一种高温合金挤压-锻造成形模具、方法及其应用与流程

1.本发明属于金属合金的塑性加工技术领域，更具体地，涉及一种高温合金挤压-锻造成形模具、方法及其应用。


背景技术：

2.高温合金由于在高温条件下优异的力学性能和高应力等苛刻服役状态下的组织稳定性，被广泛应用于航空发动机涡轮盘等热端零部件中。高温合金零件的坯料一般通过两种方式制备，一种是将合金粉末热等静压固结制坯，另一种是通过合金熔炼后制备成铸锭。然而前者在成形时无法完全避免原始颗粒边界缺陷，后者会存在铸造疏松、缩孔，微观组织不均匀等缺陷。这些初始组织缺陷无法在零件模锻成形时完全消除，成为高温合金零部件在高温高压苛刻服役条件下裂纹萌生和扩展的通道，影响其最终的服役寿命。
3.因此，高性能高温合金零部件的成形一般要先经过变形开坯，细化晶粒并消除初始组织缺陷，再通过模锻的方法成形零件结构。例如：专利文献cn 105441844 b，名称为“一种难变形高温合金铸锭的挤压方法”，其采用在难变形高温合金铸锭装入不锈钢包套中进行控速热挤压，以消除铸造缺陷，获得细晶均质的高温合金棒材。专利文献cn 109622865 b，名称为“一种航空发动机用gh4169系高温合金涡轮盘的锻造方法”，其步骤为制坯两火次锻造—预锻—终锻，保证充分的变形量来获得组织均匀，性能良好的镍基高温合金涡轮盘锻件。然而上述方法，都需要多道次热加工工序，高温合金坯料需要经历多个加热保温-热变形-冷却的热加工工序的循环才能成形最终零件，工艺流程长，热变形历史复杂且不易控制，生产效率和材料利用率低，且成形性能的一致性难以控制。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高温合金挤压-锻造成形模具、方法及其应用，其目的在于将挤压开坯与等温锻造两种工艺进行有机结合，提出并设计了一种高温合金挤压-锻造短流程复合成形工艺及模具，由此解决针对高性能高温合金锻件制造工艺流程长，生产效率低和生产成本高的问题，同时高温合金锻件成形要经过多道次热加工工序，成形性能的一致性难以控制的技术问题。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高温合金挤压-锻造成形模具，包括锻造压头、挤压推杆、上模块、下模块、挤压模腔和锻造成形模腔；所述锻造压头和挤压推杆同轴设置，且挤压推杆套设于锻造压头外壁上，所述挤压模腔贯穿上模块，上模块和下模块装配后在二者的连接处形成锻造成形模腔，所述挤压模腔和锻造成形模腔连通，所述挤压模腔包括顺次连通的坯料放置段和挤压段，所述坯料放置段的直径为锻造压头与挤压推杆的直径之和，所述挤压段的直径等于锻造压头的直径；所述锻造成形模腔的形状为目标成形锻件的形状。保证高温合金坯料从挤压模腔中顺利挤出并在锻造模腔充分填充成形。
6.优选地，所述下模块底部设置通孔，所述锻造成形模腔底部通过通孔与外部连通。
优选地，所述通孔设置于锻造成形模腔底部中央位置处，所述通孔的直径d2与挤压段的直径d1满足：d2＝0.2～0.4d1。这样，可以促进坯料从挤压模腔挤出时头部变形量较小段流入通孔成为飞边并产生回流，减少常规锻造时在模腔底部的难变形区，促进坯料在锻造成形模腔中的变形均匀性，从而保证锻件的组织均匀和性能良好。
7.优选地，所述坯料放置段的直径d0与挤压段的直径d1满足：由此，保证在一个合适的挤压比范围，既能促进高温合金坯料在模腔中发生较大变形程度的塑性变形，消除初始组织缺陷，又可以防止挤压过程中剧烈塑性变形导致的温升造成再结晶晶粒的异常长大。
