改善高温合金锭坯端面组织的锻造方法及其应用、高温合金锻坯与流程

本发明涉及热加工锻造
技术领域：
，尤其是涉及一种改善高温合金锭坯端面组织的锻造方法及其应用、高温合金锻坯。
背景技术：
：镦粗是合金锻造过程最常用的操作，一是为了实现产品的形状和尺寸要求，二是进一步改善合金内部微观组织。镦粗过程变形量最小和降温最快的就是接触锤砧的锭坯上、下端面，这里的组织与其余部位相比差别较大，因此要最大限度的减少这种差异来满足某些合金对较高组织均匀性的要求。对于高温合金锭坯，例如为了满足低偏析和产品尺寸和重量的综合需求采用电渣重熔连续定向凝固冶炼工艺制备的大高径比(高径比最大至5)难变形高温合金锭坯，镦粗是开坯锻造的唯一手段。大高径比高温合金锭坯上下端部在镦粗过程接触锻压机锤砧降温最快，同时接触锤砧的端部金属流动最少(变形量最小)，这时端部在经过2-3次镦粗过程中将遗留铸态粗大的柱状晶组织，且嵌入到锭坯一定深度，后续将很难消除。有鉴于此，特提出本发明。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种改善高温合金锭坯端面组织的锻造方法，该锻造方法可实现改善大高径比的高温合金锭坯的镦粗开坯后端面微观组织的目的。本发明提供的改善高温合金锭坯端面组织的锻造方法，包括：a)在高温合金锭坯的第一端设置第一硬包套模具，高温合金锭坯的第二端设置第二硬包套模具，得到带有硬包套的坯料；b)对所述带有硬包套的坯料进行镦粗处理，得到镦粗后的锭坯；c)对去除硬包套的镦粗后的锭坯依次进行镦粗整形和退火处理，其中，所述第一端与所述第二端在沿所述高温合金锭坯的轴向上相对设置；所述第一硬包套模具和所述第二硬包套模具朝向所述高温合金锭坯的表面与所述高温合金锭坯之间设置有空隙，在沿所述高温合金锭坯的径向上所述空隙的厚度由中心向周边逐渐增大；所述第一硬包套模具和所述第二硬包套模具与所述高温合金锭坯的材料相同。进一步地，在沿所述高温合金锭坯的轴向上，所述第一硬包套模具和所述第二硬包套模具的厚度各自独立地为15-30mm；优选地，在所述第一硬包套模具和所述第二硬包套模具在朝向高温合金锭坯一侧的直角处倒圆角，优选倒圆角r5-10。进一步地，在所述空隙中设置软包套；优选地，所述软包套包括玻璃纤维毯和/或玻璃粉。进一步地，采用氩弧焊的焊接方式将所述第一硬包套模具和所述第二硬包套模具与所述高温合金锭坯焊接在一起；优选地，氩弧焊时采用镍铬焊丝材料作为焊丝；优选地，焊接后带有硬包套的坯料的圆柱度、平行度和同轴度的公差各自独立地在±2mm以内。进一步地，在步骤b)中，先将所述带有硬包套的坯料在1000-1050℃保温0.5-1.5h，再在1100-1170℃保温2-4h，然后对所述带有硬包套的坯料进行镦粗处理；优选地，先将所述带有硬包套的坯料在1000-1050℃保温0.5-1.5h，再在1100-1170℃保温2-4h，然后在所述带有硬包套的坯料表面包软包套，最后对包有软包套的坯料进行镦粗处理；优选地，在所述带有硬包套的坯料表面包软包套后，将坯料在1100-1170℃保温0.5-1.5h，再对包有软包套的坯料进行镦粗处理；优选地，步骤b)中，所述镦粗处理的变形速率为10-20mm/s，和/或，所述镦粗处理的变形量为20-50％。进一步地，在步骤c)中，所述镦粗整形的变形量大于0小于等于10％；优选地，所述退火处理的温度为1100-1200℃；优选地，重复步骤a)至c)2-4次。进一步地，在步骤a)之前，对所述高温合金锭坯进行均匀化热处理；优选地，所述均匀化热处理包括：将所述高温合金锭坯先在400-850℃保温不小于2h，再在1050-1100℃保温不小于4h，然后在1140℃-1180℃保温不小于4h，最后在1180℃-1210℃保温不小于24h。