度级差。通过在待挤压的圆柱形锻坯的尾部设置圆环形垫片，改善了传统挤压方式的缩尾现象并可将圆柱形锻坯的材料全部从挤压模挤出，大大提高了圆柱形锻坯(材料为昂贵的镍基高温合金材料)的利用率，降低生产成本。

具体的，一种提升挤压制造镍基合金棒料材料利用率的方法，包括：

步骤1、采用自由锻镦粗或闭式镦粗的方式对镍基合金铸锭进行开坯及制坯处理；

步骤2、对制坯完成的镍基合金坯料进行表面机械加工，车掉黑皮和表面缺陷，获得圆柱形锻坯；

步骤3、将圆柱形垫片焊接到圆柱形锻坯的头部，将圆环形垫片设置(例如焊接)到圆柱形锻坯的尾部，得到组合坯料；其中，圆柱形垫片、圆柱形锻坯和圆环形垫片三者的轴心对齐；

步骤4、对组合坯料进行加热，加热温度为930～1080℃，组合坯料热透后继续保温1～4h，然后出炉进行热挤压得到镍基合金棒料。其中，热挤压前对组合坯料进行喷涂润滑剂处理；如图4所示，挤压时，圆柱形垫片端(即头部)先进入挤压模。

具体的，上述步骤1中，开坯时的加热温度过高会导致坯料发生热裂现象；过低时由于材料变形抗力增大而变形困难，同时增加了压机的吨位要求。因此，控制开坯时的加热温度为900～1200℃(例如，900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃、1200℃)。开坯变形量过大很容易导致坯料开裂，并且在镦粗时发生失稳现象；过小则起不到破碎铸态组织的作用，单一火次的变形量较小时，需要增加变形火次，从而导致生产成本增大、生产效率降低。因此，控制开坯变形量为20％～50％(例如，20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％)。

具体的，上述步骤1中，制坯时的温度过高会导致晶粒长大，为后续挤压控制晶粒度带来困难；过低则金属变形抗力增大，需要的设备吨位增大。因此，控制制坯时的加热温度为1060～1120℃(例如，1060℃、1070℃、1080℃、1090℃、1100℃、1110℃、1120℃)。制坯变形量过大会导致坯料变形时失稳，锭身产生折叠等缺陷，后续需机加工清除，造成材料利用率降低，成本增大。因此，要根据目标挤压坯料直径来确定开坯后棒料的直径，控制制坯时的变形量小于70％。

具体的，上述步骤2中，圆柱形锻坯的直径D为300～900mm(例如300mm、350mm、400mm、450mm、500mm、550mm、600mm、650mm、700mm、750mm、800mm、850mm、900mm)。

具体的，上述步骤2中，为了获得表面质量良好的圆柱形锻坯，控制圆柱形锻坯的整体光洁度为Ra6.3。

具体的，上述步骤3中，为了保证组合坯料能够顺利进行挤压，圆柱形垫片1的直径等于或略小于双锥模入口处4的最大直径。

具体的，上述步骤3中，圆柱形锻坯2的直径D等于圆柱形垫片1的直径，可避免圆柱形垫片1的直径太大时边缘被圆柱形锻坯2边缘的尖角剪切断裂，而断裂的垫片部分会卡在挤压模处将挤压件(即圆柱形锻坯2)表面划伤；并且如果圆柱形垫片1的直径大于圆柱形锻坯2的直径，挤压时，垫片会包覆在坯料头部，造成镍基合金棒料头部直径变细，起不到提高材料利用率的目的。

具体的，上述步骤3中，圆柱形垫片1的高度H₁过大会导致挤压后垫片包住挤压件的头部，造成挤压件的头部直径尺寸不足；过小则垫片很容易变形从而起不到给挤压件头部施加反向作用力的目的。因此，控制圆柱形垫片1的高度H₁为(1/15～1/6)D，具体为40～100mm(例如40mm、50mm、60mm、70mm、80mm、90mm、100mm)。

具体的，上述步骤3中，为了让组合坯料更容易进入挤压模，避免发生“闷车”现象，减小破壳力；需要将圆柱形垫片的头部进行倒圆角。

具体的，上述步骤3中，圆柱形垫片1的圆角半径过大时不能进一步减小破壳力，同时加工圆角需要的工时增加，降低生产效率；过小则起不到倒圆角的目的。因此，控制圆角半径为r20～r50mm。