8.优选地，所述锻造压头和挤压推杆与双动液压机连接，所述挤压推杆与双动液压机外滑块连接，锻造压头与双动液压机内滑块连接。
9.优选地，所述坯料放置段与所述挤压段之间通过直径逐渐减小的过渡段连接，所述上模块和下模块通过螺纹连接进行装配，所述上模块和下模块上设置有飞边槽。
10.按照本发明的另一个方面，提供了一种高温合金挤压-锻造成形方法，包括下列步骤：
11.坯料与模具加热步骤：将高温合金坯料装入模具的坯料放置段中，将挤压推杆和锻造压头放置于高温合金坯料上，将高温合金坯料与所述模具一同加热至预设温度并保温；
12.挤压开坯步骤：将挤压推杆和锻造压头同步下压，使得高温合金坯料在第一阶段挤压速度下挤压变形细化晶粒，消除初始组织缺陷；
13.模锻流动成形步骤：挤压推杆保持不动，锻造压头以第二阶段模锻速度下压，将细晶态高温合金从挤压模腔中顶出并进入锻造成形模腔中继续发生二次塑性变形，最终成形目标结构锻件；成形结束后锻件随模具一起空冷至室温，分离挤压模腔和锻造成形模腔，并顶出锻件。
14.其中，所述第一阶段挤压速度大于所述第二阶段模锻速度。优选地，所述方法还包括：在步骤坯料与模具加热步骤之前，获取高温合金坯料的初始组织缺陷信息，根据所述初始组织缺陷信息确定所述模具中坯料放置段的直径d0和挤压段的直径d1之间的关系。
15.优选地，所述初始组织缺陷信息包括：原始颗粒边界缺陷、枝晶组织和共晶相，所述坯料放置段的直径d0和挤压段的直径d1之间的关系的确定具体为：当高温合金坯料为热等静压态，出现原始颗粒边界缺陷时当高温合金坯料为铸态，出现枝晶组织和共晶相缺陷时，
16.优选地，所述预设温度为低于高温合金γ’相完全溶解温度50-150℃；所述保温时间为2-3小时；所述高温合金坯料为热等静压态或铸锭。该预设温度保证成形温度区间为高温合金塑性流动较好的范围，减少材料流动成形过程中的变形抗力，同时由于成形温度在高温合金的γ γ’双相区，γ’相钉扎在晶界可以有效抑制晶粒长大，保证细晶态的组织。
17.优选地，所述第一阶段挤压速度为20-60mm/s。保证高温合金在该应变速率下可以发生充分的挤压变形消除初始组织缺陷并不发生开裂。
18.优选地，所述第二阶段模锻速度为≤10mm/s。保证已经通过挤压消除缺陷并细化晶粒的高温合金可以在较低的应变速率下发生超塑性变形，减小变形抗力，促进材料在模
腔中的流动与填充，保证锻件结构的成形精度和组织均匀性。
19.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，至少能够取得下列有益效果。
20.(1)本发明将挤压开坯与等温锻造两种工艺进行有机结合，利用本发明提供的模具，可以实现该两种工艺仅通过调整锻造压头和挤压推杆的运行方式即可完成。解决了现有技术中挤压开坯之后再经历冷却、加热保温、热变形等多个步骤才能成形最终目标零件结构的问题。本发明通过挤压开坯消除铸造或热等静压制坯过程产生的微观缺陷，同时挤压变形程度较大，可以促进高温合金发生充分的动态再结晶并细化晶粒。细晶态的高温合金在较低应变速率下具有超塑性流动的特性，变形抗力小，利用这一性质，本发明继续对高温合金坯料进行等温锻造并成形最终目标零件结构。实现了材料从开坯到成形的短流程复合成形成性一体化，具有工艺流程短，材料利用率高，加工成本低的优点。
21.(2)本发明根据高温合金自身材料的特性，设计挤压-锻造短流程复合成形工艺及模具时，采用分段控速成形。在挤压开坯阶段，第一阶段下压速度较高，下压速度为20-60mm/s，促进材料初始组织缺陷的消除和晶粒细化，在模锻流动成形阶段，第二阶段下压速度较低，下压速度为≤10mm/s，充分利用细晶态高温合金超塑性流动的特点填充模具型腔，保证了结构成形精度。
