一種粉末高溫合金構件階段加熱擠壓控形方法與流程
本發明是一種用于粉末高溫合金構件的階段加熱擠壓控形方法，屬于熱加工技術領域，涉及粉末高溫合金構件制備工藝的改進。
背景技術：
粉末高溫合金是為了解決鑄鍛合金高溫合金高合金化造成的凝固偏析和變形困難而發展起來的盤件材料。高合金化粉末高溫合金具有耐高溫、高強韌性和低裂紋擴展速率等綜合性能優異的優點，是制造高性能、高可靠性、長壽命先進航空發動機用渦輪盤等耐高溫部件的首選材料。但是，高合金化粉末高溫合金一般對溫度及其敏感，加工窗口窄，屬于難變形合金，導致在工藝執行和組織控制過程中存在一定的困難。
國外粉末高溫合金主要用來制備高性能發動機渦輪盤等熱端部件，主要采用粉末熱等靜壓+擠壓+等溫鍛造的工藝方法制備，其工藝特點是工藝復雜，制備周期長，成本高，而且，在不同的工序之間需要對構件坯料進行多次機械加工，以滿足工序對構件坯料形狀和表面狀態的要求，造成了材料利用率低。
技術實現要素：
本發明正是針對上述現有國內現有技術中存在的不足而設計提供了一種用于粉末高溫合金構件的階段加熱擠壓控形方法，其目的是提高粉末高溫合金構件的生產效率和材料利用率。
本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：
該種用于粉末高溫合金構件的階段加熱擠壓控形方法，其特征在于：該方法的步驟是：
步驟一、粉末準備
根據構件尺寸計算并稱量霧化高溫合金粉末，稱量的重量按以下公式計算：
m裝載＝m計算/0.8 公式1
式中：m裝載為裝載到模具中的霧化高溫合金粉末重量，m計算為根據構件的體積計算得到的霧化高溫合金粉末重量；
步驟二、擠壓模具制備
采用斷裂強度超過2000MPa的鋼材料制備擠壓模具，該模具由上環形模(1)和下環形模(2)構成擠壓模具型腔，其中，下環形模(2)固定在壓機的下工作臺上，上環形模(1)裝在下環形模(2)上，并與下環形模(2)緊密配合，上環形模(1)的內徑比下環形模(2)的內徑大，上環形模(1)和下環形模(2)能夠沿軸向對開；
在上環形模(1)的內腔中有上壓環(3)，上壓環(3)與上環形模(1)之間的配合為過度配合，上壓環(3)的中心孔中安裝上壓頭(4)，上壓頭(4)與上壓環(3)之間的配合為過度配合，在下環形模(2)的中心孔中安裝下壓頭(5)，下壓頭(5)與下環形模(2)之間的配合為過度配合，從而實現上壓環(3)、上壓頭(4)和下壓頭(5)可以沿豎直方向自由上下移動且三者的中心線與上環形模(1)和下環形模(2)的中心線同軸；
步驟三、液壓系統和加熱系統就位
將擠壓模具內壁用酒精及丙酮清理干凈，并置于真空室內，真空室內設置三套液壓系統和加熱系統，三套液壓系統分別對接上壓環(3)、上壓頭(4)和下壓頭(5)，在霧化高溫合金粉末裝載之前，下壓頭(5)的上端和下環形模(2)的上端平齊，上壓環(3)和上壓頭(4)的下端平齊，并高出上環形模(1)頂端，加熱系統位于擠壓模具的四周；
步驟四、粉末裝載
在真空室內將預先準備好的粉末高溫合金霧化粉末通過上壓環(3)和上壓頭(4)的下端與上環形模(1)之間的間隙倒入模具中；
步驟五、粉末及模具預加熱
將模具及粉末加熱到500-700℃，進行保溫，保溫時間按以下公式計算：
T保溫時間＝(L上環形模內腔直徑+L上環形模壁厚×2)×1.7min/mm 公式2
步驟六、粉末固化
