CN109365731B - 一种高温合金精锻叶片的模锻方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高温合金精锻叶片的锻造方法，其特征在于，所示锻造方法包括挤压、镦头、预锻、终锻模具的制备，确定下料尺寸、挤杆件尺寸、镦头件尺寸即预锻所需荒形的规格和尺寸，预成型模锻欠压量的控制，锻至终锻所需的荒坯的尺寸，终锻的整个过程。本发明的有益效果是：通过挤压、镦头制坯，可提升荒形尺寸及内部组织的稳定性，并提高材料利用率；预锻为终锻均匀分配变形量，避免了高温合金精锻叶片锻件的最终锻件因变形量不均匀而造成的组织不均匀、残余应力不均。提高了精锻叶片锻件综合性能和疲劳寿命，能够生产出流线沿锻件外形分布，组织均匀、综合性能优异的精锻叶片锻件，减少了叶片的机械加工余量和贵重高温合金材料的浪费。
Description
技术领域
本发明涉及高温合金精锻叶片锻造成型技术领域，特别是涉及了镍基变形高温合金精锻叶片的模具设计及模锻成形方法。
背景技术
叶片精锻成形技术在当代航空零部件加工领域占据着重要地位，具有显著的经济效益，可以预言，在未来的生产实践当中，叶片精锻成形技术将会获得更加广泛的应用。随着设备、工艺和技术的不断发展和完善，采用精锻成形的叶片质量会不断提高。目前，世界各国普遍采用精锻成形的方法加工叶片，采用精锻工艺制造的叶片，加工成成品后，叶身流线不受加工影响，流线的完整性比较好，同时，变形量分配均匀，可以获得均匀的晶粒，零件的整体机械性能良好。同普通的叶片锻造加工工艺相比，采用精锻加工成形的叶片，流线沿锻件外形分布，材料利用率高，减少了贵重高温合金材料的浪费，锻件型面加工余量小或零余量，有效降低了叶片的机械加工成本。高温合金精锻叶片成形过程复杂，同普通模锻相比，精锻叶片实现了叶身内、背弧，榫头和叶尖内缘板零余量或小余量的叶片锻件的模锻成形，它需要采用更高精度的锻造设备、最佳的锻造工艺及锻造参数，并选择最优的变形工艺参数，以获得最优的机械性能及内部组织。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：1)模具设计及使用寿命；2)精锻叶片的成形；3)避免高温合金精锻叶片锻件，因较多火次预锻、变形量不均匀导致的最终锻件组织不均匀、残余应力不均。
为解决上述问题，本发明的技术方案是：挤压+镦头+预锻+终锻的锻造方法，具体内容如下：
一种高温合金精锻叶片的锻造方法，包括挤压、镦头、预锻、终锻模具的制备，确定下料尺寸、挤杆件尺寸、镦头件尺寸(预锻所需荒形的规格和尺寸)，预成型模锻欠压量的控制，锻至终锻所需的荒坯的尺寸，终锻的整个过程。
1.制备终锻模具，终锻模具的型腔与锻件外形相应，由上模和下模组成，分模面位于叶片横截面的中心线处，此类分模属于曲面分模，模具外形尺寸根据设备模座型腔大小及锻件最大轮廓尺寸，选取180×120×120mm。
2.根据高温合金精锻涡轮叶片锻件的结构特点确定预锻所需的荒形形状，如附图1、附图2。在挤压成形时，挤压前棒料的横截面积用Ft表示，与挤压后杆部的横截面积用∑Ft表示，Ft与∑Ft的比值，称为挤压比，用Ψ表示：
∑Ft的数值由精锻涡轮叶片锻件的叶身最大横截面积乘以系数1.15可得，选取合适的挤压比4，可计算出挤压前棒料的横截面积Ft，进而计算可得所需棒料的直径规格，等体积转换，可得所需棒料的长度规格。
