高温合金双性能盘辗压成形工艺的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种高温合金双性能涡轮盘的辗压成形工艺。该工艺的主要特征是使用双面辗压成形技术和感应加热方法在高温状态下进行涡轮盘辗压成形，能够一次成形出盘件的外形和产生双性能的晶粒度分布。该工艺使用的高温合金盘坯可以是热等静压后的粉末盘坯，也可以是由经过锻造的铸锭盘坯，要求盘坯晶粒不能过于粗大，粉末盘坯无疏松缺陷，颗粒之间焊合良好。与现行普遍使用的等温锻造+双重组织热处理工艺相比，这种高温合金双性能涡轮盘的制造方法的技术优势是同时形成盘件的几何形状与双组织双性能，免除了双重组织热处理工艺，工艺流程短，数控操作，工艺稳定，无模成形，低载荷，低成本，易于工业应用。
【专利说明】高温合金双性能盘辗压成形工艺
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高温合金双性能涡轮盘的辗压成形工艺。
【背景技术】
[0002]在现有技术中，无论是铸锭坯料，还是粉末盘坯，国内外普遍使用整体模锻工艺成形涡轮盘。整体模锻工艺包括普通模锻、差温锻造和等温锻造。等温锻造可以提高盘件组织性能的均匀性，但模具成本很高。双性能盘分为双合金双性能盘与单合金双性能盘。双合金双性能盘是用持久、抗蠕变的粗晶合金制作轮缘部位，用高强度的细晶合金制作轮毂部位，将两部分通过焊接、热等静压复合或超塑性锻造等方法连接起来就制成了双合金双性能盘。这种盘的制造工艺技术难点在于如何避免盘缘和盘心两种合金可能成为裂纹源的“弱连接”和单合金双性能盘不存在“弱链接”问题，但是用整体模锻方法做不出所要求的晶粒度梯度分布。现有两种制造单合金双性能盘的方法，第一种方法是用细晶粉末坯和特殊热处理炉，使盘心保持低温细晶，使轮缘保持高温和晶粒长大，在过渡区有一个合理的温度分布。该技术关键是设计盘心绝热或冷却装置。国际上制造单合金双性能盘的典型工艺是用等温锻造(ITF)制成细晶粉末坯，再通过双重组织热处理(DMHT)获得双性能盘。由于涡轮盘自身热传导的作用，在盘心和轮缘之间保持长时间较大温差是一件很困难事情。另一种方法是使用细晶粉末坯，只锻中心与过渡区，外缘只感应加热不锻造，造成晶粒长大；其缺点是，外缘不锻造有空隙缺陷，很难保持心部稳定低温。
[0003]盘件双面辗压是一种高温成形新技术，其优势是载荷低、无模、柔性、数字化控制，工艺稳定。对应的双面辗压成形设备已被授权实用新型专利(专利号Z1200720195059.6)。通常盘件和辗压头在加热炉内一起加热，进行等温辗压。最近一个盘型件双面辗压成形感应加热技术已申报发明专利(申请号201110399183.5)，这项技术实现了盘件的可控、非均温辗压成形。本发明将上述两种技术用于制造高温合金双性能涡轮盘，发明重点是具体成形工艺。
[0004]
【发明内容】
[0005]本发明提供了一种高温合金双性能涡轮盘的辗压成形工艺。该工艺的技术特征是:所使用的高温合金盘坯可以是热等静压后的粉末盘坯，也可以是由经过锻造的铸锭盘坯，要求盘坯晶粒不能过于粗大，粉末盘坯无疏松缺陷，颗粒之间焊合良好。使用双面辗压成形技术和感应加热方法在高温状态下进行涡轮盘辗压成形，能够一次成形出盘件的外形和产生双性能的晶粒度分布。
[0006]这是一种全新的高温合金双性能涡轮盘的制造方法，与现行普遍使用的等温锻造+双重组织热处理工艺相比，它的优势是同时形成盘件的几何形状与双组织双性能，免除了双重组织热处理工艺，工艺流程短，数控操作，工艺稳定，无模成形，低载荷，低成本，易于工业应用。[0007]该工艺成形高温合金双性能涡轮盘的原理是:通过控制盘件的温度分布、应变速率分布和应变分布来控制涡轮盘各部位的变形过程、动态再结晶过程、动态晶粒长大过程，由此获得形状、组织都合格的双性能涡轮盘。
