一種難變形高溫合金鑄錠的擠壓開坯方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于先進材料加工制造領域，涉及一種難變形高溫合金鑄錠的擠壓開坯方法。
【背景技術】
[0002]高強難變形高溫合金具有優異的綜合力學性能以及良好的抗氧化、耐腐蝕性能，俄羅斯制備高性能難變形渦輪盤的重要工序為:成分設計—合金熔煉—鑄錠擠壓/快鍛開還—棒材等溫鍛造—盤件熱處理—機加工—禍輪盤成品。但是，尚性能禍輪盤制備的每個工藝都作為技術秘密，嚴格對外保密，特別是擠壓熱加工工序。
[0003]渦輪盤用變形高溫合金鋼錠絕大部分采用雙聯冶煉工藝(真空感應熔煉+真空自耗重熔)制備，少數采用三聯工藝(真空感應熔煉+保護氣氛電渣重熔+真空自耗重熔)熔煉，然而至今為止，各變形高溫合金生產廠并沒有徹底解決難變形高溫合金鑄錠開坯制備棒材的技術難題，具體體現在用于盤件的棒材組織均勻性差、晶粒尺寸超標、性能一致性差等。
[0004]變形高溫合金棒材的品質(包括晶粒度、組織均勻性、冶金質量等)對渦輪盤的性能有重要影響。在成分合格的前提下，對變形高溫合金棒材最重要的要求是組織均勻性好、晶粒細小、冶金缺陷少。目前，國內外變形高溫合金鑄錠開坯制備棒材的工藝手段包括鍛錘開坯、快鍛機開坯、乳制開坯、復合包套乳制開坯、擠壓開坯等。其中，鍛錘開坯過程中鋼錠易開裂，成材率不但較低，而且因溫度和變形量難保證，無法制備出組織均勻、晶粒細小的棒材;快鍛機開坯過程中，同樣存在類似錘鍛開坯問題，并且難高溫合金棒材常因總變形量偏小，造成鑄造組織殘留，導致合金的塑性、斷裂韌性和疲勞性能等降低，疲勞裂紋也容易在枝晶間碳化物偏析處萌生和擴展；乳制開坯與復合包套乳制僅適合于小規格的鑄錠開坯。
[0005]擠壓是金屬熱加工的一種重要方法，特別適合于難變形的低塑性合金材料，可以制備棒材、管材、線材和異形材。擠壓的基本原理是:對放在擠壓缸內的金屬坯料施加外力，使其從特定的模孔中流出，可獲得所需要的斷面形狀和尺寸。設計不同的模具形狀，可以擠出不同斷面形狀的金屬型材。擠壓工藝的發展經歷了從輕/軟金屬到硬金屬，從室溫擠壓—中溫擠壓—高溫擠壓的發展過程，并且按照擠壓制品的流出方向不同，分為正擠壓和反擠壓兩種工藝。而擠壓設備包括立式擠壓機和臥式擠壓機兩種，大型擠壓機多是臥式結構。自從上世紀50年代將玻璃潤滑劑應用到擠壓過程后，鋼鐵材料的擠壓制備才在實際生產中得到應用。擠壓工藝最突出的優點是，在擠壓過程中使塑性較低的金屬材料處于三向壓應力狀態，細化晶粒，加上通過金屬內部物質的宏觀迀移，彌合或減少內部冶金缺陷，通過控制擠壓比，把大截面的金屬擠成更小截面的材料，顯著提高材料的塑性。但是，目前常見的多為塑性好、變形抗力小鋁合金、銅合金的擠壓，對于難變形高溫合金的擠壓，變形抗力大，擠壓溫度高而且對應變速率十分敏感，因此技術難度大。
【發明內容】
[0006]本發明的目的提出一種技術難度小的難變形高溫合金鑄錠的擠壓開坯方法，用于制備高品質的渦輪盤用難變形高溫合金棒材，以便滿足航空航天發動機對高性能難變形高溫合金渦輪盤的需求。
[0007]本發明的技術解決方案:
[0008]難變形高溫合金鑄錠開坯制備高品質棒材的一種工藝方法，其特征制備步驟如下:
[0009]步驟1、鑄錠加工，利用帶鋸將雙真空熔煉制備的難變形合金鑄錠截為圓柱段坯料，所述的圓柱段還料表面平整，圓柱段還料一端倒圓角，圓角半徑3mm?5mm，另一端加工成平頭的錐形，錐角為50°?60° ;
[0010]步驟2、擠壓包套設計及加工，設計的圓柱狀lCrl8Ni9Ti不銹鋼包套一端為平面底，另一端為與難變形合金鑄錠平頭錐部端配合，包套內徑比難變形高溫合金鑄錠外徑大1mm ?1.5mm；
[0011]步驟3、難變形合金錠包套，把難變形合金鑄錠裝入lCrl8Ni9Ti不銹鋼包套，lCrl8Ni9Ti不銹鋼包套平面底用一圓形lCrl8Ni9Ti不銹鋼板焊合，lCrl8Ni9Ti不銹鋼板厚度10mm?15mm，得到包套錠；
[0012]步驟4、包套錠預熱并噴涂玻璃潤滑劑:將所述包套后的難變形高溫合金鑄錠，放到熱處理爐內，在150°C?200°C的溫度下預熱10分鐘，預熱后迅速出爐噴涂玻璃潤滑劑，將玻璃潤滑劑均勻噴涂到包套外表面，玻璃潤滑劑厚度1mm?1.5mm，自然晾干；