具体的，上述步骤3中，将圆柱形垫片1的无倒圆一面焊接到圆柱形锻坯一端上。

需要说明的是，上述步骤3中，圆柱形锻坯的尾部设置圆环形垫片3而不是圆柱形垫片是因为如果尾部设置圆柱形垫片，挤压完成后垫片会进入到挤压件的缩尾内部，必须从缩尾顶点处将挤压棒料的缩尾以及垫片材料锯掉。会造成材料的浪费，起不到加垫片的作用。尾部加圆环形垫片可以减轻挤压棒料的缩尾现象。

具体的，上述步骤3中，圆环形垫片3的内径过大即环形部分的“高厚比”较大，在巨大的挤压力作用下垫片会失稳而产生折叠；过小则起不到减轻挤压缩尾的目的。因此，控制圆环形垫片3的内径为圆柱形锻坯2的直径的η倍，根据不同锭形、不同牌号合金发生缩尾的难易程度选取η值的范围为1/4～1/2。

具体的，上述步骤3中，圆环形垫片3的高度H₂过大会造成垫片材料没必要的浪费；过小则不能将挤压锻坯全部挤出模具。实际生产中可根据模具变形区和定径带内的体积推算圆环形垫片3的高度H₂，即H₂需满足下式：

式中：α为模角，双锥模则为两个角的平均值；λ为挤压比；x为定径带5的长度；R为圆柱形锻坯2的半径。式(1)可简化为：

上式没有考虑模具变形区入口及出口处的倒圆，为了将圆柱形锻坯2全部从模具中挤出，计算出圆环形垫片3的高度H₂后向上取整。因此，控制圆环形垫片3的高度H₂为100～300mm，例如100mm，120mm，150mm，170mm，200mm，220mm，250mm，270mm，300mm。

具体的，上述步骤3中，圆柱形垫片1和圆环形垫片3的材质为奥氏体不锈钢，这是因为奥氏体不锈钢与镍基合金这两种金属的变形温度区间相同或相近(例如，这两种金属的初始变形温度相差小于60℃)，且较容易焊接，另外这两种金属材料可使用相同型号的润滑剂，为挤压操作带来方便。

具体的，上述步骤3中，在垂直挤压机上挤压且操作方便时，圆环形垫片3也可不与圆柱形锻坯2焊接，圆环形垫片3的加热温度可低于圆柱形锻坯2的加热温度50～100℃，这样可增加圆环形垫片3的强度，有利于缩尾的进一步减小。挤压时圆环形垫片3先放在挤压杆上，与挤压杆对中，再将圆柱形锻坯2置于圆环形垫片3上并对中，然后挤压。

具体的，上述步骤4中，为了防止圆柱形锻坯2和垫片高温加热时产生氧化皮，导致出炉后涂不上玻璃润滑剂，同时也可减少“除鳞”工序。组合坯料入炉前在其表面喷涂防氧化涂料。防氧化涂料的厚度要适中，由于入炉加热时涂料有烧损，太薄了不能起到防氧化的效果，涂料太厚了会烧结并脱落。

具体的，上述步骤4中，热挤压前对组合坯料进行润滑剂处理，润滑剂包括玻璃垫和涂覆于圆柱形锻坯2及圆柱形垫片1表面的玻璃粉，玻璃垫置于挤压模与圆柱形垫片1之间。

具体的，上述步骤4中，挤压比太小时不能充分发挥挤压工艺通过大变形来细化晶粒组织的优势；挤压比太大则需要模具具有很高的强度和硬度，且模具的磨损增加，减少模具寿命，造成成本增加，另外会增大挤压机的吨位需求，不具有普适性。挤压速度太慢，坯料的散热时间增加，导致坯料表面温度降低、变形抗力增大，挤压后期可能挤不动；挤压速度太快则摩擦力增大，导致挤压力增大，同时变形速度太快不利于再结晶细化晶粒。因此，控制热挤压时挤压比为2～9，如2、4、6、9等，挤压速度为5～30mm/s，如5mm/s、10mm/s、15mm/s、20mm/s、25mm/s、30mm/s。

具体的，上述步骤4中挤压后得到的镍基合金棒料的镍基合金棒料的组织均匀细小，头部、尾部与中段的晶粒度级差小于或等于1级。

具体的，上述步骤4中挤压后得到的镍基合金棒料的材料利用率达到90％以上。

实施例1

本实施例提供了一种提升挤压制造镍基合金棒料材料利用率的方法，本实施例用于制备直径为Φ300mm的镍基合金细晶棒料。

包括以下步骤：

步骤1、利用自由锻水压机采用自由镦粗的方式对镍基合金Φ508mm铸锭进行开坯锻造：铸锭经均匀化处理后将温度降到1100℃，待铸锭温度均匀后出炉进行开坯，开坯变形量为40％，镦粗后进行规圆，保证坯料直径为600mm。