[0008]该工艺的设计方法是:根据盘件的几何形状和所要求的晶粒度分布计算盘件成形时所需要的温度分布、应变分布和应变速率分布，据此设计辗压头的运动代码和感应圈的几何参数。辗压成形过程中涡轮盘内温度分布的设计以及感应圈的设计，涡轮盘内应变、应变速率分布的设计以及辗压头运动的设计，都需要使用热锻工艺数值模拟和晶粒演化预测软件。进行这些数值计算所需要的基础数据是:双性能涡轮盘尺寸和晶粒度要求，盘坯尺寸和初始晶粒度分布，高温合金材料的传热性能、热变形性能和晶粒演化规律。
[0009]辗压成形工艺的参数范围为:轮缘部位变形温度高于δ相完全固溶的温度，低于始锻温度，应变速率低于0.0OliT1 ;中心部位变形温度低于δ相开始固溶的温度，高于终锻温度，应变速率高于0.005s—1。在轮缘和中心之间温度和应变速率光滑过渡。
[0010]【专利附图】
【附图说明】下面结合附图对本发明做进一步详细的说明
图1为本发明使用的盘件辗压成形设备原理示意图，说明了被辗压的盘件、主轴和4个对称分布的辗压头之间的结构关系。辗压头的转动驱动盘件绕主轴的转动，辗压头压入盘件一定深度后的转动使盘件发生辗压变形。
[0011]图2为本发明使用的盘件感应加热原理示意图，图中，D为盘件的直径，L，a, b,c为感应圈的几何尺寸，它们对盘件温度分布有明显影响。
【具体实施方式】
[0012]待成形的双性能盘直径为200mm、最大厚度20mm,盘内有一个深为5mm宽为30mm的沟槽，沟槽的内径为100m。盘件材料为GH4169高温合金。该双性能盘的晶粒度要求为:轮缘部位晶粒度为5-6级，轮毂(中心)部位晶粒度为8-12级，轮缘与轮毂之间晶粒度光滑过渡。该双性能盘成形具体工作步骤如下。
[0013]I)制坯:使用标准状态棒材，经自由锻制坯，获取平均晶粒尺寸为60-100 μ m的盘坯，盘坯与盘件体积相等，盘坯直径为180mm。
[0014]2)根据晶粒度分布设计盘件边缘温度1020°C -1lOO0C，中心温度950°C -1000°C，据此设计感应加热圈，L=240mm, a=240mm, b=65-80mm, c=8-10mm。使用高频感应加热电源。
[0015]3)根据盘件几何尺寸、应变速率要求设计辗压头运动代码，包括进给量、进给速度和辗压头转速。
[0016]4)应用数值模拟技术校核、优化所设计的辗压头运动参数与盘件温度参数。
[0017]5)安装感应圈，将辗压头运动代码输入到控制计算机内。装卡盘坯到主轴上。
[0018]6 )启动辗压主机，使辗压头接触盘件表面带动盘件转动，开启水冷机、红外侧温与温控器、感应加热电源。测试点温度设置为1030°C，加热时间30-40分钟，保温时间5-10分钟，辗压头转速5rpm。
[0019]7)启动辗压头程序控制，开始盘件辗压变形。
[0020]8)辗压结束后，辗压头退回到盘件表面，盘件在转动中缓慢降温，按程序要求从1030°C到450°C，大约需要50-60分钟。
[0021]9)盘件降温到450°C后，辗压头复位退回机械零点，盘件空冷到室温。
【权利要求】
1.一种高温合金双性能涡轮盘的辗压成形工艺，其特征是:所述高温合金的盘坯可以由铸锭锻造或粉末烧结制成，粉末盘坯无疏松缺陷，颗粒之间焊合良好；所述双性能涡轮盘辗压成形工艺使用双面辗压成形技术和感应加热方法在高温状态下进行涡轮盘辗压成形，能够一次成形出盘件外形和双性能的晶粒组织；根据盘件的几何形状和所要求的晶粒度分布计算盘件成形时的温度分布、应变分布和应变速率分布，据此设计辗压头的运动代码和感应圈的几何参数。
2.按照权力要求I所述的成形工艺，对于GH4169高温合金，盘坯晶粒度不低于4级，轮缘部位变形温度950°C -1000°C，应变速率低于0.0OliT1 ;中心部位变形温度10200C -1100°C，应变速率高于 0.005s'
【文档编号】B21H1/02GK103586378SQ201310551488
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月8日 优先权日:2013年11月8日
【发明者】金泉林 申请人:机械科学研究总院先进制造技术研究中心