进一步地，所述高温合金包括镍基高温合金、铁镍基高温合金和钴基高温合金中的至少一种；优选地，所述高温合金的高径比为3-5；优选地，所述高温合金包括具有以下质量分数的组分：co：13.0-21.0％，cr：12-16％；mo：3.5-4.5％，w：2.0-4.0％，al：1.9-3.5％，ti：3.5-4.5％；nb：0.5-1.5％；ta：0.0-3.0％；b：0.010-0.040％；c：0.005-0.060％；zr：0.030-0.060％；fe：0-0.5％；以及余量的ni；优选地，所述高温合金包括gh4096合金。一种前面所述的锻造方法在制备高温合金锻坯中的应用。一种高温合金锻坯，在制备所述高温合金锻坯的过程中采用前面所述的锻造方法。与现有技术相比，本发明至少可以取得以下有益效果：本发明的锻造方法可有效改善高温合金锭坯上下端(即第一端和第二端)面心部的微观组织状态，改善端面表面质量、降低端面开裂的风险，可以达到减小端面心部和其他部位组织差异的效果；步骤c)中的镦粗整形后采用的退火处理是发生亚动态再结晶改善组织的有效手段，可相当程度上改善由于锻造过程来不及发生的动态再结晶；硬包套模具选用与高温合金锭坯相同的合金材料极大的增加施加于端面的压力，且有效的保证了硬包套模具材料变形与锻坯协调一致；另外，本发明的锻造方法还可以提高高温合金锭坯材料使用率，降低材料成本，节省国家战略资源。附图说明为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1a为本发明一个实施方式中带有硬包套的坯料的结构示意图；图1b为本发明一个实施方式中带有硬包套的坯料的结构示意图；图2为本发明一个实施方式中去除硬包套的镦粗后的高温合金锭坯的结构示意图；图3为本发明一个实施方式中镦粗整形后的高温合金锭坯的结构示意图；图4为实施例1中锻造得到的高温合金的锭坯的微观组织扫描电镜图；图5为对比例1中锻造得到的高温合金的锭坯的微观组织扫描电镜图；图6为对比例2中锻造得到的高温合金的锭坯的微观组织扫描电镜图。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。在本发明的一个方面，本发明提供了一种改善高温合金锭坯端面组织的锻造方法，参照图1a和图1b，该锻造方法包括：s100：在高温合金锭坯100的第一端110设置第一硬包套模具200，高温合金锭坯100的第二端120设置第二硬包套模具300，得到带有硬包套的坯料；其中，所述第一端110与所述第二端120在沿所述高温合金锭坯100的轴向上相对设置；所述第一硬包套模具200和所述第二硬包套模具300朝向所述高温合金锭坯100的表面与所述高温合金锭坯100之间设置有空隙400，在沿所述高温合金锭坯100的径向上所述空隙400的厚度由中心向周边逐渐增大；所述第一硬包套模具200和所述第二硬包套模具300与所述高温合金锭坯100的材料相同。需要说明的是，空隙的厚度指的是，在沿高温合金锭坯的轴向上，高温合金锭坯的第一端表面至第一硬包套模具朝向高温合金锭坯的表面之间的距离，以及高温合金锭坯的第二端表面至第二硬包套模具朝向高温合金锭坯的表面之间的距离。在本发明的一些实施方式中，在沿所述高温合金锭坯的轴向上，所述第一硬包套模具和所述第二硬包套模具的厚度各自独立地为15-30mm(例如可以为15mm、20mm、25mm或者30mm等)。相对于上述厚度范围，当第一硬包套模具和所述第二硬包套模具的厚度过大或过小都无法实现本发明的目的，尺寸过大的话容易脱落，尺寸过小的话达不到增加端面变形的目的。