步骤2、对制坯完成的坯料进行表面机械加工，车掉黑皮和表面缺陷，坯料整体光洁度为Ra6.3，得到圆柱形锻坯。

步骤3、加工出一个不锈钢圆柱形垫片和一个不锈钢圆环形垫片，圆柱形垫片的高度为60mm，圆柱形垫片的一端倒圆角，圆角半径r30mm；圆环形垫片的高度为180mm，内径为圆柱形锻坯直径的1/3。将圆柱形垫片无倒圆一面焊接到圆柱形锻坯一端上，将圆环形垫片焊接到圆柱形锻坯另一端，保证三者轴心对齐。

步骤4、在焊接好的组合坯料表面喷涂防氧化涂料，涂料干结后入炉加热，加热温度为1020℃，组合坯料热透后继续保温3h，然后出炉进行热挤压，挤压前组合坯料表面涂覆玻璃润滑剂，焊接有圆柱形垫片的一端(头部)先进入挤压模，将玻璃润滑垫夹在挤压模与圆柱形垫片之间，挤压速度为20mm/s，整体挤压比为4。

考虑到挤压完成后头部的不锈钢圆柱形垫片一般很容易脱落，头部的圆弧状凸起减轻，组合坯料全部被挤出，尾部有部分合金金属包覆不锈钢垫环，将粘连的不锈钢垫环全部切除。通过此方法生产的棒料，头尾质量均良好，表面质量良好，机加工量很小，可实现圆柱形锻坯的92％的材料利用率。棒料有效区轴向晶粒度为5～6级，晶粒度级差为1级，镍基合金棒料的整体组织均匀性好。

实施例2

本实施例用于制备直径为Φ150mm的镍基合金细晶棒料。

步骤1、铸锭经均匀化处理后利用自由锻液压机采用镦粗+拔长的方式进行制坯，制坯加热温度为1080℃，镦粗变形量为50％，镦粗后拔长至Φ350mm。

步骤2、将坯料进行表面机加工处理，去除黑皮和缺陷，获得表面光整的圆柱形锻坯(即挤压坯)。

步骤3、用奥氏体不锈钢加工出一个圆柱形垫片和一个圆环形垫片，圆柱形垫片的高度为40mm，一端倒圆角；圆环形垫片的高度为150mm，内径为挤压坯料直径的1/4。将圆柱形不锈钢垫片未倒圆角一面焊接到挤压坯的一端，焊接时两者轴心重合。圆环形垫片不进行焊接。

步骤4、将组合坯料加热到990℃，将圆环形垫片加热到930℃，入炉前表面均匀喷涂防氧化涂料，坯料均温后继续保温2h，然后出炉进行热挤压，挤压前坯料表面涂覆玻璃润滑剂，焊接有圆柱形垫片的一端先进入挤压模，将玻璃润滑垫置于挤压模和圆柱形垫片之间。挤压速度30mm/s，挤压比5.5。

挤压后头部的不锈钢圆柱形垫片自动脱落，棒料头部圆帽状凸起较小；组合坯料全部挤出，将尾部粘连的不锈钢垫环全部切除。棒料有效区轴向晶粒度为5.5～6.5级，级差1级。经测量计算，与不加垫片的传统挤压方式相比，本申请可将镍基合金的材料利用率提高到94％。

需要强调的是，本发明提供的提升挤压制造镍基合金棒料材料利用率的方法适用于各种尺寸的镍基棒料挤压成形，尤其在挤压坯料较短而挤压比较小以及挤压模模角较小时，可明显降低棒料轴向晶粒度级差、提高高温合金的材料利用率。获得从头到尾组织均匀、晶粒度级差小于或等于1级的合金棒料。

实施例3

本实施例用于制备直径为Φ300mm的镍基合金棒料。

包括以下步骤：

步骤1、利用自由锻水压机采用自由镦粗的方式对镍基合金Φ660mm铸锭进行开坯锻造：铸锭经均匀化处理后将温度降到1120℃，待铸锭温度均匀后出炉进行开坯，开坯变形量为30％，镦粗后进行规圆，保证坯料直径为900mm。

步骤2、对制坯完成的坯料进行表面机械加工，车掉黑皮和表面缺陷，坯料整体光洁度为Ra6.3，得到圆柱形锻坯。

步骤3、加工出一个不锈钢圆柱形垫片和一个不锈钢圆环形垫片，圆柱形垫片的高度为100mm，圆柱形垫片的一端倒圆角，圆角半径r50mm；圆环形垫片的高度为200mm，内径为圆柱形锻坯直径的1/3。将圆柱形垫片无倒圆一面焊接到圆柱形锻坯一端上，将圆环形垫片焊接到圆柱形锻坯另一端，保证三者轴心对齐。