22.(3)本发明提供的模具优选地采用了在下模块底部设置通孔，锻造成形模腔底部通过通孔与外部连通的方式，这样可以促进坯料从挤压模腔挤出时头部变形量较小段流入通孔成为飞边并产生回流，减少常规锻造时在模腔底部的难变形区，促进坯料在锻造成形模腔中的变形均匀性，从而保证锻件的组织均匀和性能良好。即实现了在保证结构成形精度的同时，促进材料变形的均匀性，提高了高温合金锻件的力学性能。
23.(4)本发明提供的高温合金挤压-锻造短流程复合成形方法适合于轴对称回转体零件,例如涡轮盘及类似零件。因为涡轮盘传统加工工艺流程复杂，对成形后组织均匀性等要求高，本发明方法可以解决上述问题，尤其适用于涡轮盘零件的成形。可以满足低成本高性能航空航天高温合金锻件的应用需求。
附图说明
24.图1是本发明较佳实施例提供的高温合金挤压-锻造成形模具的结构示意图；
25.图2中(a)是本发明较佳实施例提供的高温合金挤压-锻造成形方法中坯料与模具加热步骤示意图；
26.图2中(b)是本发明较佳实施例提供的高温合金挤压-锻造成形方法中挤压开坯步骤示意图；
27.图2中(c)是本发明较佳实施例提供的高温合金挤压-锻造成形方法中模锻流动成形步骤示意图。
28.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
29.1-锻造压头；2-挤压推杆；3-上模块；4-下模块；5-挤压模腔；6-锻造成形模腔；7-高温合金坯料；401-通孔；501-坯料放置段；502-挤压段；503-过渡段。
具体实施方式
30.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
31.针对高性能高温合金锻件制造工艺流程长，生产效率低和生产成本高的问题，同时高温合金锻件成形要经过多道次热加工工序，成形性能的一致性难以控制的技术瓶颈，本发明提出并设计了一种高温合金挤压-锻造短流程复合成形工艺及模具，可以实现高性能低成本的高温合金锻件的生产加工，工艺流程简单可控。
32.如图1所示，本发明所提出并设计的一种高温合金挤压-锻造成形模具包括以下部分：包括锻造压头1、挤压推杆2、上模块3、下模块4、挤压模腔5和锻造成形模腔6；
33.在本实施方式中，锻造压头1、挤压推杆2，上模块3、下模块4均由k403或n3模具材料制成。在最终成形目标结构锻件成形前，挤压模腔5和锻造成形模腔6处于装配闭合状态，并安装在双动液压机工作台上。挤压推杆2与双动液压机外滑块连接，锻造压头1与双动液压机内滑块连接。
34.其中，锻造压头1和挤压推杆2同轴设置，且挤压推杆2套设于锻造压头1外壁上，所述挤压模腔5贯穿上模块3，上模块3和下模块4装配后在二者的连接处形成锻造成形模腔6，所述挤压模腔5和锻造成形模腔6连通，所述挤压模腔5包括顺次连通的坯料放置段501和挤压段502，所述坯料放置段501的直径为锻造压头1与挤压推杆2的直径之和，所述挤压段502的直径等于锻造压头1的直径；所述锻造成形模腔6的形状为目标成形锻件的形状。
35.在一些实施例中，所述下模块4底部设置通孔401，所述锻造成形模腔6底部通过通孔401与外部连通。所述通孔401设置于锻造成形模腔6底部中央位置处，所述通孔401的直径d2与挤压段502的直径d1满足：d2＝0.2～0.4d1。
36.在一些实施例中，所述坯料放置段501的直径d0与挤压段502的直径d1满足：