[0013]步驟5、加熱高溫合金棒，高溫合金棒放入電阻加熱爐加熱，在1000°C?1100°C范圍內保溫加熱2小時；
[0014]步驟6、包套錠階梯均勻化熱處理，采用高溫電阻爐加熱包套錠，采用階梯加熱方法，包套錠在高溫電阻爐爐溫低于800°C時入爐，在860°C?900°C范圍內保溫1小時，之后以10°C?20°C/分鐘的速率升溫到比難變形高溫合金的γ '相強化相完全熔化溫度低50°C?65°(3，保溫2.5?3小時；
[0015]步驟7、擠壓模預熱，將高溫合金棒從高溫爐內取出，放到擠壓缸內預熱，保溫時間30分鐘?50分鐘；
[0016]步驟8、擠壓模涂潤滑劑，從擠壓缸內取出高溫合金棒，將玻璃潤滑劑均勻噴涂到擠壓模內表面，噴涂厚度1mm?2mm;
[0017]步驟9、包套錠轉運，將難變形高溫合金包套錠從加熱爐運到擠壓機，平頭錐一端在下放入擠壓缸，轉運時間要求小于40秒；
[0018]步驟10、放入擠壓墊片，把不銹鋼墊片放入擠壓缸，墊片與包套錠的平面底部接觸，墊片厚度30mm?50mm;
[0019]步驟11、熱擠壓，對難變形高溫合金錠進行擠壓操作，要求擠壓比5?7，擠壓速度為30mm/秒?60mm/秒，擠壓溫度處于難變形高溫合金γ與強化相γ '兩相區；
[0020]步驟12、細晶棒材緩冷，擠壓后迅速用保溫棉覆蓋高溫合金擠壓棒，保溫棉厚度240mm，待擠壓棒材溫度降至200°C以下；
[0021]步驟13、機加工，把難變形高溫合金棒材外部的不銹鋼包套通過機加工去除。
[0022]本發明的優點和效果:
[0023]本發明充分利用熱擠壓工藝的優點，提出了一種難變形高溫合金細晶均質棒材的制備工藝，鍛造成高性能渦輪盤，滿足低成本難變形高溫合金渦輪盤在航空發動機、小型燃氣輪機等中的應用需求。
[0024]本發明的主要創新點是:(1)鑄錠階梯加熱工藝設計。階梯加熱方式既保證了難變形高溫合金鑄錠內部應力緩慢釋放，同時也考慮到合金擠壓熱加工時的變形抗力問題。由于難變形高溫合金的合金化程度很高，把鑄錠開坯溫度需要到γ '+γ兩相區(即強化相γ '與γ奧氏體基體兩相存在的溫度區間)。采用兩相區開坯考慮到兩原因:首先是把γ '相尺寸相長大到一定程度以減小擠壓過程中γ '對位錯的阻擋作用，降低變形抗力，其次是強化相γ '長大到一定程度后，在擠壓過程中γ '與γ的相界容易變成晶界，在不萌生裂紋的情況下完成再結晶。(2)控速熱擠壓工藝。本專利提出難變形高溫合金鑄錠的擠壓比5?7，擠壓速度為30mm/秒?60mm/秒，擠壓溫度處于難變形合金γ與強化相γ ’兩相區內。主要考慮到難變形高溫合金塑性加工范圍很窄，變形抗力大，同時擠壓過程中，合金的溫度會因為變形功而升高，擠壓速度過高，變形合金溫度會超過其塑性范圍的極限，導致合金開裂。例如，鋼的擠壓速度通常可達到300?400mm/秒，而難變形高溫合金的熱擠壓速度通常在30?150mm/秒范圍內。
[0025]本發明擠壓制備的難變形高溫合金細晶棒材(均勻化熱處理后晶粒度ASTM8?9級)可用于鍛造高性能渦輪盤，滿足低成本高性能難變形高溫合金渦輪盤在航空發動機、小型燃氣輪機等中的應用需求。
【具體實施方式】
[0026]本發明的技術實施包括以下步驟:
[0027]步驟1、鑄錠加工。利用帶鋸將雙真空熔煉制備的難變形合金鑄錠截為圓柱段坯料，所述的圓柱段還料表面平整、無毛刺，圓柱段還料一端倒圓角(圓角半徑3mm?5mm )，另一端加工成平頭的錐形(錐角為50°?60°)；
[0028]步驟2、擠壓包套設計及加工。設計的圓柱狀lCrl8M9Ti不銹鋼包套一端為平面底，另一端為平頭的錐形(錐角為50°?60°)，與難變形合金鑄錠平頭錐部的一端配合。包套內徑比難變形高溫合金鑄錠外徑大1mm?1.5mm;
[0029]步驟3、難變形合金錠包套。把難變形合金鑄錠裝入不銹鋼包套，平面底部采用一圓形lCrl8Ni9Ti不銹鋼板(厚度10mm?15mm)焊合；
[°03°]步驟4、包套錠預熱:將所述包套后的難變形高溫合金鑄錠，放到熱處理爐內，在150°C?200°C的溫度下預熱10分鐘，預熱后迅速出爐噴涂玻璃潤滑劑；<