技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鍛造技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種制備難變形高溫合金餅坯盤件等超塑性成形方法。

背景技術(shù)：

提高渦輪部件的耐熱能力是發(fā)展先進(jìn)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的重要基礎(chǔ)。當(dāng)前，可工程應(yīng)用的變形高溫合金中，使用溫度最高的新型難變形鎳基高溫合金Al、Ti含量之和高達(dá)7.5%，加之其合金化程度高，致使鍛造成形性能有待提高。發(fā)掘切實(shí)可行的科學(xué)方法與理論，優(yōu)化其變形參數(shù)獲得超塑性變形工藝并揭示其變形機(jī)理，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的組織性能預(yù)報(bào)，一直是眾多科研工作者追求的目標(biāo)[于秋穎，董建新，張麥倉，鄭磊.難變形高溫合金GH4720Li平衡析出相的熱力學(xué)計(jì)算.稀有金屬材料與工程,2010,39(5):857~861;]。

GH4720Li合金(國外牌號(hào)Udimet720Li)是美國SpecialMetal公司于上世紀(jì)80年代中期通過降低Udimet720合金中Cr、C和B的含量減少有害σ相的析出及碳化物、硼化物和碳氮化合物的形成以提高組織穩(wěn)定性而發(fā)展起來的，早期主要用作燃?xì)鉁u輪葉片材料；隨著高性能發(fā)動(dòng)機(jī)及材料加工制備技術(shù)的發(fā)展，該合金因具有較高的高溫強(qiáng)度、抗疲勞和抗蠕變性能以及良好的耐硫腐蝕和抗氧化性能而逐漸用作650~750℃長期使用或900℃短期使用的高性能渦輪盤材料。目前，美國等已將其廣泛應(yīng)用于先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，如Rolls-Royce公司的BR700渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)及Allison公司的GMA2100、GMA3007、T406和T800等高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)，其中T800發(fā)動(dòng)機(jī)裝配在美國RAH-66“科曼奇”先進(jìn)武裝直升機(jī)上。

該合金主要形成元素Al和Ti含量高達(dá)7.5wt%，γ￠相在服役狀態(tài)下體積分?jǐn)?shù)高達(dá)40%~50%，因此，γ￠相是提供GH4720Li合金強(qiáng)化的最主要途徑，對合金性能以及熱加工行為具有重要影響。該合金服役條件下(經(jīng)1100℃/4h/OQ+650℃/24h/AC+760℃/16h/AC標(biāo)準(zhǔn)熱處理后)的γ￠相組織比較復(fù)雜，呈三種尺寸分布狀態(tài)。一次γ￠相是亞固溶處理后殘存的不規(guī)則大塊狀γ￠相，尺寸一般在1~10μm，主要釘扎于晶界，起到阻礙晶粒長大的作用。因而在一次γ￠相大量存在的條件下，合金晶粒非常細(xì)小，晶粒度級(jí)別一般在ASTM8~12級(jí)。因此，在分析固溶處理對強(qiáng)化相影響時(shí)，應(yīng)該在一次γ￠相完全回溶溫度以上和以下分別考慮，以便控制合金的強(qiáng)化相與晶粒度。二次和三次γ￠相在冷卻過程中析出，并在時(shí)效過程中有所長大，主要分布于晶內(nèi)，起到彌散強(qiáng)化的作用[JacksonMP,ReedRC.HeattreatmentofUDIMET720Li:theeffectofmicrostructureonproperties.MaterialsScienceandEngineeringA,1999,259:85~97]。