37.所述坯料放置段501与所述挤压段502之间通过直径逐渐减小的过渡段503连接，所述上模块3和下模块4通过螺纹连接进行装配，所述上模块3和下模块4上设置有飞边槽。
38.在本实施方式中，高温合金坯料7可以为热等静压固结态或铸锭，分别对应不同的初始组织缺陷。热等静压态坯料会存在未变形的原始颗粒边界，铸锭坯料会存在疏松、缩孔和组织不均匀。根据不同初始组织缺陷的特点，在本发明提供的高温合金挤压-锻造短流程复合成形工艺及模具的可调参数范围内进行成形制造。成形步骤如图2所示，具体可以分为图2中(a)坯料与模具加热—图2中(b)挤压开坯—图2中(c)模锻流动成形三个步骤。
39.下面通过具体实施例对本发明进行进一步的详细说明。
40.实施例1
41.本实施例采用fgh96合金粉末为零件制备材料，通过热等静压工艺制备成直径60mm，高度25mm的圆柱状坯料。热等静压工艺参数为1150℃，压力150mpa，保温保压3h。热等静压后坯料的初始组织具有较为明显的原始颗粒边界缺陷，将该坯料通过本发明提出的高温合金挤压-锻造短流程复合成形工艺及模具制造航空发动机涡轮盘类零件，其具体步骤如下：
42.(1)根据热等静压态初始组织的特点，设计并加工本发明的高温合金挤压-锻造短流程复合成形模具。模具的结构示意图如图1所示，模具参数如下：坯料放置段的直径(即挤压模腔的筒腔直径)d0为60mm，与坯料直径一致，挤压段的直径(即出模口直径)d1为30mm。坯料放置段的直径d0和挤压段的直径d1的尺寸关系为：保证挤压比为4。该变形量可以保证破碎热等静压态fgh96的原始颗粒边界，并发生充分的动态再结晶细化晶粒，提高组织均匀性。锻造压头1的直径与挤压模腔5的挤压段的直径d1相同，为30mm。挤压模腔5和锻造成形模腔6闭合时留有1mm高度的飞边槽，锻造成形模腔6底部连通外部的通孔直径d2为8mm，为促进坯料从挤压模腔挤出时头部变形量较小段形成飞边并产生回流，减少常规锻造时在模腔底部的难变形区，促进坯料在锻造成形模腔中的变形均匀性。
43.(2)坯料与模具加热，如图2中(a)。将热等静压态fgh96合金，装入根据上述结构尺寸设计的模具中。将本发明设计模具安装在等温锻造双动液压机工作台上，并嵌入加热炉中进行同步加热。fgh96合金与本发明设计模具的加热温度为1050℃(该合金γ’相完全溶解温度为1116℃)，升温速度为10℃/min，并保温2小时。该成形温度为fgh96合金γ γ’双相组织区，既具有较好的高温塑性，同时γ’相钉扎在晶界可以有效抑制热成形过程中的晶粒长大。
44.(3)挤压开坯，如图2中(b)。压力机内外滑块同时下行保证锻造压头1和挤压推杆同步下压，下压速度为20mm/s，下压量25mm。从而保证fgh96合金在挤压模腔5中受三向压应力产生较大变形程度的塑性变形，破碎初始组织中存在的原始颗粒边界缺陷并发生充分的动态再结晶细化晶粒。
45.(4)模锻流动成形，如图2中(c)。在达到挤压开坯下压量后，压力机外滑块处于保压状态，挤压推杆2保持不动。压力机内滑块继续下行，保证锻造压头1继续下压，将fgh96合金坯料从挤压模腔5中顶出并进入锻造成形模腔6中发生第二次塑性变形并成形目标结构的锻件。此阶段，锻造压头1采用较低的下压速度，为5mm/s。较低的变形速率可以保证模锻流动成形发生在经挤压消除缺陷并细化晶粒的fgh96合金超塑性变形条件内，减小成形过程中的变形抗力，促进材料在模腔中的流动与填充，保证锻件结构的成形精度和组织均匀性。该阶段成形结束后，锻件随模具一起空冷至室温，分离上模块3和下模块4，并取出目标涡轮盘锻件。