待保溫時間結束后，下壓頭(5)保持不同，上壓環(3)和上壓頭(4)同時向下運動，速度保持在17mm/s～20mm/s之間，直至壓力達到300-700MPa，此時，上壓環(3)和上壓頭(4)停止運動；
然后繼續升溫到1050-1150℃，進行保溫，保溫時間按照公式2計算；
步驟七、粉末固化后的構件成形采用以下四種方式之一：
第一種：再次等到保溫時間結束后，下壓頭(5)依然保持不動，上壓環(3)和上壓頭(4)繼續同時向下運動，速度保持在17mm/s～20mm/s之間，直至壓力達到1000-1400MPa，上壓頭(4)和上壓環(3)停止運動，此時即可獲得圓柱形粉末高溫合金錠；
第二種：再次等到保溫時間結束后，下壓頭(5)依然保持不動，上壓頭(4)和上壓環(3)繼續同時向下運動，速度保持在17mm/s～20mm/s之間，直至壓力達到1000-1400MPa，之后，上壓頭(4)繼續向下運動，同時上壓環(3)開始同速向上運動，上壓頭(4)的下端面不接觸下壓頭(5)的上端面時，上壓頭(4)和上壓環(3)停止運動，即可獲得杯形粉末高溫合金錠；
第三種：再次等到保溫時間結束后，下壓頭(5)依然保持不動，上壓頭(4)和上壓環(3)繼續同時向下運動，速度保持在17mm/s～20mm/s之間，直至壓力達到1000-1400MPa，之后，上壓頭(4)繼續向下運動，同時上壓環(3)開始同速向上運動，待上壓頭(4)的下端面接觸下壓頭(5)的上端面時，上壓頭(4)和上壓環(3)停止運動，即可獲得管形粉末高溫合金錠；
第四種：再次等到保溫時間結束后，下壓頭(5)依然保持不動，上壓頭(4)和上壓環(3)繼續同時向下運動，速度保持在17mm/s～20mm/s之間，直至壓力達到1000-1400MPa，之后，下壓頭(5)開始同速向下運動，待上壓頭(4)和上壓環(3)的下端面接觸下環形模(2)的內腔的上端面時，即可獲得棒形粉末高溫合金錠；
步驟八、粉末高溫合金錠的后處理
將上壓環(3)和上壓頭(4)的位置調整至在霧化高溫合金粉末裝載之前的狀態，將上環形模(1)和下環形模(2)沿軸向打開，取出粉末高溫合金錠，冷卻至室溫后進行吹砂，并采用機械加工的方法去除表面污垢，即得到粉末高溫合金構件。
本發明技術方案具有的特點和有益效果是：
本發明主要針對采用熱等靜壓+擠壓+等溫鍛造工藝制備粉末高溫合金構件存在鍛件制備周期長、制造成本高的技術現狀，用粉末階段加熱擠壓控形的方法以替代原有的粉末熱等靜壓+擠壓+等溫鍛造的方式，解決了制備周期長，制造成本高和材料利用率低的問題。
本發明是一種針對在粉末冶金高溫合金構件的塑性成形技術研究，其基本原理是利用了粉末材料良好的流動性，借助階段變化的變形溫度和壓力，使粉末材料在較低溫度和較小壓力下達到初步致密化，并保留粉末顆粒具有一定程度的表面活性和流動性，接下來，提高變形溫度和壓力，結合模具運動方向和變形速度等塑性變形參數，使高溫合金粉末流動并達到一定的形狀(圓柱形、杯形，棒形和管形等)，在這一過程中，粉末顆粒之間的孔隙完全消失，達到全致密化。與此同時，利用正擠壓和背擠壓的循環交替作用，對粉末顆粒施加一定的應變條件，粗大顆粒向細小晶粒晶粒轉變，并且完成構件成形，從而制備出全致密的粉末構件，實現粉末構件固化-組織-成形一體化。相比于熱等靜壓(一般為10％)，變形量大幅度提高至50～70％，促使再結晶發生，粉末的原始顆粒邊界得到破碎，從而制備出組織致密且具有細小再結晶晶粒的粉末高溫合金構件。