步骤4、在焊接好的组合坯料表面喷涂防氧化涂料，涂料干结后入炉加热，加热温度为1080℃，组合坯料热透后继续保温4h，然后出炉进行热挤压，挤压前组合坯料表面涂覆玻璃润滑剂，焊接有圆柱形垫片的一端(头部)先进入挤压模，将玻璃润滑垫夹在挤压模与圆柱形垫片之间，挤压速度为10mm/s，整体挤压比为9。

考虑到挤压完成后头部的不锈钢圆柱形垫片一般很容易脱落，头部的圆弧状凸起减轻，组合坯料全部被挤出，尾部有部分合金金属包覆不锈钢垫环，将粘连的不锈钢垫环全部切除。通过此方法生产的棒料，头尾质量均良好，表面质量良好，机加工量很小，可实现圆柱形锻坯的90％的材料利用率。棒料有效区轴向晶粒度为5～6级，晶粒度级差为1级，镍基合金棒料的整体组织均匀性好。

实施例4

本实施例用于制备直径为Φ400mm的镍基合金细晶棒料。

包括以下步骤：

步骤1、利用自由锻水压机采用自由镦粗的方式对镍基合金Φ760mm铸锭进行开坯锻造：铸锭经均匀化处理后将温度降到1150℃，待铸锭温度均匀后出炉进行开坯，开坯变形量为40％，镦粗后进行规圆，保证坯料直径为600mm。

步骤2、对制坯完成的坯料进行表面机械加工，车掉黑皮和表面缺陷，坯料整体光洁度为Ra6.3，得到圆柱形锻坯。

步骤3、加工出一个不锈钢圆柱形垫片和一个不锈钢圆环形垫片，圆柱形垫片的高度为80mm，圆柱形垫片的一端倒圆角，圆角半径r40mm；圆环形垫片的高度为300mm，内径为圆柱形锻坯直径的1/2。将圆柱形垫片无倒圆一面焊接到圆柱形锻坯一端上，将圆环形垫片焊接到圆柱形锻坯另一端，保证三者轴心对齐。

步骤4、在焊接好的组合坯料表面喷涂防氧化涂料，涂料干结后入炉加热，加热温度为1000℃，组合坯料热透后继续保温3h，然后出炉进行热挤压，挤压前组合坯料表面涂覆玻璃润滑剂，焊接有圆柱形垫片的一端(头部)先进入挤压模，将玻璃润滑垫夹在挤压模与圆柱形垫片之间，挤压速度为15mm/s，整体挤压比为2.25。

考虑到挤压完成后头部的不锈钢圆柱形垫片一般很容易脱落，头部的圆弧状凸起减轻，组合坯料全部被挤出，尾部有部分合金金属包覆不锈钢垫环，将粘连的不锈钢垫环全部切除。通过此方法生产的棒料，头尾质量均良好，表面质量良好，机加工量很小，可实现圆柱形锻坯的90％的材料利用率。棒料有效区轴向晶粒度为4.5～5.5级，晶粒度级差为1级，镍基合金棒料的整体组织均匀性好。

实施例5

本实施例用于制备直径为Φ350mm的镍基合金细晶棒料。

包括以下步骤：

步骤1、利用自由锻水压机采用自由镦粗的方式对镍基合金Φ480mm铸锭进行开坯锻造：铸锭经均匀化处理后将温度降到1140℃，待铸锭温度均匀后出炉进行开坯，开坯变形量为50％，镦粗后进行规圆，保证坯料直径为700mm。

步骤2、对制坯完成的坯料进行表面机械加工，车掉黑皮和表面缺陷，坯料整体光洁度为Ra6.3，得到圆柱形锻坯。

步骤3、加工出一个不锈钢圆柱形垫片和一个不锈钢圆环形垫片，圆柱形垫片的高度为50mm，圆柱形垫片的一端倒圆角，圆角半径r20mm；圆环形垫片的高度为200mm，内径为圆柱形锻坯直径的1/4。将圆柱形垫片无倒圆一面焊接到圆柱形锻坯一端上，将圆环形垫片焊接到圆柱形锻坯另一端，保证三者轴心对齐。

步骤4、在焊接好的组合坯料表面喷涂防氧化涂料，涂料干结后入炉加热，加热温度为1050℃，组合坯料热透后继续保温4h，然后出炉进行热挤压，挤压前组合坯料表面涂覆玻璃润滑剂，焊接有圆柱形垫片的一端(头部)先进入挤压模，将玻璃润滑垫夹在挤压模与圆柱形垫片之间，挤压速度为25mm/s，整体挤压比为4。

