CN103920846A - 一种高温合金台阶轴径向锻造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高温合金台阶轴径向锻造方法。所述高温合金台阶轴径向锻造方法包括：镦粗并拔长钢锭，为锻造机提供坯料；分多个道次锻造坯料，以预锻形成第一台阶轴；以及分多个道次对第一台阶轴的中部进行锻造，以形成中间台阶轴，在第一台阶轴与中间台阶轴之间形成过渡段，其中，形成第一台阶轴的拉打速度控制在3-5.5m/min，形成中间台阶轴的每道次变形量控制在10%-25%，拉打速度控制在3-5.5m/min。通过控制径向锻造方法的锻造频次、道次压下量、拉打速度及控制终锻温度来控制台阶轴产品的性能组织，使产品质量稳定性、组织性能均匀性、综合成材率和合格率大大提高。

Description

一种高温合金台阶轴径向锻造方法

技术领域

本发明涉及一种锻造高温合金毛坯件的新的成形方法，更具体地说，涉及一种高温合金台阶轴的锻造加工方法。

背景技术

高温合金是指在高温及一定应力条件下长期工作的高温金属材料，具有优异的高温强度，良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能，已成为军民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的关键材料。例如，GH901合金是以Fe-43Ni-12Cr为基，通过添加Al、Ti形成金属间化物γˊ[Ni3(Ti,Al)]来沉淀强化，同时加入Mo来固溶强化的镍铁铬基高温合金，在650℃以下具有较高的屈服强度和持久强度，760℃以下抗氧化性良好。基于其优良的高温屈服和持久强度，GH901合金台阶轴广泛应用于制造航空及地面燃气涡轮发动机的转动件、静结构件、涡轮轴等零部件。

GH901合金台阶轴现行的生产工艺为钢锭镦粗→拔长至台阶方坯→末火次拔长到尺→粗车→固溶、时效→检验→机加工，然而，利用快锻机的这种工艺生产GH901合金台阶轴主要存在产品质量不稳定、表面裂口严重、组织性能均匀性较差、超声波探伤杂波超标、成材率和合格率低等问题。据生产统计分析，该工艺下产品的综合成材率仅能达到30～40%。

发明内容

本发明的示例性实施例涉及一种锻造高温合金涡轮轴毛坯件的新的成形方法，适用于高温合金台阶轴的锻造加工。

本发明的示例性实施例中的锻造方法利用现有规格坯料，高效生产出优质高温合金台阶轴，以满足日益扩大的市场需要。

本发明的关键点是通过控制径向锻造方法的锻造频次、道次压下量、拉打速度和/或控制终锻温度来控制台阶轴产品的性能组织。

根据本发明的一个方面，提供了一种用径向变形的先进的材料成形方式来生产高温合金台阶轴的方法。通过采用这种稳定、具有独特的优势的径向锻造技术，产品质量稳定性、组织性能均匀性、综合成材率和合格率大大提高。

根据本发明的另一方面，提供了一种通过控制径向锻造方法的锻造频次、道次压下量（道次变形量）、拉打速度及控制终锻温度来控制台阶轴产品的性能组织的径向锻造方法。

根据本发明的一方面，提供了一种高温合金台阶轴径向锻造方法，所述高温合金台阶轴径向锻造方法可以包括：镦粗并拔长钢锭，为锻造机提供坯料；分多个道次锻造坯料，以预锻形成第一台阶轴；以及分多个道次对第一台阶轴的中部进行锻造，以形成中间台阶轴，在第一台阶轴与中间台阶轴之间形成过渡段，其中，形成第一台阶轴的拉打速度控制在3-5.5m/min，形成中间台阶轴的每道次变形量控制在10%-25%，拉打速度控制在3-5.5m/min。

形成中间台阶轴的每道次变形量可以控制在10%-20%。

形成第一台阶轴的所述多个道次可以包括3-4个道次。

形成中间台阶轴的所述多个道次可以包括4-5个道次。

末火次变形量可以≥30%，终锻温度可以不低于高温合金的再结晶温度。

所述形成第一台阶轴的多个道次可以包括第一道次锻造频次为180次/分，第二道次锻造频次为90次/分，剩余道次锻造频次为180次/分。

所述形成中间台阶轴的多个道次的锻造频次可以为180次/分。

所述过渡段可以包括直径为第一台阶轴的直径和中间台阶轴的直径之间的值的多个过渡段。

所述多个过渡段可以包括过渡斜面和/或过渡台阶轴。

根据本发明的另一方面，提供了一种利用上述的高温合金台阶轴径向锻造方法锻造的GH901合金台阶轴。

所述高温合金台阶轴径向锻造方法还可以包括在每个台阶轴锻造完成之后进行表面处理的步骤。

本发明的有益效果在于：

①在预锻过程中，使用90次/分频次的锻造频次可以有效破碎碳化物，改善了高温合金台阶轴的综合性能，另一方面，高频次和低频词交替使用，有效地改善了高温合金内部质量，有效地消除混晶的产生。