在本发明的一些实施方式中，在所述第一硬包套模具和所述第二硬包套模具朝向高温合金锭坯一侧的直角处倒圆角，优选倒圆角r5-10。第一硬包套模具和所述第二硬包套模具朝向高温合金锭坯一侧如果是直角的话，直角处硬度很高极易损伤锭坯，倒圆角可以有效避免上述问题。在本发明的一些实施方式中，参照图1a和图1b，在所述空隙中设置软包套500；优选地，所述软包套包括玻璃纤维毯(市售规格厚度5mm)和/或玻璃粉。可以理解的是，参照图1b，第一硬包套模具和第二硬包套模具直接与高温锭坯接触的部分也可以用软包套分隔开，以减少热量的传递。在本发明的一些实施方式中，采用氩弧焊的焊接方式将所述第一硬包套模具和所述第二硬包套模具与所述高温合金锭坯焊接在一起，焊接后的焊缝600可参照图1a和图1b；优选地，氩弧焊时采用镍铬焊丝材料作为焊丝；优选地，焊接后带有硬包套的坯料的圆柱度、平行度和同轴度的公差各自独立地在±2mm以内。在本发明的一些实施方式中，所述高温合金锭坯采用真空感应+电渣重熔连续定向凝固冶炼两联工艺，或采用真空感应+电渣重熔+真空自耗三联冶炼工艺制备；所述高温合金锭坯的高径比(即高度/直径)为3-5。在本发明的一些实施方式中，所述高温合金包括镍基高温合金、铁镍基高温合金和钴基高温合金中的至少一种。在本发明的一些具体实施方式中，所述高温合金包括具有以下质量分数的组分：co：13.0-21.0％，cr：12-16％；mo：3.5-4.5％，w：2.0-4.0％，al：1.9-3.5％，ti：3.5-4.5％；nb：0.5-1.5％；ta：0.0-3.0％；b：0.010-0.040％；c：0.005-0.060％；zr：0.030-0.060％；fe：0-0.5％；以及余量的ni，在本发明的一些优选实施方式中，所述高温合金包括gh4096合金。在本发明的一些实施方式中，在步骤s100之前，对所述高温合金锭坯进行均匀化热处理；优选地，所述均匀化热处理包括：将所述高温合金锭坯先在400-850℃保温不小于2h，再在1050-1100℃保温不小于4h，然后在1140℃-1180℃保温不小于4h，最后在1180℃-1210℃保温不小于24h。在本发明的一些具体实施方式中，所述均匀化热处理包括：随炉升温至400-850℃，保温不小于2h，以不大于80℃/h速度升温至1050-1100℃，保温不小于4h，以不大于10℃/h速度升温至1140℃-1180℃，保温不小于4h，以不大于10℃/h速度升温至1180℃-1210℃之间的某个温度保温不小于24h，随炉降温至800℃以下出炉空冷。s200：对所述带有硬包套的坯料进行镦粗处理，得到镦粗后的锭坯。在本发明的一些实施方式中，在步骤s200中，先将所述带有硬包套的坯料在1000-1050℃保温0.5-1.5h，再在1100-1170℃保温2-4h，然后对所述带有硬包套的坯料进行镦粗处理。在本发明的一些优选实施方式中，先将所述带有硬包套的坯料在1000-1050℃保温0.5-1.5h，再在1100-1170℃保温2-4h，然后在所述带有硬包套的坯料表面包软包套，最后对包有软包套的坯料进行镦粗处理。由此，在所述带有硬包套的坯料表面包软包套可以降低锻造锤砧与带有硬包套的坯料之间的传热速度。在本发明的一些实施方式中，在所述带有硬包套的坯料表面包软包套后，将坯料在1100-1170℃保温0.5-1.5h，再对包有软包套的坯料进行镦粗处理；软包套采用高温玻璃纤维毯与玻璃粉。