一种粉末高温合金构件阶段加热挤压控形方法与流程

本发明是一种用于粉末高温合金构件的阶段加热挤压控形方法，属于热加工技术领域，涉及粉末高温合金构件制备工艺的改进。

背景技术：

粉末高温合金是为了解决铸锻合金高温合金高合金化造成的凝固偏析和变形困难而发展起来的盘件材料。高合金化粉末高温合金具有耐高温、高强韧性和低裂纹扩展速率等综合性能优异的优点，是制造高性能、高可靠性、长寿命先进航空发动机用涡轮盘等耐高温部件的首选材料。但是，高合金化粉末高温合金一般对温度及其敏感，加工窗口窄，属于难变形合金，导致在工艺执行和组织控制过程中存在一定的困难。

国外粉末高温合金主要用来制备高性能发动机涡轮盘等热端部件，主要采用粉末热等静压+挤压+等温锻造的工艺方法制备，其工艺特点是工艺复杂，制备周期长，成本高，而且，在不同的工序之间需要对构件坯料进行多次机械加工，以满足工序对构件坯料形状和表面状态的要求，造成了材料利用率低。

技术实现要素：

本发明正是针对上述现有国内现有技术中存在的不足而设计提供了一种用于粉末高温合金构件的阶段加热挤压控形方法，其目的是提高粉末高温合金构件的生产效率和材料利用率。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种用于粉末高温合金构件的阶段加热挤压控形方法，其特征在于：该方法的步骤是：

步骤一、粉末准备

根据构件尺寸计算并称量雾化高温合金粉末，称量的重量按以下公式计算：

m_装载＝m_计算/0.8 公式1

式中：m_装载为装载到模具中的雾化高温合金粉末重量，m_计算为根据构件的体积计算得到的雾化高温合金粉末重量；

步骤二、挤压模具制备

采用断裂强度超过2000MPa的钢材料制备挤压模具，该模具由上环形模(1)和下环形模(2)构成挤压模具型腔，其中，下环形模(2)固定在压机的下工作台上，上环形模(1)装在下环形模(2)上，并与下环形模(2)紧密配合，上环形模(1)的内径比下环形模(2)的内径大，上环形模(1)和下环形模(2)能够沿轴向对开；

在上环形模(1)的内腔中有上压环(3)，上压环(3)与上环形模(1)之间的配合为过度配合，上压环(3)的中心孔中安装上压头(4)，上压头(4)与上压环(3)之间的配合为过度配合，在下环形模(2)的中心孔中安装下压头(5)，下压头(5)与下环形模(2)之间的配合为过度配合，从而实现上压环(3)、上压头(4)和下压头(5)可以沿竖直方向自由上下移动且三者的中心线与上环形模(1)和下环形模(2)的中心线同轴；

步骤三、液压系统和加热系统就位

将挤压模具内壁用酒精及丙酮清理干净，并置于真空室内，真空室内设置三套液压系统和加热系统，三套液压系统分别对接上压环(3)、上压头(4)和下压头(5)，在雾化高温合金粉末装载之前，下压头(5)的上端和下环形模(2)的上端平齐，上压环(3)和上压头(4)的下端平齐，并高出上环形模(1)顶端，加热系统位于挤压模具的四周；

步骤四、粉末装载

在真空室内将预先准备好的粉末高温合金雾化粉末通过上压环(3)和上压头(4)的下端与上环形模(1)之间的间隙倒入模具中；

步骤五、粉末及模具预加热

将模具及粉末加热到500-700℃，进行保温，保温时间按以下公式计算：

T_保温时间＝(L_{上环形模内腔直径}+L_{上环形模壁厚}×2)×1.7min/mm 公式2

步骤六、粉末固化

待保温时间结束后，下压头(5)保持不同，上压环(3)和上压头(4)同时向下运动，速度保持在17mm/s～20mm/s之间，直至压力达到300-700MPa，此时，上压环(3)和上压头(4)停止运动；

然后继续升温到1050-1150℃，进行保温，保温时间按照公式2计算；

步骤七、粉末固化后的构件成形采用以下四种方式之一：

第一种：再次等到保温时间结束后，下压头(5)依然保持不动，上压环(3)和上压头(4)继续同时向下运动，速度保持在17mm/s～20mm/s之间，直至压力达到1000-1400MPa，上压头(4)和上压环(3)停止运动，此时即可获得圆柱形粉末高温合金锭；

第二种：再次等到保温时间结束后，下压头(5)依然保持不动，上压头(4)和上压环(3)继续同时向下运动，速度保持在17mm/s～20mm/s之间，直至压力达到1000-1400MPa，之后，上压头(4)继续向下运动，同时上压环(3)开始同速向上运动，上压头(4)的下端面不接触下压头(5)的上端面时，上压头(4)和上压环(3)停止运动，即可获得杯形粉末高温合金锭；