3.制备预锻模具，预锻模具由上模和下模组成，分模面位于叶片横截面的中心线处。预锻模具的下模设有一个Φ10×10mm定位销安装凹槽，用于安装定位销，与其对应的预锻模具的上模部位机加出Φ16×10mm的凹槽，以免定位销干涉锻造合模。型腔圆角设计比对应终锻模具圆角加大1.5～3mm，叶身型腔设计原则：为终锻均匀分配变形量，模具外形尺寸同终锻模具；
4.制备镦头模具，阴模型腔尺寸按预锻所需荒形头部尺寸的长、宽各+1mm设计，冲头与阴模间隙取自冲头，单边0.1～0.3mm。
5.制备挤压模具，阴模型腔尺寸按所选棒料直径尺寸+1mm设计，冲头与阴模间隙取自冲头，单边0.1～0.3mm。
6.将高温合金棒材一端倒角，喷涂高温玻璃润滑保护剂，加热至960～1060℃，将高温合金棒材有倒角的一端放入挤压模具，进行挤压成型，取出挤压件。
7.打磨挤压件端面毛刺，重新加热至960～1060℃后，在镦头模具内进行镦头成型，锻至荒形要求的尺寸规格。
8.对该荒形进行打磨及表面处理后喷涂高温玻璃润滑保护剂，重新加热荒形至960～1060℃，将加热后的荒形在预锻模具型腔内进行锻造，控制欠压量，锻至适合终锻的尺寸。
9.对该预锻件进行打磨及表面处理后喷涂高温玻璃润滑保护剂，重新加热预锻件至960～1060℃，将加热后的预锻件在终锻模具型腔内进行锻造，垂直尺寸锻至高温合金涡轮叶片锻件图所要求的公差范围内。
预锻和终锻模具选用一种具有高硬度和优异韧性，表面具有出色的抛光性能，适用于涂层和氮化处理的模具钢。挤压和镦头模具选用一种具有良好的整体塑性、韧性、耐磨性、淬透性和机械加工性的热作模具钢。
所有模具的预热温度为180℃～230℃，持续时间为4h以上，所涉及的高温合金材料的加热时间根据材料的加热系数和规格确定。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过挤压、镦头制坯，可提升荒形尺寸及内部组织的稳定性，并提高材料利用率；预锻为终锻均匀分配变形量，避免了高温合金精锻叶片锻件的最终锻件因变形量不均匀而造成的组织不均匀、残余应力不均。提高了精锻叶片锻件综合性能和疲劳寿命，能够生产出流线沿锻件外形分布，组织均匀、综合性能优异的精锻叶片锻件，减少了叶片的机械加工余量和贵重高温合金材料的浪费。
附图说明
图1是设计前荒形右视图；
图2是设计前荒形主视图。
具体实施方式：
实施本发明所述的镍基高温合金精锻叶片的成形方法需要提供锻造热炉、压力机、机械手等设备。下面以材料牌号为GH4169的变形镍基高温合金为例来说明该方法的具体实施过程。
该叶片从设计到生产出合格的精锻叶片锻件的工艺步骤如下：
步骤1：根据叶片特点、形状制备挤压、镦头、预锻、终锻模具。
步骤2：制坯，把按规格下料的GH4169合金棒材一端倒角，喷涂高温玻璃润滑保护剂，加热至960～1060℃，将高温合金棒材有倒角的一端放入挤压模具，进行挤压成型，取出挤压件。打磨端面毛刺，重新加热至960～1060℃后，在镦头模具内进行镦头成型，锻至所需荒形的尺寸与规格；
在上述步骤2中，采用挤压+镦头的变形方式，可获得组织均匀的荒形，有利于最终锻件获得良好的组织和性能。
步骤3：预锻，对该荒形进行打磨及表面处理后喷涂高温玻璃润滑保护剂，重新加热荒形至960～1060℃，将加热后的荒形在预锻模具型腔内进行锻造，锻至适合终锻的尺寸。
在上述步骤3中，预锻的主要目的是预留一定的欠压量，为终锻分配均匀的变形量。