然而，由于該合金作為一種典型的難變形高溫合金，其合金化程度高，變形抗力大，可變形溫度窄，因此熱加工時(shí)成型難度很大；對渦輪盤件來說，往往因?yàn)殄懺煸蛟斐慑懺毂P件出現(xiàn)裂紋、嚴(yán)重混晶及晶粒尺寸超標(biāo)的現(xiàn)象，從而造成渦輪盤件報(bào)廢，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至造成運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備及人員的重大損失。鍛造溫度過低，則造成合金盤件產(chǎn)生鍛造裂紋。溫度的控制不當(dāng)，勢必對組織性能造成較大影響。與此同時(shí)，變形速率、變形量及保溫措施等對合金組織也可產(chǎn)生重要影響[LindsleyB,PierronX.Sub-solvusrecrystallizationmechanismsinUDIMETalloy720LI.In:PollockTM,KissingerRD,BowmanRR,eds.Proceedingofthe9thInternationalSymposiumonsuperalloy,Superalloy2000,TMS,Warrendale,PA,2000,59~68;MatsuiT,TakizawaH,KikuchiH.Themicrostructurepredictionofalloy720Liforturbinediskapplication.In:PollockTM,KissingerRD,BowmanRR,eds.Proceedingofthe9thInternationalSymposiumonsuperalloy,Superalloy2000,TMS,Warrendale,PA,2000,59~68]。

因此，綜合考慮合金變形過程中的變形工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)難變形合金易變形化，較為必要和重要。在各種加工成形方法中，超塑性成形以塑性高、變形抗力小、可一次精密成形、模具壽命長、成形零件質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)受到關(guān)注，該成形技術(shù)已在IN100、Inconel718、Waspaloy等多種高溫合金上得到成功應(yīng)用。因此，借助超塑成形工藝實(shí)現(xiàn)新型難變形鎳基高溫合金的易成型能力，是本發(fā)明要解決的目標(biāo)之一。由于超塑性材料應(yīng)力對應(yīng)變速率的高敏感性，才有效抑制了超塑變形中的變形失穩(wěn)，從而使超塑變形材料具有較大的變形能力。研究顯示，一般細(xì)晶超塑變形的實(shí)現(xiàn)需要等軸微細(xì)晶粒、適當(dāng)?shù)臏囟?T＞0.5Tm，Tm為熔化溫度)和特定的變形速率范圍(m＞0.3)[SczerzenieFE,MaurerGE.DevelopmentofUdimet720forhighstrengthdiskapplication[C].In:GellM,KortovichCS,BrickmellRH,eds.Proceedingofthe5thInternationalSymposiumonSuperalloy,Superalloy1984,TMS,Warrendale,PA,1984,573~580]。

為此，該難變形高溫合金超塑性成形方法變成了當(dāng)前研究的重點(diǎn)，也是本發(fā)明中的重要內(nèi)容。該方法的發(fā)明，可實(shí)現(xiàn)難變形合金超塑性成形，對航空航天750℃高溫渦輪盤的快速發(fā)展將起到巨大作用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有的制備一種難變形高溫合金鍛件工藝復(fù)雜、效率低和難于獲得質(zhì)量好、晶粒度分布均勻、無表面裂紋的問題。從而提出了一種實(shí)現(xiàn)難變形高溫合金超塑性成形控制工藝。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種難變形鎳基高溫合金超塑性成形方法，具體包括以下步驟：

1)預(yù)先準(zhǔn)備鍛造合金坯料，合金坯料初始晶粒度小于10μm，且成近等軸晶狀態(tài)存在，備用；

2)選用鍛壓設(shè)備和鍛壓模具，所選用模具材料須能夠在1150℃和鍛造變形時(shí)蠕變強(qiáng)度高于所述鍛造合金坯料強(qiáng)度；

3)利用保溫棉和不銹鋼對所述鍛造合金坯料進(jìn)行包套；

4)將包套好的合金坯料加熱至1040-1120℃，保溫時(shí)間控制在1-16小時(shí)；

5)將坯料在鍛壓設(shè)備上進(jìn)行等溫鍛造，確定鍛壓溫度在1040-1120℃(合金一般在γ￠相全溶溫度以下進(jìn)行，以防止晶粒長大過快)，同時(shí)，變形速率在0.0001-0.005s-1范圍內(nèi)，變形量大于50%進(jìn)行鍛壓，鍛壓完成后空冷。