②保证末火次大于30%的变形量，可以保证产品晶粒度细于3级，且均匀性较好，从而保证组织性能均匀。

③终锻温度控制在不低于高温合金的再结晶温度，能够使晶粒完整的完成回复和再结晶过程，以此可以细化晶粒，提高产品性能。

附图说明

通过下面结合示例性地示出一例的附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1是根据本发明示例性实施例的高温合金台阶轴径向锻造方法中完成预锻造之后形成的第一台阶轴的示意图；

图2A到图2E是根据本发明示例性实施例的形成中间台阶轴过程中每个道次的示意图。

具体实施方式

现在将参照附图详细地描述本公开的示例性实施例。

然而，本公开可以以许多不同的形式举例说明，并且不应被解释为局限于这里阐述的特定实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底的和完整的，并且这些实施例将把本公开的范围充分地传达给本领域技术人员。

在附图中，为了清楚起见，可以夸大元件的形状和尺寸，相同的标号将始终用于指示相同或相似的元件。

下面，将结合附图详细地描述根据本发明示例性实施例的高温合金台阶轴径向锻造方法。

图1是根据本发明示例性实施例的高温合金台阶轴径向锻造方法中完成预锻造之后形成的第一台阶轴的示意图，图2A到图2E是根据本发明示例性实施例的形成中间台阶轴过程中每个道次的示意图。

在根据本发明的示例性实施例的高温合金台阶轴径向锻造方法中，首先根据钢锭的尺寸和锻造机的实际尺寸将钢锭镦粗并拔长钢锭，该步骤是为了清理掉坯料表面裂纹，为锻造机提供坯料。

然后，分多个道次锻造坯料，以预锻形成第一台阶轴。在预锻造过程中，采用呈十字形垂直的锻造机锤头对钢锭进行锻造，并且采用高低频次交替锻造。该锻造过程由于锻造的高频次非常高，高频次可达180频次/分钟，低频次为90频次/分钟，并且通过对变形参数和拉打速度的控制，从而在多道次的锻造期间不需要对钢锭进行加热，降低了能耗，例如，形成第一台阶轴的拉打速度可以控制在3-5.5m/min。例如，可以通过3-4个道次的预锻第一台阶轴。形成第一台阶轴的多个道次的高低频次交替锻造是指第一道次锻造频次为180次/分，第二道次锻造频次为90次/分，剩余道次锻造频次为180次/分。在第二个道次使用90次/分的锻造频次可以有效破碎碳化物，改善了高温合金台阶轴的综合性能。另外，高频次和低频次交替使用，有效地改善了高温合金内部质量，有效地消除了混晶的产生。

接下来，分多个道次对第一台阶轴的中部进行锻造，以形成中间台阶轴，在第一台阶轴与中间台阶轴之间形成过渡段。例如，可以利用4-5个道次而形成中间台阶轴。形成中间台阶轴的各个道次的锻造频次为180次/分。具体地，形成中间台阶轴的每道次变形量控制在10%-25%，拉打速度控制在3-5.5m/min。优选地，形成中间台阶轴的每道次变形量控制在10%-20%。

在第一台阶轴与中间台阶轴之间形成过渡段。可以利用径向锻造机锤头表面特定角度的斜面形成第一台阶轴与中间台阶轴的过渡段，其中，过渡段可以是直径介于第一台阶轴和中间台阶轴之间的多个过渡段。可以利用径向锻造机锤头形成直径介于第一台阶轴和第二台阶轴的直径之间的过渡台阶轴。换言之，本发明的示例性实施例的多个过渡段可以是由径向锻造机锤头表面特定角度的斜面形成的过渡斜面和/或过渡台阶轴。

在本发明示例性实施例的高温合金台阶轴径向锻造方法中，末火次变形量≥30%，终锻温度不低于高温合金的再结晶温度。根据本发明的示例性实施例，保证末火次大于30%的变形量，可以保证产品晶粒度细于3级，且均匀性较好，从而保证组织性能均匀。根据本发明示例性实施例，终锻温度控制在不低于高温合金的再结晶温度，能够使晶粒完整的完成回复和再结晶过程，以此可以细化晶粒，提高产品性能，例如，在对GH901进行终锻时，终锻温度控制在≥950℃。

