专利名称：镍基高温合金锥形环锻件的辗轧成形方法
技术领域：
本发明涉及一种环形锻件的轧制成形方法，特别是涉及了镍基高温合金锥 形环锻件的辗轧成形方法。
背景技术：
采用镍基高温合金(如GH901等材料牌号)制造的航空发动机或地面燃气 轮机的锥形环锻件，如涡轮外环、低压涡轮喷口罩等部件由于长期在高温下工月右i^标fX]^]曰"h^'h4"台匕"a々口々口薛々'l^: 1F， 3co、敢1十只'fl寸乂灯wli i口j皿乂j卞|工[3匕,久^1"、1;&/^ i土。"大型锥形环件成型制造新工艺及其数值模拟"(王泽武等，《核动力工程》，第28巻第2期，第69 72页，2007年4月)文公开了 种锥形环件的成形 工艺，该T艺包括制坯、加热、轧制及后续加丁。采用该T.艺轧制普通碳素钢 的锥形环件时是把轧环机的主辊、芯辊和抱辊加工成锥形后再把锥形环坯轧制 成锥形环件的。采用该工艺轧制锥形环件，由于是靠主辊、芯辊和抱辊的锥面 形状来确定锥形环件的锥面形状，靠锥辊来轧制其高度，因此，只能轧制内外 环面为平整面的简单锥形环件(如该文图示的那样)，而且对于锥度或高度不一 样的锥形环件，需要更换辊型，正如该文所指出的"锥形环件不同于矩形截面环 件，在轴向上环件有一定斜度，需要重新设计主辊、芯辊和抱辊"。由此可知， 采用该工艺不可能轧制出内外环面为复杂曲面的锥形环件，而且轧制不同形状 的简单锥形环件时频繁更换辊型将会增加制造成本、延长生产周期和不利于设夂lV'維沖^关上述锥形环件成型制造新工艺并未公开轧制镍基高温合金锥形环锻件的具体工艺歩骤，若采用该工艺轧制镍基高温合金锥形环锻件，存在的问题如下当需要轧制环面为复杂曲面的锥形环锻件时，只能靠增大加工余量的方法先轧制成该文所公布的环面为平整面的锥形环锻件，再通过机加工成环面为复杂曲面的锥形环锻件。这样加工而成的锥形环锻件，环锻件毛坯的加工余量大，锻 件尺寸精度较差，锻件的外形流线不能沿零件外形分布；由于加工量较大，既 费时费力和浪费大量的贵重高温合金材料，又切断了锻件的外形流线从而对锻 件的组织和性能产生不利影响。轧制镍基高温合金锥形环锻件时，从合金棒料到最终轧制成锥形环锻件， 合金的变形量对环锻件的组织和性能影响很大，其变形量选择不准，将会造成 环锻件晶粒粗大、轧伤、轧裂、易产生飞边等缺陷，从而影响锻件的交付和使用。有鉴于此，本发明提供了种镍基高温合金锥形环锻件的辗轧成形方法。 发明内容本发明要解决的技术问题是提供一种准确的变形量来实现镍基高温合金锥 形环锻件精确辗轧成形的方法，采用该方法辗礼的锥形环锻件沿零件外形呈流 线分布，并具有优良的组织和性能。为解决上述技术问题，本发明所述镍基高温合金锥形环锻件的辗轧成形方 法，其技术方案包括以下步骤把按规格下料的镍基高温合金棒料加热到变形温度，经镦粗使其变形 40% 45%得到实心圆饼；把所述实心圆饼冲孔使其孔径尺寸是其外径尺寸的30% 35%后得到空心圆饼；加热所述51 '七、0饼到变形温度后使其被乳环变形3 5% 40%后得到矩形环 坯;把所述矩形环坯加热到变形温度后装进胀形模内被胀形变形10% 15%后得 到锥形预轧坯；加热所述锥形预乳坯到变形温度，把所述预轧坯装进轧环机辗轧模具，所 述预轧坯的纵向截面在辗轧模具的锥形孔型内被轧环机辗轧并按所述孔型形状 变形25% 30%，所述预轧坯壁厚减小并沿径向展宽被辗轧成準形环锻件。