第三种：再次等到保温时间结束后，下压头(5)依然保持不动，上压头(4)和上压环(3)继续同时向下运动，速度保持在17mm/s～20mm/s之间，直至压力达到1000-1400MPa，之后，上压头(4)继续向下运动，同时上压环(3)开始同速向上运动，待上压头(4)的下端面接触下压头(5)的上端面时，上压头(4)和上压环(3)停止运动，即可获得管形粉末高温合金锭；

第四种：再次等到保温时间结束后，下压头(5)依然保持不动，上压头(4)和上压环(3)继续同时向下运动，速度保持在17mm/s～20mm/s之间，直至压力达到1000-1400MPa，之后，下压头(5)开始同速向下运动，待上压头(4)和上压环(3)的下端面接触下环形模(2)的内腔的上端面时，即可获得棒形粉末高温合金锭；

步骤八、粉末高温合金锭的后处理

将上压环(3)和上压头(4)的位置调整至在雾化高温合金粉末装载之前的状态，将上环形模(1)和下环形模(2)沿轴向打开，取出粉末高温合金锭，冷却至室温后进行吹砂，并采用机械加工的方法去除表面污垢，即得到粉末高温合金构件。

本发明技术方案具有的特点和有益效果是：

本发明主要针对采用热等静压+挤压+等温锻造工艺制备粉末高温合金构件存在锻件制备周期长、制造成本高的技术现状，用粉末阶段加热挤压控形的方法以替代原有的粉末热等静压+挤压+等温锻造的方式，解决了制备周期长，制造成本高和材料利用率低的问题。

本发明是一种针对在粉末冶金高温合金构件的塑性成形技术研究，其基本原理是利用了粉末材料良好的流动性，借助阶段变化的变形温度和压力，使粉末材料在较低温度和较小压力下达到初步致密化，并保留粉末颗粒具有一定程度的表面活性和流动性，接下来，提高变形温度和压力，结合模具运动方向和变形速度等塑性变形参数，使高温合金粉末流动并达到一定的形状(圆柱形、杯形，棒形和管形等)，在这一过程中，粉末颗粒之间的孔隙完全消失，达到全致密化。与此同时，利用正挤压和背挤压的循环交替作用，对粉末颗粒施加一定的应变条件，粗大颗粒向细小晶粒晶粒转变，并且完成构件成形，从而制备出全致密的粉末构件，实现粉末构件固化-组织-成形一体化。相比于热等静压(一般为10％)，变形量大幅度提高至50～70％，促使再结晶发生，粉末的原始颗粒边界得到破碎，从而制备出组织致密且具有细小再结晶晶粒的粉末高温合金构件。

本发明技术方案与与国内外粉末高温合金环形构件的制备技术相比，其优点主要体现在：

(1)利用粉末良好的流动性，粉末成形过程中，粉末构件的形状一直在改变，实现了构件固化-组织-成形的一体化，减少了坯料加工余量，提高了锻件材料利用率；

(2)粉末材料从粉体到最后的块体成形，整个过程并不是在同一个温度下实现的，变形温度是阶段变化的，从而满足粉末颗粒从界面结合到再结晶形核和长大整个过程对于塑性成形条件的不同需求；

(3)粉末颗粒在一定的塑性变形条件下成形，由于正挤压和背挤压的循环交替作用，便于调整构件不同区域的应力和应变状态；

(4)简化了工艺流程，缩短了研制周期，提高材料利用率，降低构件制造成本。

附图说明

图1为本发明技术方案中挤压模具的结构示意图

图2为本发明技术方案实施例1的高温合计构件的微观组织形貌

图3为本发明技术方案实施例2的高温合计构件的微观组织形貌

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

实施例1

该种用于粉末高温合金构件的阶段加热挤压控形方法，其特征在于：该方法的步骤是：

步骤一、粉末准备

根据构件尺寸计算并称量雾化高温合金粉末7kg，称量的重量按以下公式计算：

m_装载＝m_计算/0.8 公式1

式中：m_装载为装载到模具中的雾化高温合金粉末重量，m_计算为根据构件的体积计算得到的雾化高温合金粉末重量；

步骤二、挤压模具制备

采用断裂强度超过2000MPa的钢材料制备挤压模具，该模具由上环形模1和下环形模2构成挤压模具型腔，其中，下环形模2固定在压机的下工作台上，上环形模1装在下环形模2上，并与下环形模2紧密配合，上环形模1的内径比下环形模2的内径大，上环形模1和下环形模2能够沿轴向对开；

在上环形模1的内腔中有上压环3，上压环3与上环形模1之间的配合为过度配合，上压环3的中心孔中安装上压头4，上压头4与上压环3之间的配合为过度配合，在下环形模2的中心孔中安装下压头5，下压头5与下环形模2之间的配合为过度配合，从而实现上压环3、上压头4和下压头5可以沿竖直方向自由上下移动且三者的中心线与上环形模1和下环形模2的中心线同轴；

