专利名称：TiAl金属间化合物类锻件的双室高温锻造成形装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种TiAl金属间化合物类锻件的成形方法及装置，属于锻造成形工 艺技术领域。
背景技术：
随着航空航天、汽车制造等行业迅猛发展，业界对轻质耐热结构材料的性能提出 了越来越高的要求。在这种背景下，具有低密度、高比强度、高比模量以及优异的高温机械 性能、抗氧化性能的TiAl金属间化合物材料成为近十几年来材料领域研究的重点，并有可 能在一些领域一定范围之内成功取代部分传统高温结构材料——钛基合金、镍基合金。但是，TiAl金属间化合物具有Lltl型有序晶体结构，晶体对称性低、滑移系少，在 1000°C以下具有又硬又脆的力学特性，加工成形非常困难。目前对TiAl材料的锻造成形， 通常需要在1200°C以上的温度采用等温变形的方式，才能顺利进行。然而，传统等温锻造 过程要求模具温度与坯料温度相同，目前没有合适的模具材料能够满足在如此高温下进行 等温成形的要求。如果采用普通锻造工艺，降低模具预热与实际工作温度，则锻造过程中高 温坯料向低温模具传递热量极快，使得高温坯料散热过快、变形抗力激增、每次锻造变形量 小、模具损伤严重，难以有效成形所需零件甚至锻造无法完成。
发明内容
本发明旨在解决利用传统锻造技术对TiAl金属间化合物材料进行锻造时存在 的坯料向模具散热过快、变形抗力大、模具损伤严重、锻造成形难以完成等问题，提出一种 TiAl金属间化合物类锻件的双室高温锻造成形装置及方法。本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是本发明所述的TiAl金属间化合物类锻件的双室高温锻造成形装置包括坯料高温 加热元件5、模具高温加热元件19、凸模14和凹模17，所述成形装置还包括坯料加热室7、 模具加热室16和活动隔板10，所述坯料加热室7和模具加热室16相邻设置且二者之间设 置有活动隔板10，通过上下拉动活动隔板10可实现坯料加热室7的炉膛与模具加热室16 的炉膛相互贯通(活动隔板10向上拉移时，能实现坯料加热室7的炉膛与模具加热室16 的炉膛相互贯通)、坯料加热室7的炉膛与模具加热室16的炉膛相互独立(活动隔板10向 下插入时，能实现坯料加热室7的炉膛与模具加热室16的炉膛相互独立，即不贯通)；凸模 14、凹模17的工作端均置于模具加热室16内，凸模14的型面与凹模17的型面上下相对应 设置构成TiAl金属间化合物类锻件型腔；所述坯料加热室7和模具加热室16均为密闭室 体；在坯料加热室7内设置有坯料高温加热元件5，模具高温加热元件19，模具加热室16的 上下壁体上设置有模具高温加热元件19。利用权利上述成形装置的TiAl金属间化合物类锻件的双室高温锻造成形方法是 按照以下步骤实现的
步骤一、将TiAl金属间化合物锻件坯料1放入坯料加热室7内的载料台6上进 行加热并保温，与此同时，在模具加热室16内对锻造模具凸模14和凹模17进行加热并保 温；将凸模14和凹模17加热至800°C 1000°C，将TiAl金属间化合物锻件坯料1加热至 1230°C 1300°C ；步骤二、当锻造模具凸模14和凹模17达到预定温度时，且TiAl金属间化合物锻 件坯料1加热保温完毕后，打开坯料加热室7和模具加热室16之间的活动隔热板10，将 TiAl金属间化合物锻件坯料1沿着载料台6从坯料加热室7推至模具加热室16内，并夹持 放入凹模17的型腔之内；步骤三、关闭隔板10、坯料加热室炉门8以及模具加热室炉门18，准备锻造；步骤四、锻造凸模14、凹模17在压机作用下进行合模、保压，完成锻造过程；TiAl 金属间化合物锻件坯料1在凸模14、凹模17构成的模具型腔内成形，从而获得TiAl金属间 化合物锻件成品2。本发明具有以下有益效果本发明采用独立相邻并可贯通的两个加热室分别加热坯料与锻造模具，避免传统 锻造过程中坯料从加热炉移动到模具型腔过程中热量的大量损失，使TiAl金属间化合物 高温锻造成形易于完成。本发明方法的实质是使用一套具有两个独立相邻且可贯通的加热 室的加热系统，分别将锻造模具和坯料加热至不同的温度，并可将坯料无热量损失快速移 动到模具上进行锻造成形。