当构成上述锥形孔型的辗轧模具的锥形面是曲面时，辗轧成形的锥形环锻件的环面为曲面；当构成上述锥形孔型的辗轧模具的锥形面是平整面时，辗轧 成形的锥形环锻件的环面为平整面。辗轧时，上述预轧坯沿径向的展宽速度是2mm/s 15mm/s，受到的径向轧 制力是40000 kg 220000kg。与现有技术相比，本发明的有益效果如下本发明把按规格下料的镍基高温合金棒料从镦粗、冲孔、制矩形环坯、制 锥形预轧坯到辗轧成锥形环锻件的整个工艺过程，通过选用准确的变形量和使 用辗轧模具来使锥形环锻件成形，获得了组织均匀和性能优良的锥形环锻件。以牌号为GH901的镍基高温合金为例，经检测该合金锥形环锻件不同部位的金 相低倍组织，未发现有粗晶、裂纹、伤痕、缩孔等缺陷；经检测该合金锥形环 锻件在575'C的拉伸性能，其抗拉强度为1000MPa 1040MPa (大于使用要求的 960MPa)，其伸长率为0.2%时的屈服强度为730MPa 790MPa (大于使用要求 的690MPa)，断后伸长率为12% 18% (大于使用要求的8%);经检测该合金锥 形环锻.件的布氏硬度为345 355，满足了使用要求；经检测该合金锥形环锻件形量不大于0.05% (小于使用要求的0.1%)。从该合金锥形环锻件的理化检测结 果可知，采用上述方法辗轧成形的该合金锥形环锻件取得了预料不到的技术效田.^!^珠卩7甘乂击田戒歩 ;t^7 乂^乂乂i陶/^ j !义力3C^fCo本发明还通过在轧环机上安装辗轧模具来实现镍基高温合金锥形环锻件的 辗轧成形，即在轧环机的芯辊上安装芯辊模，在其主辊上安装主辊模，芯辊模 与主辊模合模后能够形成用于辗轧锥形环锻件的锥形孔型，从而把锥形环锻件 的成形方式山主辊、芯辊和锥辊辗轧成形改进为主要山模具辗轧成形，并且通 过改变构成所述锥形孔型的辗轧模具的锥形面的形状，便可辗轧成形不同环面 形状的锥形环锻件，从而使该模具能辗轧出环面为曲面或平整面的锥形环锻件。并且，采用本方法辗轧镍基高温合金锥形环锻件，可以获得沿零件外形分布 的环面为复杂曲面流线的锥形环锻件，提高了锥形环锻件的尺寸精度，从而可以实现精确轧制，减少锥形环锻件的机械加工余量和贵重高温合金材料的浪费;当辗轧不同环面形状的环锻件时，只需更换辗轧模具上形成所述锥形孔型的模 块即可，而不必更换轧环机的主辊、芯辊和抱辊等部件，从而可以降低锥形环 锻件的制造成本、縮短生产周期并有利于设备的维护保养。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一歩详细说明。 图1是矩形环坏的制坯工艺流程图。,o .a維平领生i+7的*什7:丁廿、、志禾13阳图3是锥形预轧坯装进辗轧模具的结构图。 图4是锥形预轧坯辗轧成锥形环锻件的工艺过程图。 图5是图4所示的辗轧工艺过程的俯视方向示意图。 图6是辗轧成形的锥形环锻件沿其中心线的纵剖面图。 图7 (a)是图6所示a部位的金相低倍组织图。 图7 (b)是图6所示b部位的金相低倍组织图。 图7 (c)是图6所示e部位的金相低倍组织图。 图8 (a)是第二种结构的辗轧模具孔型图。图8 (b)是采用图8 (a)所示的辗轧模具孔型轧成的锥形环锻件沿其中心 线的纵剖面图。图9 (a)是是第三种结构的辗轧模具孔型图。图9 (b)是采用图9 (a)所示的辗轧模具孔型轧成的锥形环锻件沿其中心 线的纵剖面图。图10 (a)是第四种结构的辗轧模具孔型图。图10 (b)是采用图10 (a)所示的辗轧模具孔型轧成的锥形环锻件沿其中 心线的纵剖面图。