步骤三、液压系统和加热系统就位

将挤压模具内壁用酒精及丙酮清理干净，并置于真空室内，真空室内设置三套液压系统和加热系统，三套液压系统分别对接上压环3、上压头4和下压头5，在雾化高温合金粉末装载之前，下压头5的上端和下环形模2的上端平齐，上压环3和上压头4的下端平齐，并高出上环形模1顶端，加热系统位于挤压模具的四周；

步骤四、粉末装载

在真空室内将预先准备好的高温合金雾化粉末6通过上压环3和上压头4的下端与上环形模1之间的间隙倒入模具中；

步骤五、粉末及模具预加热

将模具及高温合金雾化粉末6加热到700℃，进行保温，保温时间按以下公式计算：

T_保温时间＝(L_{上环形模内腔直径}+L_{上环形模壁厚}×2)×1.7min/mm 公式2

步骤六、粉末固化

待保温时间结束后，下压头5保持不同，上压环3和上压头4同时向下运动，速度保持在17mm/s之间，直至压力达到500MPa，此时，上压环3和上压头4停止运动；

然后继续升温到1070℃，进行保温，保温时间按照公式2计算；

步骤七、圆柱形粉末构件成形

再次等到保温时间结束后，下压头5依然保持不动，上压环3和上压头4继续同时向下运动，速度保持在17mm/s之间，直至压力达到1400MPa，上压头4和上压环3停止运动，此时即可获得圆柱形粉末高温合金锭；

步骤八、粉末高温合金锭的后处理

将上压环3和上压头4的位置调整至在雾化高温合金粉末装载之前的状态，将上环形模1和下环形模2沿轴向打开，取出粉末高温合金锭，冷却至室温后进行吹砂，并采用机械加工的方法去除表面污垢，即得到粉末高温合金构件。

参见附图2所示，粉末高温合金构件的微观组织均匀，看不到明显的原始颗粒边界。

实施例2

该种用于粉末高温合金构件的阶段加热挤压控形方法，其特征在于：该方法的步骤是：

步骤一、粉末准备

根据构件尺寸计算并称量雾化高温合金粉末5kg，称量的重量按以下公式计算：

m_装载＝m_计算/0.8 公式1

式中：m_装载为装载到模具中的雾化高温合金粉末重量，m_计算为根据构件的体积计算得到的雾化高温合金粉末重量；

步骤二、挤压模具制备

采用断裂强度超过2000MPa的钢材料制备挤压模具，该模具由上环形模1和下环形模2构成挤压模具型腔，其中，下环形模2固定在压机的下工作台上，上环形模1装在下环形模2上，并与下环形模2紧密配合，上环形模1的内径比下环形模2的内径大，上环形模1和下环形模2能够沿轴向对开；

在上环形模1的内腔中有上压环3，上压环3与上环形模1之间的配合为过度配合，上压环3的中心孔中安装上压头4，上压头4与上压环3之间的配合为过度配合，在下环形模2的中心孔中安装下压头5，下压头5与下环形模2之间的配合为过度配合，从而实现上压环3、上压头4和下压头5可以沿竖直方向自由上下移动且三者的中心线与上环形模1和下环形模2的中心线同轴；

步骤三、液压系统和加热系统就位

将挤压模具内壁用酒精及丙酮清理干净，并置于真空室内，真空室内设置三套液压系统和加热系统，三套液压系统分别对接上压环3、上压头4和下压头5，在雾化高温合金粉末装载之前，下压头5的上端和下环形模2的上端平齐，上压环3和上压头4的下端平齐，并高出上环形模1顶端，加热系统位于挤压模具的四周；

步骤四、粉末装载

在真空室内将预先准备好的高温合金雾化粉末6通过上压环3和上压头4的下端与上环形模1之间的间隙倒入模具中；

步骤五、粉末及模具预加热

将模具及高温合金雾化粉末6加热到500-700℃，进行保温，保温时间按以下公式计算：

T_保温时间＝(L_{上环形模内腔直径}+L_{上环形模壁厚}×2)×1.7min/mm 公式2

步骤六、粉末固化

待保温时间结束后，下压头5保持不同，上压环3和上压头4同时向下运动，速度保持在20mm/s之间，直至压力达到700MPa，此时，上压环3和上压头4停止运动；

然后继续升温到1100℃，进行保温，保温时间按照公式2计算；

步骤七、杯形粉末构件成形

再次等到保温时间结束后，下压头5依然保持不动，上压头4和上压环3继续同时向下运动，速度保持在20mm/s之间，直至压力达到1100MPa，之后，上压头4继续向下运动，同时上压环3开始同速向上运动，上压头4的下端面不接触下压头5的上端面时，上压头4和上压环3停止运动，即可获得杯形粉末高温合金锭；

步骤八、粉末高温合金锭的后处理

将上压环3和上压头4的位置调整至在雾化高温合金粉末装载之前的状态，将上环形模1和下环形模2沿轴向打开，取出粉末高温合金锭，冷却至室温后进行吹砂，并采用机械加工的方法去除表面污垢，即得到粉末高温合金构件。

参见附图3所示，粉末高温合金构件的微观组织均匀，看不到明显的原始颗粒边界。