一、采用独立相邻并可贯通的两个加热室分别加热坯料与锻造模具，TiAl金属间 化合物坯料1始终在坯料加热室7与模具加热室16内快速移动，热量损失控制在最小的程 度。有效缓解了锻造过程中由于热量损失而引发的变形抗力高的间题，使得锻造成形容易 进行。二、本发明工艺方法模具加热温度为800°C 1000°C，低于TiAl金属间化合物坯 料加热1230°C 1300°C，可以采用高温合金制造锻造模具，同时避免了锻造过程中模具损 伤严重的问题。三、由于TiAl坯料变形时温度降低情况的缓解、变形抗力升高不明显，提高了锻 造制品的成品率和材料利用率，并有效的改善了锻件组织性能与力学性能。同时每道次锻 造成形中坯料变形量相应增大，减少了锻造道次，降低了重复加热的能量损耗，有效地提高 生产效率、合理控制了生产成本。
图1是本发明的整体结构示意图(双室高温锻造成形装置)；图2是将坯料放入 模具型腔的示意图；图3是锻造成形后的示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一结合图1、图2、图3说明本实施方式，本实施方式所述的TiAl金 属间化合物类锻件的双室高温锻造成形装置包括坯料高温加热元件5、模具高温加热元件 19、凸模14和凹模17，其特征在于所述成形装置还包括坯料加热室7、模具加热室16和活 动隔板10，所述坯料加热室7和模具加热室16相邻设置且二者之间设置有活动隔板10，通过上下拉动活动隔板10可实现坯料加热室7的炉膛与模具加热室16的炉膛相互贯通(活 动隔板10向上拉移时，能实现坯料加热室7的炉膛与模具加热室16的炉膛相互贯通)、坯 料加热室7的炉膛与模具加热室16的炉膛相互独立(活动隔板10向下插入时，能实现坯 料加热室7的炉膛与模具加热室16的炉膛相互独立，即不贯通)；凸模14、凹模17的工作 端均置于模具加热室16内(凸模14穿过模具加热室16的上端壁体，凹模17穿过模具加 热室16的下端壁体，凸模、凹模安装在压力机上，凸模、凹模与加热室是独立的；模具加热 室16是一个完整的炉子，只是模具加热室16上下端开了一个凸凹模大小的孔，让凸凹模可 以伸进炉中工作)，凸模14的型面与凹模17的型面上下相对应设置构成TiAl金属间化合 物类锻件型腔；所述坯料加热室7和模具加热室16均为密闭室体；在坯料加热室7内设置 有坯料高温加热元件5，模具高温加热元件19，模具加热室16的上下壁体上设置有模具高 温加热元件19。本实施方式中所述坯料加热室7和模具加热室16应紧密相邻，所述活动隔板10 为绝热隔板。本实施方式所述凸模14、凹模17应选择高温合金材料制成，因为凸模14、凹模17 的工作温度较一般锻造更高(800°C 1000°C )。
具体实施方式
二 结合图1、图2、图3说明本实施方式，本实施方式所述坯料加热 室7包括坯料加热室炉体3和坯料加热室炉门8，所述坯料加热室炉门8安装在远离模具加 热室16的坯料加热室炉体3的侧壁上。其它组成及连接关系与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三结合图1、图2、图3说明本实施方式，本实施方式所述模具加热 室16包括模具加热室炉体20和模具加热室炉门18，所述模具加热室炉门18安装在远离坯 料加热室7的模具加热室炉体20的侧壁上。其它组成及连接关系与具体实施方式
二相同。
具体实施方式
四结合图1、图2、图3说明本实施方式，本实施方式所述成形装置 还包括载料台6，所述载料台6位于坯料加热室7及模具加热室16的炉膛内，即所述载料 台6 —部分置于坯料加热室炉体3的底端面上，所述载料台6的另一部分置于模具加热室 炉体20的底端面上，且所述载料台6的另一部分的端面与凹模17接触。载料台6用于承 载坯料，并可在打开活动隔板10的情况下，将坯料1从坯料加热室7送入位于模具加热室 16，便于操作。其它组成及连接关系与具体实施方式
三相同。
具体实施方式