在本发明的一些实施方式中，步骤s200中，所述镦粗处理的变形速率为10-20mm/s(例如可以为10mm/s、15mm/s或者20mm/s等)，和/或，所述镦粗处理的变形量为20-50％(例如可以为20％、30％、40％或者50％等)。s300：对去除硬包套的镦粗后的锭坯依次进行镦粗整形和退火处理。在本发明的一些实施方式中，去除硬包套的镦粗后的锭坯可参照图2，采用径向轻滚圆的操作将第一硬包套模具和第二硬包套模具与高温合金锭坯脱离。在本发明的一些实施方式中，在步骤s300中，所述镦粗整形的变形量大于0小于等于10％(例如可以为2％、4％、6％、8％或者10％等)，镦粗整形后的高温合金锭坯可参照图3，镦粗整形后的高温合金锭坯的第一端和第二端表面比较规整。在本发明的一些实施方式中，所述退火处理的温度为1100-1200℃(例如可以为1100℃、1120℃、1140℃或者1200℃等)。在上述温度范围内进行退火热处理，目的是发生亚动态再结晶，再结晶是所述高温合金晶粒细化的主要目的，再结晶分为静态再结晶、动态再结晶和亚动态再结晶三种，亚动态再结晶指在镦粗变形过程中，已经形成但尚未长大的动态再结晶晶核，以及虽已长大但在中途被遗留下来的再结晶晶粒，在变形终止后而后在足够高的温度采取退火时，这些晶核开始长大或晶粒开始迁移。然而高温合金锭坯第一端面和第二端面的变形量相对较小，再结晶尚未发生或中止，因而需要亚动态再结晶的退火热处理来改善组织。在本发明的一些实施方式中，重复步骤s100至s3002-4次。需要说明的是，重复s100至s3002次指的是进行了两次从步骤s100至s300的流程；重复3-4次可以以此类推。在本发明的一些具体实施方式中，以重复s100至s3002次为例进行阐述改善高温合金锭坯端面组织的锻造方法，该锻造方法包括以下步骤：1)在高温合金锭坯的第一端设置第一硬包套模具，高温合金锭坯的第二端设置第二硬包套模具，得到带有硬包套的坯料，将带有硬包套的坯料置于加热炉中，随炉升温至1000-1050℃之间保温0.5-1.5h，随炉升温至1100-1170℃温度范围之间保温2-4h，出炉包软包套，然后回炉保温0.5-1.5h；2)将步骤1)得到的坯料置于快锻液压机上，镦粗后，结束第一火锻造；3)将所有软、硬包套去除干净，回炉进行退火热处理，温度1100-1200℃；4)在步骤3)得到的高温合金锭坯的第一端设置第一硬包套模具，步骤3)得到的高温合金锭坯的第二端设置第二硬包套模具，得到带有硬包套的坯料，将带有硬包套的坯料置于加热炉中，随炉升温至1000-1050℃之间保温0.5-1.5h，随炉升温至1100-1170℃温度范围之间保温2-4h，随后出炉进行软包套，然后回炉保温0.5-1.5h；5)将步骤4)得到的坯料置于快锻液压机上，镦粗后，结束第二火锻造；6)将所有软、硬包套去除干净，回炉进行退火热处理，温度1100-1200℃；7)检验，进行超声波探伤或从端面取样检验金相微观组织。在本发明的另一方面，本发明提供了一种前面所述的锻造方法在制备高温合金锻坯中的应用。在本发明的另一方面，本发明提供了一种高温合金锻坯，在制备所述高温合金锻坯的过程中采用前面所述的锻造方法。下面结合具体实施方式，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。实施例若无特殊说明，以下实施例和对比例中的高温合金为gh4096合金。