具体实施方式
实施本发明所述的镍基高温合金锥形环锻件的辗轧成形方法需要提供锻造加热炉、压力机、轧环机、机械手等设备。下面以牌号为GH901的变形镍基高 温合金为例来详细说明该方法的
具体实施例方式该合金的主要化学元素含量(重量百分比)为含C量0.020% 0.060%、 含Cr量11.00% 14.00%、含Ni量40.0% 45.0%、含Mo量5.00% 6.50%、 含11量2.80% 3.10%、含Ai量^0.30。/。、含Mn量^0.50°/。、含Si量^0.40%、此 外还含有其他微量元素、余量为Fe。该合金从棒料到生产出合格的锥形环锻件的工艺步骤如下 步骤1:矩形环坏的制坯。如图1所示，把按规格下料的GH901合金棒料 1在锻造加热炉内加热到liO(TC 114(rC的变形温度，在锻压机上镦粗使其变 形40% 45%得到实心圆饼2，接着把实心圆饼2用冲头4冲出中心孔得到空心 圆饼3，所述空心圆饼3的内径尺寸是其外径尺寸的30% 35%;把空心圆饼3 再加热到上述变形温度后装进轧环机辗轧使其变形35% 40%后得到矩形环坯 5。采用上述变形方式制作的矩形环坯5能够获得均匀的组织，避免产生晶粒粗 大、裂纹等缺陷。步骤2:锥形预轧坯的制坯。如图2所示，在压力机的上砧座8的底面装有胀形模上模6，在压力机的下砧座9的上面装有胀形模下模7。把矩形环坯5加热到110(TC 114(TC的变形温度后装进所述下模7内，开启压力机使所述上模6从矩形环坯5的内环而挤压该环坯5使其变形10% 15%后所述上、下模6和7合模，脱模并修整后得到锥形预轧坯10。采用该变形方式制作的锥形预轧坯 m rh;布彬畺'!、 亦彬卞^十审^t钇^n称rr^恥 媪化tkf 口荦/击m給人66 rr力就可使该预轧坯10成形，并且成形性较好。步骤3:锥形环锻件的辗轧成形。先把锥形预轧坯10在锻造加热炉内加热5!！ i inn。「 i izin"的龙泌、,曰齒F^状^thrh+飽太贫新f飽谱^n c^66跑左i谱目 士n喝 天:j 丄1UU L - ii4i; ii^j乂/^iffli/又/，」取AiLra工倡T大iwoj、祝'i矢m〃Xiu:j惯亇Li'!犬六，》Mt^i3所示，用机械手把该预轧坯10套装在芯辊模的内型模块16上并平放在轧环机的底盘上(图中未示出)，所述芯辊模由内型模块16、芯套21、压环22通过螺母23和芯辊键24固定在芯辊12上；启动轧环机使其主辊13按图3所示方向 旋转，然后使芯辊12向主辊13方向平移靠近主辊13后芯辊模与主辊模合模， 所述主辊模由下端盖19、外型模块17、上端盖18通过主辊套20和主辊键25 固定在主辊13上，所述内型模块16和外型模块17的外周而与所述上、下端盖 18和19围成锥形孔型11，预轧坯10的纵向截面处于该锥形孔型11内；同时 出轧环机驱动上、下锥辊H和15按图3所示方向转动并准备夹持住预轧坯10 的上、下端面，使轧环机的两个抱辊26 (如图5所示)扶持住预轧坯10外周面 