進(jìn)一步，所述難變形鎳基高溫合金材料的成分按照質(zhì)量百分比為：C：0.01-0.02；Al：2.25-2.75；Ti：4.75-5.25；Co：14.0-15.5；Cr：15.5-16.5；Mo：2.75-3.25；W：1.0-1.5；Fe≤0.5；B：0.01-0.02；Zr：0.025-0.05；S≤0.002；P≤0.015；Ni余量。

經(jīng)過上述方法鍛造可實(shí)現(xiàn)難變形鎳基高溫合金超塑性成形，適用于制造航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤件、環(huán)形件及葉片等高溫?zé)岫瞬考某苄猿尚巍?/p>

本發(fā)明提供了一種難變形高溫合金超塑性成形方法，利用該技術(shù)工藝方法可超塑性制備各種尺寸的難變形高溫合金部件。本發(fā)明其他的特點(diǎn)將在后面對實(shí)例的詳細(xì)介紹中體現(xiàn)，但本發(fā)明的范圍不局限于此優(yōu)選實(shí)施例。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中難變形高溫合金初始組織形貌(a)晶粒組織；(b)強(qiáng)化相形貌。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中超塑性成形與非超塑性成形應(yīng)力對比。

圖3為實(shí)施例1中難變形高溫合金超塑性變形后晶粒組織形貌。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

實(shí)施例1：以鍛造Φ180mm餅坯為例，本實(shí)施例提出一種實(shí)現(xiàn)難變形高溫合金超塑性成形工藝方法，其特征在于具體包括以下步驟：

步驟1：

1）鍛造坯料的準(zhǔn)備，坯料是由γ￠相或與其相關(guān)強(qiáng)化的變形鎳基高溫合金。本優(yōu)選實(shí)施例采用GH4720Li合金，將規(guī)則的Φ100mm×240mm圓柱型棒坯料進(jìn)行硬包套，其初始晶粒尺寸為8μm，且主要化學(xué)成分為C：0.01；Al：2.35；Ti：4.95；Co：15.0；Cr：16.0；Mo：3.05；W：1.2；Fe：0.2；B：0.015；Zr：0.035；S：0.001；P：0.01；Ni余量；

2）選用液壓機(jī)設(shè)備和鍛壓模具，所選用模具材料(高溫合金C：0.01，Cr：16.1，Al：6.2，Mo：9.1，W：6.2，Ta：3.1，Hf：3.2，Ti：2.9，B：0.15，S：0.001，Ni余量)能夠在1150℃以下和鍛造變形下強(qiáng)度高于本鎳基高溫合金；

3）利用保溫棉及不銹鋼對鍛壓坯料進(jìn)行包套；a.首先采用保溫棉將棒料牢固地包裹好棒料；b.然后用裁剪好的不銹鋼板（厚度0.8mm）在保溫棉外側(cè)進(jìn)行硬包套，并將連接處焊牢；

4）將包套好的坯料加熱至鍛造規(guī)定溫度，根據(jù)鍛壓合金的成分和坯料尺寸確定保溫時(shí)間，以上實(shí)施例中坯料加熱為15小時(shí)；

5）將坯料在鍛壓設(shè)備上進(jìn)行等溫鍛造，確定鍛壓溫度在1050℃，同時(shí)，變形速率在0.001s-1，變形量55%進(jìn)行鍛壓，獲得了超塑性成形的餅坯，鍛壓完成后空冷。

鍛壓完成后，其他后續(xù)加工工作包括清理，機(jī)加工等為下一步模鍛盤件做好準(zhǔn)備。

實(shí)施例2：以鍛造Φ180mm餅坯為例，本實(shí)施例提出一種實(shí)現(xiàn)難變形高溫合金超塑性成形工藝方法，其特征在于具體包括以下步驟：

步驟1：

6）鍛造坯料的準(zhǔn)備，坯料是由γ￠相或與其相關(guān)強(qiáng)化的變形鎳基高溫合金。本優(yōu)選實(shí)施例采用GH4720Li合金，將規(guī)則的Φ100mm×240mm圓柱型棒坯料進(jìn)行硬包套，其初始晶粒尺寸為8μm，且主要化學(xué)成分為C：0.0125；Al：2.25；Ti：5.25；Co：15.5；Cr：16.5；Mo：2.75；W：1.5；Fe：0.2；B：0.015；Zr：0.035；S：0.001；P：0.01；Ni余量；