另外，本发明示例性实施例的高温合金台阶轴径向锻造方法还包括表面处理方法，例如，对锻造完成后留有一定余量的工件进行表面处理，最终精加工为成品件。

在下文中，将参照具体实施例来描述采用本发明的高温合金台阶轴径向锻造方法进行锻造台阶轴的方法。

实施例1

将参照图1和图2A至图2E来详细描述利用根据本发明的高温合金台阶轴径向锻造方法将直径为Φ550mm的钢锭坯料锻造成为成品尺寸为Φ295×435+Φ175×125+Φ125×1245mm的台阶轴的具体步骤。

在本实施例中，钢锭数据如下：该高温合金为GH901，直径为Φ550mm，长度L=1500mm，重量2800kg。

首先，由快锻机将钢锭镦粗至H0/2，再拔长到八角360mm，清理掉坯料表面裂纹，为径向锻造机（例如，18MN径向锻造机）提供坯料。

参照图1，图1是利用径向锻造机锤头F将钢锭预锻完成之后所获得的第一台阶轴（也可以称之为预锻完成的坯料）的示意图。在本实施例中，在A、B端夹持住待锻造的钢锭，然后经过四个道次的预锻过程得到了直径为D的轴，该直径为D的轴可以是第一台阶轴，在本实施例中，第一台阶轴的直径D为315mm。由于成品件的直径为295mm，因此，对锻造完成后留有一定余量的该工件进行表面处理，以精加工为成品件，即，将直径D为315mm第一台阶轴精加工（例如，车、铣、刨等）到成品尺寸。然而，本发明不限于此，可以在所有的台阶轴（例如，下述的过渡段和中间台阶轴）加工完毕后，统一对余量部分进行精加工。

具体地说，将已拔长到八角360mm，清理掉坯料表面裂纹的坯料进行多道次的锻造。具体地，在本实施例中，第1个道次锻至Φ345mm，拉打速度控制到5m/min，锻造频次180次/分；第2个道次锻至Φ325mm，拉打速度控制到4.5m/min，锻造频次90次/分；第3个道次锻至Φ315mm，拉打速度控制到4.5m/min，锻造频次180次/分。至此，直径D为Φ315mm第一台阶轴的多道次锻造加工完毕。然而，本发明不限于此，拉打速度可以控制在3-5.5m/min的速度内的任何速度，只要能在高频次加工下控制变形量和变形热，从而避免多火次的加热即可。

然后，再利用径向锻造机锤头表面特定角度的斜面来成形台阶轴的过渡段，在本实施例中，过渡段包括Φ175×125mm的台阶轴，由于该台阶轴十分短，在示意性的附图中示出了过渡段的形式。

最后，如图2A至图2E所示，利用径向锻造机锤头F分为5个道次锻出中间台阶轴，每道次变形量控制在10～25%，拉打速度控制在3～5.5m/min，并且每个道次的锻造频次为180频次/分。

具体地说，如图2A所示的第一个道次，径向锻造机锤头F按照所需加工的台阶轴的部位，即，在第一台阶轴中部进行锻造，以形成中间台阶轴。首先，将第一台阶轴的中部从Φ315mm加工到d1Φ270mm。接下来，图2B所示的第二道次，将待加工部位的直径从d1Φ270mm加工到d2Φ230mm。在图2C所示的第三道次，继续锻造，将直径从d2Φ230mm加工到d3Φ190mm。图2D所示的第四道次和图2E所示的第五道次，分别从d3Φ190mm锻造至d4Φ160mm，从d4Φ160mm锻造至d5Φ138mm。最终，可利用5个道次而形成中间台阶轴。形成中间台阶轴的各个道次的锻造频次为180次/分。在中间台阶轴的d1到d5的锻造道次中，形成中间台阶轴的每道次变形量控制在10%-25%，拉打速度控制在3-5.5m/min。优选地，形成中间台阶轴的每道次变形量控制在10%-20%。

另外，由于成品件的中间台阶轴的直径为Φ125mm，因此，对锻造完成后留有一定余量的该工件进行表面处理，以精加工为成品件，即，将直径d5为138mm中间台阶轴精加工（例如，车、铣、刨等）到成品尺寸Φ125mm。

实施例2

在根据本发明的另一实施例中，将描述高温合金台阶轴径向锻造方法将直径为Φ550mm的钢锭坯料锻造成为成品尺寸为Φ246×380+Φ146×100+φ105×1230mm的台阶轴的具体步骤。