本發明技術方案與與國內外粉末高溫合金環形構件的制備技術相比，其優點主要體現在：
(1)利用粉末良好的流動性，粉末成形過程中，粉末構件的形狀一直在改變，實現了構件固化-組織-成形的一體化，減少了坯料加工余量，提高了鍛件材料利用率；
(2)粉末材料從粉體到最后的塊體成形，整個過程并不是在同一個溫度下實現的，變形溫度是階段變化的，從而滿足粉末顆粒從界面結合到再結晶形核和長大整個過程對于塑性成形條件的不同需求；
(3)粉末顆粒在一定的塑性變形條件下成形，由于正擠壓和背擠壓的循環交替作用，便于調整構件不同區域的應力和應變狀態；
(4)簡化了工藝流程，縮短了研制周期，提高材料利用率，降低構件制造成本。
附圖說明
圖1為本發明技術方案中擠壓模具的結構示意圖
圖2為本發明技術方案實施例1的高溫合計構件的微觀組織形貌
圖3為本發明技術方案實施例2的高溫合計構件的微觀組織形貌
具體實施方式
以下將結合實施例對本發明技術方案作進一步地詳述：
實施例1
該種用于粉末高溫合金構件的階段加熱擠壓控形方法，其特征在于：該方法的步驟是：
步驟一、粉末準備
根據構件尺寸計算并稱量霧化高溫合金粉末7kg，稱量的重量按以下公式計算：
m裝載＝m計算/0.8 公式1
式中：m裝載為裝載到模具中的霧化高溫合金粉末重量，m計算為根據構件的體積計算得到的霧化高溫合金粉末重量；
步驟二、擠壓模具制備
采用斷裂強度超過2000MPa的鋼材料制備擠壓模具，該模具由上環形模1和下環形模2構成擠壓模具型腔，其中，下環形模2固定在壓機的下工作臺上，上環形模1裝在下環形模2上，并與下環形模2緊密配合，上環形模1的內徑比下環形模2的內徑大，上環形模1和下環形模2能夠沿軸向對開；
在上環形模1的內腔中有上壓環3，上壓環3與上環形模1之間的配合為過度配合，上壓環3的中心孔中安裝上壓頭4，上壓頭4與上壓環3之間的配合為過度配合，在下環形模2的中心孔中安裝下壓頭5，下壓頭5與下環形模2之間的配合為過度配合，從而實現上壓環3、上壓頭4和下壓頭5可以沿豎直方向自由上下移動且三者的中心線與上環形模1和下環形模2的中心線同軸；
步驟三、液壓系統和加熱系統就位
將擠壓模具內壁用酒精及丙酮清理干凈，并置于真空室內，真空室內設置三套液壓系統和加熱系統，三套液壓系統分別對接上壓環3、上壓頭4和下壓頭5，在霧化高溫合金粉末裝載之前，下壓頭5的上端和下環形模2的上端平齊，上壓環3和上壓頭4的下端平齊，并高出上環形模1頂端，加熱系統位于擠壓模具的四周；
步驟四、粉末裝載
在真空室內將預先準備好的高溫合金霧化粉末6通過上壓環3和上壓頭4的下端與上環形模1之間的間隙倒入模具中；
步驟五、粉末及模具預加熱
將模具及高溫合金霧化粉末6加熱到700℃，進行保溫，保溫時間按以下公式計算：
T保溫時間＝(L上環形模內腔直徑+L上環形模壁厚×2)×1.7min/mm 公式2
步驟六、粉末固化
待保溫時間結束后，下壓頭5保持不同，上壓環3和上壓頭4同時向下運動，速度保持在17mm/s之間，直至壓力達到500MPa，此時，上壓環3和上壓頭4停止運動；
然后繼續升溫到1070℃，進行保溫，保溫時間按照公式2計算；
步驟七、圓柱形粉末構件成形
再次等到保溫時間結束后，下壓頭5依然保持不動，上壓環3和上壓頭4繼續同時向下運動，速度保持在17mm/s之間，直至壓力達到1400MPa，上壓頭4和上壓環3停止運動，此時即可獲得圓柱形粉末高溫合金錠；