五结合图1、图2、图3说明本实施方式，本实施方式所述坯料加热 室7还包括硅酸铝保温层4 (轻质硅酸铝保温层)，所述坯料加热室炉体3和载料台6均采 用强度较高的高温粘土耐火砖材料制成；在料加热室炉体3和载料台6的内表面上铺设硅 酸铝保温层4。其它组成及连接关系与具体实施方式
四相同。
具体实施方式
六结合图1、图2、图3说明本实施方式，本实施方式所述活动隔板 10、坯料加热室炉门8以及模具加热室炉门18均采用氧化锆保温材料制成。选用氧化锆保 温材料，在具有良好的保温效果同时方便开启。其它组成及连接关系与具体实施方式
三、四 或五相同。
具体实施方式
七结合图1、图2、图3说明本实施方式，本实施方式所述模具加热 室16还包括碳化硅模具加热层15，所述模具加热室炉体20由硅酸铝保温材料制成，模具加 热室炉体20上下壁体的内表面分别设有碳化硅模具加热层15，所述模具高温加热元件19 设置在碳化硅模具加热层15内。其它组成及连接关系与具体实施方式
六相同。
具体实施方式
八结合图1、图2、图3说明本实施方式，本实施方式所述坯料高温 加热元件5为硅钼加热棒；所述模具高温加热元件19为电阻丝。模具加热室16工作温度 处于800°C 1000°C，采用电阻丝19加热即可满足温度要求。其它组成及连接关系与具体 实施方式一、二、三、四、五或七相同。
具体实施方式
九结合图1、图2、图3说明本实施方式，本实施方式所述成形装置 还包括两个水冷板12和两个石棉板13，每个水冷板12上开有多条水道11，凸模14的上端 面、凹模17的下端面各设置有一个水冷板12 ；在凸模14与水冷板12之间以及凹模17与 水冷板12之间各设置有石棉板13。这样可使模具在加热、成形过程中温度分布均勻，热量 损失小，提高了加热效率。工作时通入循环水降温，防止模板在长时间高温大应力状态下产 生变形，损伤模具或成形设备。其它组成及连接关系与具体实施方式
八相同。
具体实施方式
十结合图1、图2、图3说明本实施方式，本实施方式为利用具体实 施方式一至九中任一具体实施方式
所述成形装置的成形金属间化合物类锻件的成形方法， TiAl金属间化合物类锻件的双室高温锻造成形方法是按照以下步骤实现的步骤一、将TiAl金属间化合物锻件坯料1放入坯料加热室7内的载料台6上进 行加热并保温，与此同时，在模具加热室16内对锻造模具凸模14和凹模17进行加热并保 温；将凸模14和凹模17加热至800°C 1000°C，将TiAl金属间化合物锻件坯料1加热至 1230°C 1300°C ；步骤二、当锻造模具凸模14和凹模17达到预定温度时，且TiAl金属间化合物锻 件坯料1加热保温完毕后，打开坯料加热室7和模具加热室16之间的活动隔热板10，将 TiAl金属间化合物锻件坯料1沿着载料台6从坯料加热室7推至模具加热室16内，并夹持 放入凹模17的型腔之内；步骤三、关闭隔板10、坯料加热室炉门8以及模具加热室炉门18，准备锻造；步骤四、锻造凸模14、凹模17在压机作用下进行合模、保压，完成锻造过程；TiAl 金属间化合物锻件坯料1在凸模14、凹模17构成的模具型腔内成形，从而获得TiAl金属间 化合物锻件成品2。本实施方式中所述TiAl金属间化合物锻造坯料1为Ti3Al、Ti2Al、TiAl、TiA13或 TiA12Nb。本实施方式所述方法，在对坯料1以及锻造模具(凸模14和凹模17)加热前，可 将活动隔板10关闭(即向下插入)，以确保坯料加热室7的炉膛与模具加热室16的炉膛相 互独立，互不贯通，确保加热效果。本实施方式所述方法，在锻造之前，先进行模具安装调试的步履在压力机上安装 凸模14、凹模17，同时需要在模具与压机之间铺设水冷板12。并在模具与水冷板12之间填 充石棉板保温材料(石棉板13)；将模具对正，调整好压力机活动横梁下死点，以方便下一 步的锻造。针对本发明再进行如下阐述本发明所述装置根据锻件及模具形状设计成双室加热的加热方式。本发明所述 装置拥有两个独立相邻且可贯通的加热室，两个加热室分别是坯料加热室7和模具加热室 16。每个加热室均有独立的温度加热、测量、控制系统以及通向外界的炉门。分隔两个加热 室的活动隔板10由氧化锆轻质保温材料制成，以确保两个加热室在工作状态下不存在热量流动且易于开启。活动隔板10可以活动，方便坯料1从坯料加热室7移动到模具加热 室16。