步骤4：对该预锻件进行打磨及表面处理后喷涂高温玻璃润滑保护剂；重新加热预锻件至960～1060℃；将加热后的预锻件在终锻模具型腔内进行锻造，垂直尺寸锻至高温合金涡轮叶片锻件图所要求的公差范围内。
采用本发明的锻造方法制备的GH4169合金精锻叶片锻件，尺寸检测符合图纸要求，经解剖检测，精锻叶片纵横向截面高、低倍组织均符合协议及标准要求。
Claims (4)
1.一种高温合金精锻叶片的锻造方法，其特征在于，所示锻造方法包括挤压、镦头、预锻、终锻模具的制备，确定下料尺寸、挤杆件尺寸、镦头件尺寸及预锻所需荒形的规格和尺寸，预成型模锻欠压量的控制，锻至终锻所需的荒坯的尺寸，终锻的整个过程；具体步骤如下：
步骤1：制备终锻模具，终锻模具的型腔与锻件外形相应，由上模和下模组成，分模面位于叶片横截面的中心线处，此类分模属于曲面分模，模具尺寸根据设备模座型腔大小及锻件最大轮廓尺寸确定；
步骤2：根据高温合金精锻涡轮叶片锻件的结构特点确定预锻所需的荒形，在挤压成形时，挤压前棒料的横截面积用Ft表示，挤压后杆部的横截面积用∑Ft表示，Ft与∑Ft的比值，称为挤压比，用Ψ表示：
∑Ft的数值由精锻涡轮叶片锻件的叶身最大横截面积乘以系数1.15可得，选取Ψ＝4，计算出挤压前棒料的横截面积Ft，进而计算可得所需棒料的直径规格，等体积转换，可得所需棒料的长度规格；
步骤3：制备预锻模具，预锻模具由上模和下模组成，分模面位于叶片横截面的中心线处，预锻模具的下模设有一个Φ10×10mm定位销安装凹槽，用于安装定位销，与其对应的预锻模具的上模部位机加出Φ16×10mm的凹槽，以免定位销干涉锻造合模；型腔圆角设计比对应终锻模具圆角加大1.5～3mm，叶身型腔设计原则为终锻均匀分配变形量，预锻模具外形尺寸同终锻模具；
步骤4：制备镦头模具，阴模型腔尺寸按预锻所需荒形头部尺寸的长、宽各+1mm设计，冲头与镦头模具阴模间隙取自冲头，单边0.1～0.3mm；
步骤5：制备挤压模具，阴模型腔尺寸按所选棒料直径尺寸+1mm设计，冲头与挤压模具阴模间隙取自冲头，单边0.1～0.3mm；
步骤6：将高温合金棒材一端倒角，喷涂高温玻璃润滑保护剂，加热至960～1060℃，将高温合金棒材有倒角的一端放入挤压模具，进行挤压成型，取出挤压件；
步骤7：打磨挤压件端面毛刺，重新加热至960～1060℃后，在镦头模具内进行镦头成型，锻至荒形要求的尺寸规格；
步骤8：对该荒形进行打磨及表面处理后喷涂高温玻璃润滑保护剂，重新加热荒形至960～1060℃，将加热后的荒形在预锻模具型腔内进行锻造，控制欠压量，锻至适合终锻的尺寸；
步骤9：对该预锻件进行打磨及表面处理后喷涂高温玻璃润滑保护剂，重新加热预锻件至960～1060℃，将加热后的预锻件在终锻模具型腔内进行锻造，垂直尺寸锻至高温合金涡轮叶片锻件设计要求的公差范围内。
2.如权利要求1所述的锻造方法，其特征在于，预锻和终锻模具选用具有高硬度和优异韧性、表面具有出色的抛光性能、适用于涂层和氮化处理的模具钢。
3.如权利要求1所述的锻造方法，其特征在于，挤压和镦头模具选用具有良好的整体塑性、韧性、耐磨性、淬透性和机械加工性的热作模具钢。
4.如权利要求1所述的锻造方法，其特征在于，所有模具的预热温度为180℃～230℃，持续时间为4h以上，所涉及的高温合金材料的加热时间根据材料的加热系数和规格确定。
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