步驟八、粉末高溫合金錠的后處理
將上壓環3和上壓頭4的位置調整至在霧化高溫合金粉末裝載之前的狀態，將上環形模1和下環形模2沿軸向打開，取出粉末高溫合金錠，冷卻至室溫后進行吹砂，并采用機械加工的方法去除表面污垢，即得到粉末高溫合金構件。
參見附圖2所示，粉末高溫合金構件的微觀組織均勻，看不到明顯的原始顆粒邊界。
實施例2
該種用于粉末高溫合金構件的階段加熱擠壓控形方法，其特征在于：該方法的步驟是：
步驟一、粉末準備
根據構件尺寸計算并稱量霧化高溫合金粉末5kg，稱量的重量按以下公式計算：
m裝載＝m計算/0.8 公式1
式中：m裝載為裝載到模具中的霧化高溫合金粉末重量，m計算為根據構件的體積計算得到的霧化高溫合金粉末重量；
步驟二、擠壓模具制備
采用斷裂強度超過2000MPa的鋼材料制備擠壓模具，該模具由上環形模1和下環形模2構成擠壓模具型腔，其中，下環形模2固定在壓機的下工作臺上，上環形模1裝在下環形模2上，并與下環形模2緊密配合，上環形模1的內徑比下環形模2的內徑大，上環形模1和下環形模2能夠沿軸向對開；
在上環形模1的內腔中有上壓環3，上壓環3與上環形模1之間的配合為過度配合，上壓環3的中心孔中安裝上壓頭4，上壓頭4與上壓環3之間的配合為過度配合，在下環形模2的中心孔中安裝下壓頭5，下壓頭5與下環形模2之間的配合為過度配合，從而實現上壓環3、上壓頭4和下壓頭5可以沿豎直方向自由上下移動且三者的中心線與上環形模1和下環形模2的中心線同軸；
步驟三、液壓系統和加熱系統就位
將擠壓模具內壁用酒精及丙酮清理干凈，并置于真空室內，真空室內設置三套液壓系統和加熱系統，三套液壓系統分別對接上壓環3、上壓頭4和下壓頭5，在霧化高溫合金粉末裝載之前，下壓頭5的上端和下環形模2的上端平齊，上壓環3和上壓頭4的下端平齊，并高出上環形模1頂端，加熱系統位于擠壓模具的四周；
步驟四、粉末裝載
在真空室內將預先準備好的高溫合金霧化粉末6通過上壓環3和上壓頭4的下端與上環形模1之間的間隙倒入模具中；
步驟五、粉末及模具預加熱
將模具及高溫合金霧化粉末6加熱到500-700℃，進行保溫，保溫時間按以下公式計算：
T保溫時間＝(L上環形模內腔直徑+L上環形模壁厚×2)×1.7min/mm 公式2
步驟六、粉末固化
待保溫時間結束后，下壓頭5保持不同，上壓環3和上壓頭4同時向下運動，速度保持在20mm/s之間，直至壓力達到700MPa，此時，上壓環3和上壓頭4停止運動；
然后繼續升溫到1100℃，進行保溫，保溫時間按照公式2計算；
步驟七、杯形粉末構件成形
再次等到保溫時間結束后，下壓頭5依然保持不動，上壓頭4和上壓環3繼續同時向下運動，速度保持在20mm/s之間，直至壓力達到1100MPa，之后，上壓頭4繼續向下運動，同時上壓環3開始同速向上運動，上壓頭4的下端面不接觸下壓頭5的上端面時，上壓頭4和上壓環3停止運動，即可獲得杯形粉末高溫合金錠；
步驟八、粉末高溫合金錠的后處理
將上壓環3和上壓頭4的位置調整至在霧化高溫合金粉末裝載之前的狀態，將上環形模1和下環形模2沿軸向打開，取出粉末高溫合金錠，冷卻至室溫后進行吹砂，并采用機械加工的方法去除表面污垢，即得到粉末高溫合金構件。
參見附圖3所示，粉末高溫合金構件的微觀組織均勻，看不到明顯的原始顆粒邊界。
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