高溫合金雙性能盤輾壓成形工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種高溫合金雙性能渦輪盤的輾壓成形工藝。該工藝的主要特征是使用雙面輾壓成形技術(shù)和感應(yīng)加熱方法在高溫狀態(tài)下進(jìn)行渦輪盤輾壓成形，能夠一次成形出盤件的外形和產(chǎn)生雙性能的晶粒度分布。該工藝使用的高溫合金盤坯可以是熱等靜壓后的粉末盤坯，也可以是由經(jīng)過鍛造的鑄錠盤坯，要求盤坯晶粒不能過于粗大，粉末盤坯無疏松缺陷，顆粒之間焊合良好。與現(xiàn)行普遍使用的等溫鍛造+雙重組織熱處理工藝相比，這種高溫合金雙性能渦輪盤的制造方法的技術(shù)優(yōu)勢是同時形成盤件的幾何形狀與雙組織雙性能，免除了雙重組織熱處理工藝，工藝流程短，數(shù)控操作，工藝穩(wěn)定，無模成形，低載荷，低成本，易于工業(yè)應(yīng)用。
【專利說明】高溫合金雙性能盤輾壓成形工藝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高溫合金雙性能渦輪盤的輾壓成形工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]在現(xiàn)有技術(shù)中，無論是鑄錠坯料，還是粉末盤坯，國內(nèi)外普遍使用整體模鍛工藝成形渦輪盤。整體模鍛工藝包括普通模鍛、差溫鍛造和等溫鍛造。等溫鍛造可以提高盤件組織性能的均勻性，但模具成本很高。雙性能盤分為雙合金雙性能盤與單合金雙性能盤。雙合金雙性能盤是用持久、抗蠕變的粗晶合金制作輪緣部位，用高強度的細(xì)晶合金制作輪轂部位，將兩部分通過焊接、熱等靜壓復(fù)合或超塑性鍛造等方法連接起來就制成了雙合金雙性能盤。這種盤的制造工藝技術(shù)難點在于如何避免盤緣和盤心兩種合金可能成為裂紋源的“弱連接”和單合金雙性能盤不存在“弱鏈接”問題，但是用整體模鍛方法做不出所要求的晶粒度梯度分布?，F(xiàn)有兩種制造單合金雙性能盤的方法，第一種方法是用細(xì)晶粉末坯和特殊熱處理爐，使盤心保持低溫細(xì)晶，使輪緣保持高溫和晶粒長大，在過渡區(qū)有一個合理的溫度分布。該技術(shù)關(guān)鍵是設(shè)計盤心絕熱或冷卻裝置。國際上制造單合金雙性能盤的典型工藝是用等溫鍛造(ITF)制成細(xì)晶粉末坯，再通過雙重組織熱處理(DMHT)獲得雙性能盤。由于渦輪盤自身熱傳導(dǎo)的作用，在盤心和輪緣之間保持長時間較大溫差是一件很困難事情。另一種方法是使用細(xì)晶粉末坯，只鍛中心與過渡區(qū)，外緣只感應(yīng)加熱不鍛造，造成晶粒長大；其缺點是，外緣不鍛造有空隙缺陷，很難保持心部穩(wěn)定低溫。
[0003]盤件雙面輾壓是一種高溫成形新技術(shù)，其優(yōu)勢是載荷低、無模、柔性、數(shù)字化控制，工藝穩(wěn)定。對應(yīng)的雙面輾壓成形設(shè)備已被授權(quán)實用新型專利(專利號Z1200720195059.6)。通常盤件和輾壓頭在加熱爐內(nèi)一起加熱，進(jìn)行等溫輾壓。最近一個盤型件雙面輾壓成形感應(yīng)加熱技術(shù)已申報發(fā)明專利(申請?zhí)?01110399183.5)，這項技術(shù)實現(xiàn)了盤件的可控、非均溫輾壓成形。本發(fā)明將上述兩種技術(shù)用于制造高溫合金雙性能渦輪盤，發(fā)明重點是具體成形工藝。
[0004]
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了一種高溫合金雙性能渦輪盤的輾壓成形工藝。該工藝的技術(shù)特征是:所使用的高溫合金盤坯可以是熱等靜壓后的粉末盤坯，也可以是由經(jīng)過鍛造的鑄錠盤坯，要求盤坯晶粒不能過于粗大，粉末盤坯無疏松缺陷，顆粒之間焊合良好。使用雙面輾壓成形技術(shù)和感應(yīng)加熱方法在高溫狀態(tài)下進(jìn)行渦輪盤輾壓成形，能夠一次成形出盤件的外形和產(chǎn)生雙性能的晶粒度分布。
[0006]這是一種全新的高溫合金雙性能渦輪盤的制造方法，與現(xiàn)行普遍使用的等溫鍛造+雙重組織熱處理工藝相比，它的優(yōu)勢是同時形成盤件的幾何形狀與雙組織雙性能，免除了雙重組織熱處理工藝，工藝流程短，數(shù)控操作，工藝穩(wěn)定，無模成形，低載荷，低成本，易于工業(yè)應(yīng)用。[0007]該工藝成形高溫合金雙性能渦輪盤的原理是:通過控制盤件的溫度分布、應(yīng)變速率分布和應(yīng)變分布來控制渦輪盤各部位的變形過程、動態(tài)再結(jié)晶過程、動態(tài)晶粒長大過程，由此獲得形狀、組織都合格的雙性能渦輪盤。