7）選用液壓機(jī)設(shè)備和鍛壓模具，所選用模具材料(高溫合金C：0.01，Cr：16.1，Al：6.2，Mo：9.1，W：6.2，Ta：3.1，Hf：3.2，Ti：2.9，B：0.15，S：0.001，Ni余量)能夠在1150℃以下和鍛造變形下強(qiáng)度高于本鎳基高溫合金；

8）利用保溫棉及不銹鋼對鍛壓坯料進(jìn)行包套；a.首先采用保溫棉將棒料牢固地包裹好棒料；b.然后用裁剪好的不銹鋼板（厚度0.8mm）在保溫棉外側(cè)進(jìn)行硬包套，并將連接處焊牢；

9）將包套好的坯料加熱至鍛造規(guī)定溫度，根據(jù)鍛壓合金的成分和坯料尺寸確定保溫時(shí)間，以上實(shí)施例中坯料加熱為15小時(shí)；

10）將坯料在鍛壓設(shè)備上進(jìn)行等溫鍛造，確定鍛壓溫度在1100℃，同時(shí)，變形速率在0.0025s-1，變形量65%進(jìn)行鍛壓，獲得了超塑性成形的餅坯，鍛壓完成后空冷。

鍛壓完成后，其他后續(xù)加工工作包括清理，機(jī)加工等為下一步模鍛盤件做好準(zhǔn)備。

實(shí)施例3：以鍛造Φ180mm餅坯為例，本實(shí)施例提出一種實(shí)現(xiàn)難變形高溫合金超塑性成形工藝方法，其特征在于具體包括以下步驟：

步驟1：

11）鍛造坯料的準(zhǔn)備，坯料是由γ￠相或與其相關(guān)強(qiáng)化的變形鎳基高溫合金。本優(yōu)選實(shí)施例采用GH4720Li合金，將規(guī)則的Φ100mm×240mm圓柱型棒坯料進(jìn)行硬包套，其初始晶粒尺寸為8μm，且主要化學(xué)成分為C：0.015；Al：2.75；Ti：4.75；Co：14.0；Cr：15.5；Mo：3.25；W：1；Fe：0.2；B：0.015；Zr：0.035；S：0.001；P：0.01；Ni余量；

12）選用液壓機(jī)設(shè)備和鍛壓模具，所選用模具材料(高溫合金C：0.01，Cr：16.1，Al：6.2，Mo：9.1，W：6.2，Ta：3.1，Hf：3.2，Ti：2.9，B：0.15，S：0.001，Ni余量)能夠在1150℃以下和鍛造變形下強(qiáng)度高于本鎳基高溫合金；

13）利用保溫棉及不銹鋼對鍛壓坯料進(jìn)行包套；a.首先采用保溫棉將棒料牢固地包裹好棒料；b.然后用裁剪好的不銹鋼板（厚度0.8mm）在保溫棉外側(cè)進(jìn)行硬包套，并將連接處焊牢；

14）將包套好的坯料加熱至鍛造規(guī)定溫度，根據(jù)鍛壓合金的成分和坯料尺寸確定保溫時(shí)間，以上實(shí)施例中坯料加熱為15小時(shí)；

15）將坯料在鍛壓設(shè)備上進(jìn)行等溫鍛造，確定鍛壓溫度在1120℃，同時(shí)，變形速率在0.005s-1，變形量75%進(jìn)行鍛壓，獲得了超塑性成形的餅坯，鍛壓完成后空冷。

鍛壓完成后，其他后續(xù)加工工作包括清理，機(jī)加工等為下一步模鍛盤件做好準(zhǔn)備。

本發(fā)明不局限于本說明書中所列的特殊具體實(shí)施例，可以進(jìn)行各種改變和修正，而不背離所附權(quán)利要求書中定義新概念的宗旨和范圍。