一种超大规格高温合金饼坯的锻造方法

技术领域

本发明涉及有色金属加工方技术领域，具体为一种超大规格高温合金饼坯的锻造方法。

背景技术

高温合金是以铁、钴、镍为基体，并利用Cr、Mo、Al、Ti等元素进行固溶与时效强化的一类金属材料，其能在600℃以上保持较高的强塑性、抗氧化性与抗腐蚀性能。广泛用于航空、航天、石油、化工与舰船制造。

常规高温合金棒材坯料制备的锻造工艺是由多火次镦拔开坯与最后大变形拔长组成。由于使用高温合金制造的压力容器、耐压壳体与环类及轴类等部件的规格与重量较大，对应所需高温合金坯料的尺寸与单重也更高。同时，随着铸锭坯料重量的增大，其已无法通过常规大变形拔长作为最终成型工艺，此时锻造过程的成品率控制、铸锭的锻透性与最终饼坯组织的均匀性控制面临巨大的挑战，而目前超大规格高温合金饼坯的锻造技术仍处于空白。因此，对于超大规格高温合金饼坯的锻造工艺路线，需要设计一种新的工艺方案，以实现其高的锻造成品率与组织均匀性。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种超大规格高温合金饼坯的锻造方法，以解决上述背景技术中的问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种超大规格高温合金饼坯的锻造方法，具体包括以下内容：

步骤S1、开坯锻造：采用快锻机对铸锭进行三火次高温开坯锻造，每火锻造方式为镦粗与拔四方，每火结束得到四方截面的中间坯；

步骤S2、中间坯锻造：采用快锻机对四方截面中间坯进行三～五火次中温中间坯锻造，每火锻造方式为镦粗与拔八方，每火结束得到八方截面的中间坯；

步骤S3、倒棱摔圆：采用快锻机对八方截面中间坯进行一火次中温倒棱与摔圆锻造，得到圆柱截面的中间坯；

步骤S4、空冷打磨：对摔圆后圆截面物料锻后空冷，进行表面打磨清伤；

步骤S5、成品锻造：采用快锻机对圆柱截面中间坯进行两火次低温镦粗成型，最终得到符合要求的超大规格高温合金饼坯。

优选地，所述步骤S1中每火加热温度为1130℃～1170℃，到温后保温时间为2～4小时，每火锻造方式为镦粗与拔四方，镦粗变形量为15％～25％，拔长变形量为10％～20％，每火次拔四方后还需对坯料进行轻微倒棱处理，锻后热料回炉进行下一火次锻造。

优选地，所述步骤S2中每火加热温度为1050℃～1100℃，到温后保温时间为3～5小时，每火锻造方式为镦粗与拔八方，镦粗变形量为20％～30％，拔长变形量为20％～30％，锻后热料回炉进行下一火次锻造。

优选地，所述步骤S3中该火次加热温度为1050℃～1100℃，到温后保温时间为1～3小时，倒棱与摔圆的变形量为1％～10％，同时要求倒棱与摔圆时快锻机压下速率设置为高速档。

优选地，所述步骤S4中对摔圆后物料进行空冷，然后表面打磨清伤。

优选地，所述步骤S5中每火次加热温度为1000℃～1050℃，到温后保温时间为2～4小时，镦粗变形量为20％～30％，同时要求每火次镦粗后进行滚圆，以确保锻后直径满足要求，完成该火次锻造后物料空冷。

优选地，所述步骤S1中铸锭的重量为6～8t，规格为Φ640mm。

优选地，所述步骤S5中所得高温合金饼坯的规格为Φ1000～Φ1500mm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

大单重、大规格的高温合金铸锭，在其开坯火次锻造过程中，因铸态组织尚未破碎完全，其锻造塑性较差，同时大规格棒材四方道次拔长后端面形状通常并非规则正方形，在常规工艺后续四方拔八方道次变形过程中端面易产生剪切变形，在铸锭锻造塑性较差的开坯火次将会导致头、尾端面心部发生严重开裂，从而降低锻造总成品率。通过本发明的高温开坯火次四方拔长变形，可有效解决此端面开裂问题，减少最终成品饼坯头尾切除量，提高锻造总成品率；

通过一火次倒棱与摔圆锻造，之后空冷打磨表面裂纹，与高温合金常规连续回炉锻造相比，可为后续两火次成品镦粗锻造提供表面质量良好的坯料。通过本发明的锻造方法，可有效减少最终成品饼坯表面的扒皮量，提高锻造总成品率；

通过最后两火次低温大变形量镦粗成型，解决了超大规格饼坯无法通过常规大变形量拔长成品锻造的问题。通过低温锻造配合大变形量，可使坯料不同部位均获得足够的动态再结晶能量，同时较低的锻造温度可避免心部产生严重温升。通过本发明的锻造方法，可使超大规格高温合金饼坯获得均匀一致的完全再结晶组织；