为了描述的简便，将省略对相同内容部分的重复描述。

在本实施例中，钢锭数据如下：该高温合金为GH4169。直径D=Φ550mm，长度L=1400mm，重量2600kg。

首先，由快锻机将钢锭镦粗至H₀/2，再拔长到八角330mm，清理掉坯料表面裂纹，为径向锻造机（例如，18MN径向锻造机）提供坯料。

参照图1，图1是利用径向锻造机锤头F将钢锭预锻完成之后所获得的第一台阶轴的示意图。在本实施例中，在A、B端夹持住待锻造的钢锭，然后经过四个道次的预锻过程得到了直径为D的轴，该直径为D的轴可以是第一台阶轴，在本实施例中，第一台阶轴的直径D为261mm。由于成品件的第一台阶轴的直径为246mm，因此，对锻造完成后留有一定余量的该工件进行表面处理，以精加工为成品件，即，将直径D为261mm第一台阶轴精加工（例如，车、铣、刨等）到成品尺寸Φ246mm。然而，本发明不限于此，可以在所有的台阶轴（例如，下述的过渡段和中间台阶轴）加工完毕后，统一对余量部分进行精加工。

具体地，在分多个道次锻造坯料，以预锻形成第一台阶轴的过程中：在第1个道次锻至Φ315mm，拉打速度控制到5m/min，锻造频次180次/分；第2个道次锻至Φ294mm，拉打速度控制到4.5m/min，锻造频次90次/分；第3个道次锻至Φ275mm，拉打速度控制到4.5m/min，锻造频次180次/分；第4个道次锻至Φ261mm，拉打速度控制到4.5m/min，锻造频次180次/分。然而，本发明不限于此，在对第一台阶轴的预锻过程中，每个道次的拉打速度被控制在3-5.5m/min的速度内的任何速度，用于在高频次加工下控制变形量和变形热，从而避免多火次的加热。

然后，如图2A至图2D所示，利用径向锻造机锤头F分为4个道次锻出中间台阶轴，每道次变形量控制在10～25%，拉打速度控制在3～5.5m/min，并且每个道次的锻造频次为180频次/分。

具体地，利用径向锻造机锤头表面特定角度的斜面来成形台阶轴的过渡段，在本实施例中，过渡段包括Φ146×100的台阶轴，由于该台阶轴十分短，在示意性的附图中示出了过渡段的形式。

然而，本发明构思的示例性实施例不限于GH901或GH4169，高温合金也可以为GH696。

根据本发明的示例性实施，本发明提供的锻造高温合金涡轮轴毛坯件的新的成形方法，适用于GH901合金等高温合金的台阶轴的锻造加工。发明的关键点是通过控制径向锻造方法的锻造频次、道次压下量、拉打速度及控制终锻温度来控制台阶轴产品的性能组织。通过采用这种稳定、具有独特的优势的径向锻造技术，产品质量稳定性、组织性能均匀性、综合成材率和合格率大大提高。

虽然上面已经示出并描述了示例性实施例，但是对于本领域技术人员来讲将明显的是，在不脱离如权利要求所限定的本公开的精神和范围的情况下，可以进行修改和变型。

Claims (10)

1.一种高温合金台阶轴径向锻造方法，包括：

镦粗并拔长钢锭，为锻造机提供坯料；

分多个道次锻造坯料，以预锻形成第一台阶轴；以及

分多个道次对第一台阶轴的中部进行锻造，以形成中间台阶轴，在第一台阶轴与中间台阶轴之间形成过渡段，

其中，形成第一台阶轴的拉打速度控制在3-5.5m/min，形成中间台阶轴的每道次变形量控制在10%-25%，拉打速度控制在3-5.5m/min。

2.如权利要求1所述的高温合金台阶轴径向锻造方法，其中，形成中间台阶轴的每道次变形量控制在10%-20%。

3.如权利要求1所述的高温合金台阶轴径向锻造方法，其中，形成第一台阶轴的所述多个道次包括3-4个道次。

4.如权利要求1所述的高温合金台阶轴径向锻造方法，其中，形成中间台阶轴的所述多个道次包括4-5个道次。

5.如权利要求1所述的高温合金台阶轴径向锻造方法，其中，末火次变形量≥30%，终锻温度不低于高温合金的再结晶温度。

6.如权利要求3所述的高温合金台阶轴径向锻造方法，其中，形成第一台阶轴的所述多个道次包括第一道次锻造频次为180次/分，第二道次锻造频次为90次/分，剩余道次锻造频次为180次/分。

7.如权利要求4所述的高温合金台阶轴径向锻造方法，其中，形成中间台阶轴的所述多个道次的锻造频次为180次/分。

8.如权利要求1所述的高温合金台阶轴径向锻造方法，其中，所述过渡段包括直径为第一台阶轴的直径和中间台阶轴的直径之间的值的多个过渡段。

9.如权利要求8所述的高温合金台阶轴径向锻造方法，其中，所述多个过渡段包括过渡斜面和/或过渡台阶轴。

10.一种利用如权利要求1到9中的任意一项权利要求所述的高温合金台阶轴径向锻造方法锻造的GH901合金台阶轴。