46.实施例2
47.本实施例采用gh4720li为实验坯料，通过三联熔炼工艺制备成gh4720li铸锭，并通过机加工制成直径60mm，高度25mm的圆柱状坯料。铸态gh4720li的初始组织会存在一定量的枝晶组织和共晶相以及少部分的疏松等常见铸造组织缺陷。将该坯料通过本发明提出的高温合金挤压-锻造短流程复合成形工艺及模具制造航空发动机涡轮盘类零件，其具体步骤如下：
48.(1)根据铸态gh4720li初始组织缺陷的特点，设计并加工本发明的高温合金挤压-锻造短流程复合成形模具。模具的结构示意图如图1所示，模具参数如下，坯料放置段的直径(即挤压模腔的筒腔直径)d0为60mm，与坯料直径一致，挤压段的直径(即出模口直径)d1为20mm。坯料放置段的直径d0和挤压段的直径d1的尺寸关系为：保证挤压比为9。该变形量可以保证消除铸造缺陷，破碎残留的枝晶组织和共晶相，并发生充分的动态再结
晶细化晶粒，提高组织均匀性。锻造压头1的直径与挤压模腔5的挤压段的直径d1相同，为20mm。挤压模腔5和锻造成形模腔6闭合时留有1mm高度的飞边槽，锻造成形模腔6底部通孔直径d2为4mm，为促进坯料从挤压模腔挤出时头部变形量较小段形成飞边并产生回流，减少常规锻造时在模腔底部的难变形区，促进坯料在锻造成形模腔中的变形均匀性。
49.(2)坯料与模具加热，如图2中(a)。将铸态gh4720li合金，装入根据上述结构尺寸设计的模具中。将本发明设计模具安装在等温锻造双动液压机工作台上，并嵌入加热炉中进行同步加热。铸态gh4720li与本发明设计模具的加热温度为1080℃(该合金γ’相完全溶解温度为1156℃)，升温速度为10℃/min，并保温2小时。该成形温度为gh4720li合金γ γ’双相组织区，既具有较好的高温塑性，同时γ’相钉扎在晶界可以有效抑制热成形过程中的晶粒长大。
50.(3)挤压开坯，如图2中(b)。压力机内外滑块同时下行保证锻造压头1和挤压推杆2同步下压，下压速度为40mm/s，下压量25mm。从而保证gh4720li合金在挤压模腔5中受三向压应力产生较大变形程度的塑性变形，破碎初始组织中存在的共晶相、枝晶组织和疏松缩孔等其他铸造缺陷。
51.(4)模锻流动成形，如图2中(c)。在达到挤压开坯下压量后，压力机外滑块处于保压状态，挤压推杆2保持不动。压力机内滑块继续下行，保证锻造压头1继续下压，将gh4720li合金坯料从挤压模腔5中顶出并进入锻造成形模腔6中发生第二次塑性变形并成形目标结构的锻件。此阶段，锻造压头1采用较低的下压速度，为8mm/s。较低的变形速率可以保证模锻流动成形发生在经挤压消除缺陷并细化晶粒的gh4720li合金超塑性变形条件内，减小成形过程中的变形抗力，促进材料在模腔中的流动与填充，保证锻件结构的成形精度和组织均匀性。该阶段成形结束后，锻件随模具一起空冷至室温，分离上模块3和下模块4，并取出目标涡轮盘锻件。
52.至此，以热等静压态fgh96和铸态gh4720li两种高温合金及制坯方式为例，通过本发明提出的高温合金挤压-锻造短流程复合成形工艺及模具，可以简单高效的通过一次加热-变形-冷却的热变形工步，通过复合成形和分段控速，在消除高温合金初始组织缺陷的同时，成形出组织均匀，形状精度高的涡轮盘零件。实现高温合金从开坯到成形的短流程复合成形成性一体化，具有工艺流程短，材料利用率高，加工成本低，组织性能易调控的优点。
53.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。