载料台6用于承载坯料，并可在打开活动隔板10的情况下，将坯料1从坯料加热室 7送入位于模具加热室16，并夹持放入模具型腔内。这样做的目的就是为了避免传统锻造 过程中坯料从加热炉移动到模具型腔过程中热量的大量损失。两个加热室的加热元件、保 温材料应根据其各自的工作温度选择相应的材料。坯料加热室7工作温度处于1230°C 1300°C，采用高温加热元件硅钼加热棒5进行加热，坯料加热室炉体3、载料台6由于有结 构强度方面的要求，均采用强度较高的高温粘土耐火砖材料，并在耐火砖的结合处与暴露 在加热室的表面铺设轻质硅酸铝保温材料以达到更好的保温效果。坯料加热室炉门8选 用氧化锆保温材料，在具有良好的保温效果同时方便开启。模具加热室16工作温度处于 800°C 1000°C，采用电阻丝19加热即可满足温度要求，模具加热室炉膛15由碳化硅材料 制成，保温层20(模具加热室炉体20)中填充轻质硅酸铝保温材料，模具加热室炉门18同 样选择轻质保温材料氧化锆。两个加热室坯料加热室7、模具加热室16应紧密相邻，这样可以使得TiAl金属 间化合物坯料1尽可能快的从坯料加热室7移动到模具加热室16中的模具型腔之中，最大 限度地减少热量损失。同时隔板10应当充分绝热，使得工作过程中两个加热室之间在隔板 10闭合状态下不存在热量流动，以防止长时间工作时，模具加热室16温度超出设计使用范 围，对炉体及模具造成损害。由于工作温度(800°C 1000°C )较一般锻造更高，凸模14、凹模17材料应选择 高温合金，并在上下模具与水冷板12之间填充石棉板保温板13，使模具在加热、成形过程 中温度分布均勻，热量损失小，这样提高了加热效率。同时需要在模具与压机之间铺设水冷 板12，在水冷板12上加工出水道11，工作时通入循环水降温，防止模板在长时间高温大应 力状态下产生变形，损伤模具或成形设备。工作时，模具加热室16和坯料加热室7分别对锻造模具14、17和TiAl金属间化 合物锻造坯料1进行加热并保温。具体的加热规范需根据坯料大小参照锻造工艺手册计算 获得。模具加热至800°C 1000°C，而坯料加热至1230°C 1300°C。当模具达到预定温度，TiAl坯料1加热保温完毕后，打开双室间的隔热板10，利用 火钳或者类似工具将坯料1沿着载料台6从坯料加热室7推至模具加热室16，并夹持放入 模具型腔之内。由于坯料1始终在加热的气氛中移动，没有经历室温环境，这就在最大程度 上避免了传统锻造工艺过程中坯料从加热炉转移到模具型腔中的热量损失。
权利要求
一种TiAl金属间化合物类锻件的双室高温锻造成形装置，所述成形装置包括坯料高温加热元件(5)、模具高温加热元件(19)、凸模(14)和凹模(17)，其特征在于所述成形装置还包括坯料加热室(7)、模具加热室(16)和活动隔板(10)，所述坯料加热室(7)和模具加热室(16)相邻设置且二者之间设置有活动隔板(10)，通过上下拉动活动隔板(10)可实现坯料加热室(7)的炉膛与模具加热室(16)的炉膛相互贯通、坯料加热室(7)的炉膛与模具加热室(16)的炉膛相互独立；凸模(14)、凹模(17)的工作端均置于模具加热室(16)内，凸模(14)的型面与凹模(17)的型面上下相对应设置构成TiAl金属间化合物类锻件型腔；所述坯料加热室(7)和模具加热室(16)均为密闭室体；在坯料加热室(7)内设置有坯料高温加热元件(5)，模具高温加热元件(19)，模具加热室(16)的上下壁体上设置有模具高温加热元件(19)。
2.根据权利要求1所述的TiAl金属间化合物类锻件的双室高温锻造成形装置，其特征 在于所述坯料加热室(7)包括坯料加热室炉体(3)和坯料加热室炉门(8)，所述坯料加热 室炉门(8)安装在远离模具加热室(16)的坯料加热室炉体(3)的侧壁上。
3.根据权利要求2所述的TiAl金属间化合物类锻件的双室高温锻造成形装置，其特征 在于所述模具加热室(16)包括模具加热室炉体(20)和模具加热室炉门(18)，所述模具 加热室炉门(18)安装在远离坯料加热室(7)的模具加热室炉体(20)的侧壁上。