考虑到挤压完成后头部的不锈钢圆柱形垫片一般很容易脱落，头部的圆弧状凸起减轻，组合坯料全部被挤出，尾部有部分合金金属包覆不锈钢垫环，将粘连的不锈钢垫环全部切除。通过此方法生产的棒料，头尾质量均良好，表面质量良好，机加工量很小，可实现圆柱形锻坯的91％的材料利用率。棒料有效区轴向晶粒度为5～6级，晶粒度级差为1级，镍基合金棒料的整体组织均匀性好。

对比例1

本对比例提供了一种传统的挤压制造镍基合金棒料的方法，包括以下步骤：

步骤1、利用自由锻水压机采用自由镦粗的方式对镍基合金Φ508mm铸锭进行开坯锻造：铸锭经均匀化处理后将温度降到1100℃，待铸锭温度均匀后出炉进行开坯，开坯变形量为30％，镦粗后进行规圆，保证坯料直径为600mm。

步骤2、对制坯完成的坯料进行表面机械加工，车掉黑皮和表面缺陷，将坯料头部一端进行倒圆角，圆角半径为r100mm，坯料整体光洁度为Ra6.3，得到圆柱形锻坯。

步骤3、在圆柱形锻坯表面喷涂防氧化涂料，涂料干结后入炉加热，加热温度为1020℃，坯料热透后继续保温3h，然后出炉进行热挤压，挤压前坯料表面涂覆玻璃润滑剂，坯料的头部先进入挤压模，将玻璃润滑垫夹在挤压模与坯料的头部之间，挤压速度为20mm/s，整体挤压比为4。

本对比例得到的棒料的头部晶粒度为3级，中间的晶粒度为5级，尾部的晶粒度为2级，整体的组织均匀性较差。将头部和尾部全部切除，材料利用率为78％。

对比例2

本对比例提供了一种挤压制造镍基合金棒料的方法，其步骤与实施例1的类似，不同之处在于：步骤3中，圆柱形锻坯的尾部焊接的也是圆柱形垫片而不是圆环形垫片。

本对比例得到的棒料的头部晶粒度为5级，中间的晶粒度为6级，尾部的晶粒度为3.5级，整体的组织均匀性较差。将头部和尾部全部切除，材料利用率为82％。

实施例1-5和对比例1-2的结果表明，采用本发明的提升挤压制造镍基合金棒料材料利用率的方法能够使坯料整体应变更加均匀，减小轴向晶粒度级差(例如级差在1以下)；能大大提高昂贵的镍基合金材料的利用率(例如，利用率90％以上)，降低生产成本。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种提升挤压制造镍基合金棒料材料利用率的方法，其特征在于，在待挤压的圆柱形锻坯(2)的头部设置圆柱形垫片(1)，待挤压的圆柱形锻坯(2)的尾部设置圆环形垫片(3)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括：

步骤1、采用自由锻镦粗或闭式镦粗的方式对镍基合金铸锭进行开坯及制坯处理；

步骤2、对制坯完成的镍基合金坯料进行表面机械加工，车掉黑皮和表面缺陷，获得圆柱形锻坯；

步骤3、将圆柱形垫片(1)焊接到圆柱形锻坯(2)的头部，将圆环形垫片(3)设置到圆柱形锻坯(2)的尾部，得到组合坯料；其中，所述圆柱形垫片(1)、圆柱形锻坯(2)和圆环形垫片(3)的轴心对齐；

步骤4、对组合坯料进行加热，加热温度为930～1080℃，组合坯料热透后继续保温1～4h，然后出炉进行热挤压。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，所述圆柱形垫片(1)的直径等于圆柱形锻坯(2)的直径。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，所述圆柱形垫片(1)的高度为40～100mm。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，所述圆环形垫片(3)的高度为100～300mm。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，所述圆环形垫片(3)的内径为圆柱形锻坯(2)的直径的1/4～1/2。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，还包括将圆柱形垫片的一端进行倒圆角，所述圆角的半径为r20～r50mm。

8.根据权利要求1-7所述的方法，其特征在于，在所述步骤3中，所述圆柱形垫片(1)和圆环形垫片(3)的材质均为奥氏体不锈钢。

9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤4中，热挤压前对组合坯料进行润滑剂处理，润滑剂包括玻璃垫和涂覆于圆柱形锻坯(2)及圆柱形垫片(1)表面的玻璃粉，玻璃垫置于挤压模与圆柱形垫片(1)之间。

10.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤4中，热挤压时，挤压比为2～9，挤压速度为5～30mm/s。

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