的底部大圆周面；主辊13驱动预轧坯10、芯辊12和两个抱辊26按图4和图5 所示的方向转动，这时转动的上、下锥辊14和15夹持住转动的预轧坯10的上、 下端面与其一起转动；芯辊12沿径向朝主辊13方向作进给运动使芯辊12和主 辊13以40000kg 220000kg的轧制力在其锥形孔型11内辗轧预轧坯10，预轧 坯10以2mm/s 15mm/s的速度沿径向展宽，其壁厚逐渐减小，上、下锥辊14 和15以及两个抱辊26随着预轧坯10的径向展宽而外移；预轧坯10在锥形孔 型ll内被辗轧产生连续局部塑性变形25% 30%后成为锥形环锻件27，所有转 ^yj 口p i丁rn/口4夕7T工-m; ij、 t氏祝丄4々'h ij、 r" i ]di视厶o ^A汉仏il^Li、裸l厶^M饰 的轧环机悬臂，用机械手从芯辊顶部取出的锥形环锻件27。在上述步骤1至步骤3中，该合金的终轧或终锻温度不小于950°C 。 如图6所示，锥形环锻件27的外环面是由其c部位的凸起环的外环面、b 部位的外环斜面以及a部位的凸起环的外环面通过圆弧自然过渡连接在一起的 复杂曲面，其内环面是由c部位的内环直面和b、 a部位的内环斜面通过圆弧自 然过渡连接的曲面。按照GBnl87,2-82《高温合金横向低倍组织酸浸试验法》检测，该锥形环锻 件的金相低倍组织如图7 (a)、图7 (b)和图7(c)所示，其中图7 (a)、图7 (b) 和图7(c)的试样分别是取自图6中的a、 b和c部位，在上述低倍组织图上均未 发现有粗晶、裂纹、縮孔等缺陷。按照GB4338-84《金属高温拉伸试验方法》检测该锥形环锻件在575。C的拉 伸性能，其抗拉强度为1000MPa 1040MPa，其伸长率为0.2%时的屈服强度为730MPa 790MPa，断后伸长率为12% 18%。按照GB231-84《金属布氏硬度试验方法》检测，该锥形环锻件的布氏硬度 为345 355。按照GB2039-80《金属拉伸蠕变试验方法》检测，该锥形环锻.件在试验温 度为575'C、试验应力为590MPa、持续时间在100小时内的总塑性变形量不大 于0.05%。上述理化检测结果表明，采用上述方法辗轧成形的GH卯1锥形环锻件具有 优良的内部组织和性能，完全满足了该合金锻件的使用要求。图8 (a)示出了轧制图8 (b)所示的锥形环锻件27a的辗轧模具的锥形孔 型lia的结构，在图8 (a)中，只需把图3或图4中的内型模块16和外型模块 17分别换成内型模块16a和外型模块173即可，辗轧成形的锥形环锻件2 a的内 外环面均为平整面。图9 (a)示出了轧制图9 (b)所示的锥形环锻件27b的辗轧模具的锥形孔 型llb的结构，在图9(a)中，只需把图3或图4中的内型模块16和外型模块 17分别换成内型模块16b和外型模块17b即可。辗轧成形的锥形环锻件27b，其 内环面是由该锻件d、 f部位的内环直面和e部位的内环斜面以d、 e、 f部位的 顺序通过圆弧自然过渡连接的曲面，其外环面是由该锻件d、 f部位的外环直面 和e部位外环斜面以d、 e、 f部位的顺序通过圆弧自然过渡连接的曲面。图10 (a)示出了轧制图10 (b)所示的锥形环锻件2，的辗轧模具的锥形 孔型lie的结构，在图10(a)中，只需把图3或图4中的内型模块16和外型模块17分别换成内型模块16e和外型模块17e即可。