[0008]該工藝的設(shè)計方法是:根據(jù)盤件的幾何形狀和所要求的晶粒度分布計算盤件成形時所需要的溫度分布、應(yīng)變分布和應(yīng)變速率分布，據(jù)此設(shè)計輾壓頭的運動代碼和感應(yīng)圈的幾何參數(shù)。輾壓成形過程中渦輪盤內(nèi)溫度分布的設(shè)計以及感應(yīng)圈的設(shè)計，渦輪盤內(nèi)應(yīng)變、應(yīng)變速率分布的設(shè)計以及輾壓頭運動的設(shè)計，都需要使用熱鍛工藝數(shù)值模擬和晶粒演化預(yù)測軟件。進(jìn)行這些數(shù)值計算所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是:雙性能渦輪盤尺寸和晶粒度要求，盤坯尺寸和初始晶粒度分布，高溫合金材料的傳熱性能、熱變形性能和晶粒演化規(guī)律。
[0009]輾壓成形工藝的參數(shù)范圍為:輪緣部位變形溫度高于δ相完全固溶的溫度，低于始鍛溫度，應(yīng)變速率低于0.0OliT1 ;中心部位變形溫度低于δ相開始固溶的溫度，高于終鍛溫度，應(yīng)變速率高于0.005s—1。在輪緣和中心之間溫度和應(yīng)變速率光滑過渡。
[0010]【專利附圖】

【附圖說明】下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明
圖1為本發(fā)明使用的盤件輾壓成形設(shè)備原理示意圖，說明了被輾壓的盤件、主軸和4個對稱分布的輾壓頭之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。輾壓頭的轉(zhuǎn)動驅(qū)動盤件繞主軸的轉(zhuǎn)動，輾壓頭壓入盤件一定深度后的轉(zhuǎn)動使盤件發(fā)生輾壓變形。
[0011]圖2為本發(fā)明使用的盤件感應(yīng)加熱原理示意圖，圖中，D為盤件的直徑，L，a, b,c為感應(yīng)圈的幾何尺寸，它們對盤件溫度分布有明顯影響。
【具體實施方式】
[0012]待成形的雙性能盤直徑為200mm、最大厚度20mm,盤內(nèi)有一個深為5mm寬為30mm的溝槽，溝槽的內(nèi)徑為100m。盤件材料為GH4169高溫合金。該雙性能盤的晶粒度要求為:輪緣部位晶粒度為5-6級，輪轂(中心)部位晶粒度為8-12級，輪緣與輪轂之間晶粒度光滑過渡。該雙性能盤成形具體工作步驟如下。
[0013]I)制坯:使用標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)棒材，經(jīng)自由鍛制坯，獲取平均晶粒尺寸為60-100 μ m的盤坯，盤坯與盤件體積相等，盤坯直徑為180mm。
[0014]2)根據(jù)晶粒度分布設(shè)計盤件邊緣溫度1020°C -1lOO0C，中心溫度950°C -1000°C，據(jù)此設(shè)計感應(yīng)加熱圈，L=240mm, a=240mm, b=65-80mm, c=8-10mm。使用高頻感應(yīng)加熱電源。
[0015]3)根據(jù)盤件幾何尺寸、應(yīng)變速率要求設(shè)計輾壓頭運動代碼，包括進(jìn)給量、進(jìn)給速度和輾壓頭轉(zhuǎn)速。
[0016]4)應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)校核、優(yōu)化所設(shè)計的輾壓頭運動參數(shù)與盤件溫度參數(shù)。
[0017]5)安裝感應(yīng)圈，將輾壓頭運動代碼輸入到控制計算機內(nèi)。裝卡盤坯到主軸上。
[0018]6 )啟動輾壓主機，使輾壓頭接觸盤件表面帶動盤件轉(zhuǎn)動，開啟水冷機、紅外側(cè)溫與溫控器、感應(yīng)加熱電源。測試點溫度設(shè)置為1030°C，加熱時間30-40分鐘，保溫時間5-10分鐘，輾壓頭轉(zhuǎn)速5rpm。
[0019]7)啟動輾壓頭程序控制，開始盤件輾壓變形。
[0020]8)輾壓結(jié)束后，輾壓頭退回到盤件表面，盤件在轉(zhuǎn)動中緩慢降溫，按程序要求從1030°C到450°C，大約需要50-60分鐘。
[0021]9)盤件降溫到450°C后，輾壓頭復(fù)位退回機械零點，盤件空冷到室溫。
【權(quán)利要求】
1.一種高溫合金雙性能渦輪盤的輾壓成形工藝，其特征是:所述高溫合金的盤坯可以由鑄錠鍛造或粉末燒結(jié)制成，粉末盤坯無疏松缺陷，顆粒之間焊合良好；所述雙性能渦輪盤輾壓成形工藝使用雙面輾壓成形技術(shù)和感應(yīng)加熱方法在高溫狀態(tài)下進(jìn)行渦輪盤輾壓成形，能夠一次成形出盤件外形和雙性能的晶粒組織；根據(jù)盤件的幾何形狀和所要求的晶粒度分布計算盤件成形時的溫度分布、應(yīng)變分布和應(yīng)變速率分布，據(jù)此設(shè)計輾壓頭的運動代碼和感應(yīng)圈的幾何參數(shù)。
2.按照權(quán)力要求I所述的成形工藝，對于GH4169高溫合金，盤坯晶粒度不低于4級，輪緣部位變形溫度950°C -1000°C，應(yīng)變速率低于0.0OliT1 ;中心部位變形溫度10200C -1100°C，應(yīng)變速率高于 0.005s'
【文檔編號】B21H1/02GK103586378SQ201310551488
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月8日
【發(fā)明者】金泉林 申請人:機械科學(xué)研究總院先進(jìn)制造技術(shù)研究中心