4.根据权利要求3所述的TiAl金属间化合物类锻件的双室高温锻造成形装置，其特 征在于所述成形装置还包括载料台(6)，所述载料台(6)位于坯料加热室(7)及模具加热 室(16)的炉膛内，即所述载料台(6) —部分置于坯料加热室炉体(3)的底端面上，所述载 料台(6)的另一部分置于模具加热室炉体(20)的底端面上，且所述载料台(6)的另一部分 的端面与凹模(17)接触。
5.根据权利要求4所述的TiAl金属间化合物类锻件的双室高温锻造成形装置，其特 征在于所述坯料加热室(7)还包括硅酸铝保温层(4)，所述坯料加热室炉体(3)和载料台 (6)均采用强度较高的高温粘土耐火砖材料制成；在料加热室炉体(3)和载料台(6)的内 表面上铺设硅酸铝保温层(4)。
6.根据权利要求3、4或5所述的TiAl金属间化合物类锻件的双室高温锻造成形装置， 其特征在于所述活动隔板(10)、坯料加热室炉门(8)以及模具加热室炉门(18)均采用氧 化锆保温材料制成。
7.根据权利要求6所述的TiAl金属间化合物类锻件的双室高温锻造成形装置，其特征 在于所述模具加热室(16)还包括碳化硅模具加热层(15)，所述模具加热室炉体(20)由 硅酸铝保温材料制成，模具加热室炉体(20)上下壁体的内表面分别设有碳化硅模具加热 层(15)，所述模具高温加热元件(19)设置在碳化硅模具加热层(15)内。
8.根据权利要求1、2、3、4、5或7所述的TiAl金属间化合物类锻件的双室高温锻造 成形装置，其特征在于所述坯料高温加热元件(5)为硅钼加热棒；所述模具高温加热元件 (19)为电阻丝。
9.根据权利要求8所述的TiAl金属间化合物类锻件的双室高温锻造成形装置，其特征 在于所述成形装置还包括两个水冷板(12)和两个石棉板(13)，每个水冷板(12)上开有 多条水道(11)，凸模(14)的上端面、凹模(17)的下端面各设置有一个水冷板(12)；在凸模 (14)与水冷板(12)之间以及凹模(17)与水冷板(12)之间各设置有石棉板(13)。
10. 一种利用权利要求1至9中任一权利要求所述成形装置的TiAl金属间化合物类锻 件的双室高温锻造成形方法，其特征在于所述方法是按照以下步骤实现的步骤一、将TiAl金属间化合物锻件坯料1放入坯料加热室7内的载料台6上进行加热 并保温，与此同时，在模具加热室(16)内对锻造模具凸模(14)和凹模(17)进行加热并保 温；将凸模(14)和凹模(17)加热至800°C 1000°C，将TiAl金属间化合物锻件坯料⑴ 加热至 1230 1300 0C ；步骤二、当锻造模具凸模(14)和凹模(17)达到预定温度时，且TiAl金属间化合物锻 件坯料(1)加热保温完毕后，打开坯料加热室(7)和模具加热室(16)之间的活动隔热板 (10) JfTiAl金属间化合物锻件坯料(1)沿着载料台(6)从坯料加热室(7)推至模具加热 室(16)内，并夹持放入凹模(17)的型腔之内；步骤三、关闭隔板(10)、坯料加热室炉门⑶以及模具加热室炉门(18)，准备锻造； 步骤四、锻造凸模(14)、凹模(17)在压机作用下进行合模、保压，完成锻造过程；TiAl 金属间化合物锻件坯料(1)在凸模(14)、凹模(17)构成的模具型腔内成形，从而获得TiAl 金属间化合物锻件成品(2)。
全文摘要
TiAl金属间化合物类锻件的双室高温锻造成形装置及方法，它涉及一TiAl金属间化合物类锻件的成形方法及装置。本发明解决了传统锻造技术对TiAl金属间化合物材料进行锻造时存在坯料热量损失大、变形抗力大、锻造变形量小、锻造困难等问题。所述坯料加热室和模具加热室相邻设置且二者之间设置有活动隔板，通过上下拉动活动隔板可实现坯料加热室的炉膛与模具加热室的炉膛相互贯通、坯料加热室的炉膛与模具加热室的炉膛相互独立。分别在不同加热室中将TiAl坯料和模具加热至1230℃～1300℃和800℃～1000℃；打开活动隔板10将TiAl坯料沿着载料台推入模具加热室内并放入模具型腔中；合模锻造。本发明用于TiAl金属间化合物材料高温锻造成形。
文档编号B21J1/06GK101947617SQ20101026652
公开日2011年1月19日 申请日期2010年8月30日 优先权日2010年8月30日
发明者叶磊, 孙宏飞, 王尔德, 王欣, 胡连喜 申请人:哈尔滨工业大学