辗轧成形的锥形环锻件27e，其内环面是由该锻件g、 i、 k部位的内环直面和h、 j部位的内环斜面以g、 h、 i、 j、 k部位的顺序通过圆弧自然过渡连接的曲面，其外环面是由该锻件g、 i、 k 部位的外环直面和h、 j部位的外环斜面以g、 h、 i、 j、 k部位的顺序通过圆弧自 然过渡连接的曲面。从图8 (a)、图9 (a)和图10 (a)可以看出，采用上述辗轧成形方法和辗 轧模具辗轧不同截面的镍基高温合金锥形环锻件是很方便的。当辗轧成形的锥形环锻件的锥度不大时，上述步骤2的锥形预轧坯可以通过机加出一定的斜度 获得，或直接用矩形预轧坯替代该锥形预轧坯辗轧成锥形环锻件。本发明所述 的辗轧成形是把环锻件的预轧坯通过辗轧模具轧制成环锻件的成形方式。
权利要求
1. 一种镍基高温合金锥形环锻件的辗轧成形方法，其特征在于，包括以下步骤把按规格下料的镍基高温合金棒料加热到变形温度，经镦粗使其变形40％～45％得到实心圆饼；把所述实心圆饼冲孔使其孔径尺寸是其外径尺寸的30％～35％后得到空心圆饼；加热所述空心圆饼到变形温度后使其被轧环变形35％～40％后得到矩形环坯；把所述矩形环坯加热到变形温度后装进胀形模内被胀形变形10％～15％后得到锥形预轧坯；加热所述锥形预轧坯到变形温度，把所述预轧坯装进轧环机辗轧模具，所述预轧坯的纵向截面在辗轧模具的锥形孔型内被轧环机辗轧并按所述孔型形状变形25％～30％，所述预轧坯壁厚减小并沿径向展宽被辗轧成锥形环锻件。
2、 按照权利要求l所述的辗轧成形方法，其特征在T:构成所述锥形孔型 的辗轧模具的锥形面是曲面。
3、 按照权利要求l所述的辗轧成形方法，其特征在于构成所述锥形孔型 的辗轧模具的锥形面是平整面。
4、 按照权利要求1所述的辗轧成形方法，其特征在于所述预轧坯沿径向 的展宽速度是2 mm/s 15mm/s。
5、 按照权利要求1或4所述的辗轧成形方法，其特征在丁所述预轧坯受 到的径向轧制力是40000 kg 220000kg。
全文摘要
本发明公开了一种镍基高温合金锥形环锻件的辗轧成形方法，为获得组织和性能优良的该合金锥形环锻件和实现精确轧制，该方法包括以下步骤合金棒料经加热镦粗变形40％～45％制成实心圆饼再冲孔使其孔径尺寸是其外径尺寸的30％～35％后制成空心圆饼；空心圆饼经加热轧环变形35％～40％后制成矩形环坯并把该环坯加热装进胀形模内胀变形10％～15％后制成锥形预轧坯；锥形预轧坯经加热装进轧环机辗轧模具并在该模具的锥形孔型内辗轧变形25％～30％后成形为锥形环锻件。辗轧时，上述预轧坯沿径向的展宽速度是2mm/s～15mm/s，受到的径向轧制力是40000kg～220000kg。该方法主要用于航空发动机或地面燃气轮机锥形环锻件的成形，采用该方法可以获得沿零件外形呈流线分布的环面为复杂曲面的锥形环锻件。
文档编号B21J1/04GK101279349SQ20081006872
公开日2008年10月8日 申请日期2008年4月23日 优先权日2008年4月23日
发明者峰 刘, 清 刘, 吴永安, 耸 姜, 华 张, 勇 杨, 谢建斌, 谢永富, 伟 邹, 邹元博, 陈再鼎 申请人:贵州航宇科技发展有限公司;贵州安大航空锻造有限责任公司