实施例1改善高温合金锭坯端面组织的锻造方法包括以下步骤：1)采用真空感应+电渣重熔连续定向凝固工艺冶炼制备gh4096合金锭坯；锭坯需要进行均匀化热处理；随后进行粗加工扒皮至呈现金属光泽，得到锭坯尺寸为2)第一硬包套模具和第二硬包套模具材料采用gh4096合金锭坯，轴向尺寸(即厚度)20mm，外圆直径准备市售的高温玻璃纤维毯尺寸规格为厚度5mm，第一硬包套模具和第二硬包套模具与gh4096合金锭坯之间的缝隙，并将其压实；3)按照形位公差小于2mm的要求，采用氩弧焊焊接方式(采用inconel82合金焊丝)，在圆周面结合处与高温合金锭坯进行焊接；焊接后的坯料进行后续锻造过程，锭坯和硬包套表面100％仍需采用软包套方式；4)第一火锻造坯料加热温度1150℃，镦粗变形速率15mm/s，变形量25％，镦粗采用胎膜锻造，镦粗完毕后采用径向轻微滚圆方式将硬包套与锭坯进行脱离，最后进行变形量3％的镦粗整形，回炉1170℃保温2h退火，最后包石棉冷却至室温；5)针对步骤4)第一火得到的锭坯(锭坯尺寸进行第二火锻造，硬包套轴向尺寸20mm，外圆直径坯料加热温度1150℃，镦粗变形速率15mm/s，变形量25％，镦粗采用胎膜锻造，镦粗完毕后采用径向轻微滚圆方式将硬包套与锭坯进行脱离，最后进行变形量5％的镦粗整形，回炉1160℃保温2h退火，最后包石棉冷却至室温；6)针对步骤5)第二火得到的锭坯(锭坯尺寸进行第三火锻造，硬包套轴向尺寸15mm，外圆直径坯料加热温度1140℃，镦粗变形速率15mm/s，变形量35％，镦粗采用胎膜锻造，镦粗完毕后采用径向轻微滚圆方式将硬包套与锭坯进行脱离，最后进行变形量5％的镦粗整形，回炉1150℃之间保温2小时退火，最后包石棉冷却至室温；7)检验，在步骤6)得到的锭坯的上端面的心部取样(试样尺寸10×10×10mm)，得到微观组织见图4所示，已经消除了原始粗大的柱状晶组织，得到了晶粒尺寸200um与20um共存的混晶组织，达到了开坯的目的。实施例2改善高温合金锭坯端面组织的锻造方法同实施例1，不同之处在于在沿所述高温合金锭坯的轴向上，所述第一硬包套模具和所述第二硬包套模具的厚度为15mm。实施例3改善高温合金锭坯端面组织的锻造方法同实施例1，不同之处在于在沿所述高温合金锭坯的轴向上，所述第一硬包套模具和所述第二硬包套模具的厚度为30mm。实施例4改善高温合金锭坯端面组织的锻造方法同实施例1，不同之处在于在沿所述高温合金锭坯的轴向上，所述第一硬包套模具和所述第二硬包套模具的厚度为10mm。实施例5改善高温合金锭坯端面组织的锻造方法同实施例1，不同之处在于在沿所述高温合金锭坯的轴向上，所述第一硬包套模具和所述第二硬包套模具的厚度为40mm。对比例1改善高温合金锭坯端面组织的锻造方法同实施例1，不同之处在于不采用第一硬包套模具和第二硬包套模具。检验锻造得到的锭坯上端面的心部取样(试样尺寸10×10×10mm)，得到微观组织见图5所示，可以看出仍然保留高温合金锭坯原始粗大的柱状晶组织，未发生晶粒的破碎。对比例2改善高温合金锭坯端面组织的锻造方法同实施例1，不同之处在于第一硬包套模具和第二硬包套模具与gh4096合金锭坯之间的缝隙不填充软包套。检验锻造得到的锭坯上端面的心部取样(试样尺寸10×10×10mm)，得到微观组织见图6所示，可以看出虽然柱状晶组织破碎，但是存在大量粗晶(尺寸大于200umm)，且存在尺寸大于500um的大晶粒。对比例3改善高温合金锭坯端面组织的锻造方法同实施例1，不同之处在于第一硬包套模具和第二硬包套模具的材料为不锈钢。实施例1-5以及对比例1-3的锻造方法得到的锭坯中粗大的柱状晶组织(长轴方向尺寸大于500um，且长短轴向比例大于2)占比见下表1：表1粗大的柱状晶组织占比/％实施例10实施例25实施例32实施例410实施例50对比例195对比例260对比例390最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。当前第1页12