[发明专利]制备高合金化合金盘形锻件的3D整体锻造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锻造方法，具体涉及一种制备高合金化难变形合金盘形锻件的锻造方法。

背景技术

盘形锻件是航空发动机、燃气轮机最重要的热端零部件之一，由于盘形锻件在高温工作环境下承受高的载荷，且本身在高速旋转的同时还起到传送扭矩的作用，工作条件非常苛刻，因此对材料性能的要求极高。

目前制备盘形锻件的工艺主要有两种：常规铸锻工艺(Cast/Wrought，C/W)和粉末冶金工艺(Powder Metallurgy，P/M)。

采用常规铸锻工艺(Cast/Wrought，C/W)，该工艺利用真空感应熔炼+真空电弧重熔双联工艺制备锭坯，锭坯经均匀化退火后通过液压锻造设备沿轴向拔长锻造开坯成棒坯，总变形量控制在75％左右，然后将棒坯根据要求切成棒段，最后将棒段通过液压设备以一定的变形速率和变形量沿轴向镦锻成盘形锻件。这种传统的锻造方法存在以下几个方面的局限性：第一，它仅适合于合金化相对较低的合金，而对于先进航空发动机用的盘形锻件，由于其合金化程度更高，采用常规的双联工艺制备的锭坯中心偏析程度更严重，析出相尺寸更大，锭坯变形抗力增大，热加工窗口减小，造成锭坯无法完成锻造开坯；第二，锭坯锻造开坯是通过锻造设备局部依次锻造变形使坯料拔长的过程，这种锻造过程容易造成组织均匀性差的问题；第三，锻造开坯过程和镦锻过程均是沿轴向，会造成盘形锻件端面存在冷模组织和变形死区，不适合先进航空发动机使用的盘形锻件的制造。

对于先进航空发动机使用的最高使用温度在650℃以上的盘形锻件(例如FGH96合金)，通常采用粉末冶金工艺(Powder Metallurgy，P/M)制备锭坯，但粉末冶金工艺本身存在着原始颗粒边界(PPB)和大尺寸夹杂物等问题。欧美国家通常采用热挤压+等温锻造工艺，能够解决粉末冶金工艺制备的锭坯的原始颗粒边界(PPB)和大尺寸夹杂物等问题，而我国通常采用的热等静压+等温锻造工艺，无法从根本上解决粉末冶金工艺制备的锭坯的原始颗粒边界(PPB)和大尺寸夹杂物等问题，另外粉末冶金工艺生产周期长、材料成材率低、生产设备昂贵，导致粉末冶金工艺制备的盘形锻件的成本较高。

本申请的申请人--钢铁研究总院针对我国先进航空发动机盘形锻件制备过程中存在的问题，开成功发了ESR-CDS技术，并申请了“真空/气体保护电渣重熔连续定向凝固装置和方法”的中国发明专利(专利号：201010614036.0)。利用该项技术可制备大尺寸、高纯净、低偏析的定向凝固高合金化难变形高温合金锭坯，定向凝固锭坯具有良好的热加工性能，通过液压锻造设备就可完成锭坯锻造开坯过程，克服了传统变形工艺无法制备更高合金化水平(使用温度超过650℃)盘形锻件的问题，同时解决了粉末冶金工艺生产盘形锻件存在的原始颗粒边界(PPB)和大尺寸夹杂物以及价格昂贵等问题。

然而，真空/气体保护电渣重熔连续定向凝固锭坯通过常规锻造方法制备的盘形锻件不能达到对先进航空发动机用盘形锻件组织均匀性的要求。

因此，针对真空/气体保护电渣重熔连续定向凝固技术制备的高合金化合金锭坯，本发明研发了一种3D整体锻造方法，一方面能得到组织均匀性更好的盘形锻件，另一方面能降低制备成本。

发明内容

本发明的目的，是提供一种能制备先进航空发动机用高合金化合金盘形锻件的锻造方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种制备高合金化合金盘形锻件的3D整体锻造方法，使用的原料锭坯为电渣重熔连续定向凝固技术制备的圆柱形定向锭坯，该方法包括如下步骤：

a)对定向锭坯进行高温均匀化处理；

b)沿定向锭坯轴向镦锻开坯，并对定向锭坯设定三维直角坐标系，锭坯的轴线为Z轴；

c)然后将开坯后的圆盘坯整形锻造成四方体；

d)依次沿X、Y、Z三个方向分别锻造；

e)整体锻造成圆柱，X方向为端面；然后，沿X方向锻造至所需尺寸的盘形锻件；

f)对盘形锻件的晶粒度和组织均匀性进行检验，若平均晶粒度和组织均匀性达不到要求，则重复步骤c)～e)。

所述定向锭坯为镍基高温合金，其化学成分为：C：0.03-0.06wt％，Co：12.5-21wt％，Cr：13-16.5wt％，Mo：3.8-4.2wt％，W：2-4.2wt％，Ti：3.5-3.7wt％，Al：1.95-3.5wt％，Nb：0.6-1.5wt％，B：0.012-0.03wt％，Zr：0.03-0.05wt％，Ta：0～2.7wt％，Fe：≦0.5wt％，Ni：余量。