因此本发明提出了一种高温合金超大规格饼坯的锻造方法，其解决了超大规格高温合金饼坯开坯过程中头、尾端面开裂，锻造总成品率偏低与组织均匀性难以控制的技术问题。具有较高的工业生产应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的超大规格高温合金饼坯锻造方法流程图；

图2为本发明实施例2的Φ1000mm超大规格高温合金饼坯的实物图；

图3为本发明实施例2的Φ1000mm超大规格高温合金饼坯的显微组织图；

图4为本发明实施例3的Φ1200mm超大规格高温合金饼坯的实物图；

图5为本发明实施例3的Φ1200mm超大规格高温合金饼坯的显微组织图。

具体实施方式

为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法达成目的与功效易于明白了解，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，及进行非创造性的扩展而得出的其它结论，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，一种超大规格高温合金饼坯的锻造方法，具体包括以下内容：

步骤S1、开坯锻造：锻造所用高温合金铸锭的重量为6～8t，规格为Φ640mm。采用快锻机对铸锭进行三火次高温开坯锻造，每火加热温度为1130℃～1170℃，到温后保温时间为2～4小时，每火锻造方式为镦粗与拔四方，镦粗变形量为15％～25％，拔长变形量为10％～20％，每火次拔四方后还需对坯料进行轻微倒棱处理，每火结束得到四方截面的中间坯，锻后热料回炉进行下一火次锻造；

步骤S2、中间坯锻造：采用快锻机对四方截面中间坯进行三～五火次中温中间坯锻造，每火加热温度为1050℃～1100℃，到温后保温时间为3～5小时，每火锻造方式为镦粗与拔八方，镦粗变形量为20％～30％，拔长变形量为20％～30％，每火结束得到八方截面的中间坯，锻后热料回炉进行下一火次锻造；

步骤S3、倒棱摔圆：采用快锻机对八方截面中间坯进行一火次中温倒棱与摔圆锻造，该火次加热温度为1050℃～1100℃，到温后保温时间为1～3小时，倒棱与摔圆的变形量为1％～10％，同时要求倒棱与摔圆时快锻机压下速率设置为高速档，锻后得到圆柱截面的中间坯；

步骤S4、空冷打磨：对摔圆后圆截面物料锻后空冷，进行表面打磨清伤；

步骤S5、成品锻造：采用快锻机对圆柱截面中间坯进行两火次低温镦粗成型，每火次加热温度为1000℃～1050℃，到温后保温时间为2～4小时，镦粗变形量为20％～30％，同时要求每火次镦粗后进行滚圆，确保锻后直径满足要求。完成该火次锻造后物料空冷，最终得到成品饼坯规格为Φ1000～Φ1500mm的超大规格高温合金饼坯。

实施例2

一种超大规格高温合金饼坯的锻造方法，包括以下内容：

步骤S1、开坯锻造：锻造所用高温合金铸锭的重量为6.2t，规格为Φ640mm。采用快锻机对铸锭进行第一火次高温开坯锻造，第一火加热温度为1140℃，到温后保温4小时出炉锻造，锻造方式为镦粗与拔四方，镦粗变形量为18％，四方拔长变形量为12％，拔四方后对坯料进行轻微倒棱处理，防止因坯料规格较大，尖锐的棱边处温降较快，导致坯料产生角裂的风险。第一火锻造后得到四方截面的中间坯，锻后热料回炉进行下一火次锻造；第二、三火加热温度为1140℃，到温后保温2小时出炉锻造，锻造方式为镦粗与拔四方，镦粗变形量为22％，四方拔长变形量为20％，拔四方后对坯料进行轻微倒棱处理。高温开坯火次锻造是为了破碎铸锭中原始铸态粗大组织，同时提高坯料锻造塑性，为下一步中间坯锻造火次提供端面未开裂且锻造塑性良好的坯料。三火次高温开坯锻造后得到四方截面的中间坯，锻后热料回炉进行中间坯锻造；

步骤S2、中间坯锻造：采用快锻机对四方截面中间坯进行三火次中温中间坯锻造，每火加热温度为1060℃，到温后保温时间为3小时，每火锻造方式为镦粗与拔八方，镦粗变形量为22％，拔长变形量为28％。中温中间火次锻造是为了通过较大的镦拔变形量，使坯料不同部位均获得足够的再结晶能量，获得较均匀的中间坯料组织。三火次中间坯锻造结束后得到八方截面的中间坯，锻后热料回炉进行倒棱摔圆火次锻造；

步骤S3、倒棱摔圆：采用快锻机对八方截面中间坯进行一火次中温倒棱与摔圆锻造，该火次加热温度为1060℃，到温后保温时间为1.5小时，倒棱与摔圆的变形量为5％，同倒棱与摔圆时快锻机压下速率设置为高速档。锻后得到圆柱截面的中间坯。该倒棱、摔圆整形火次是为了规整坯料形状，为最终成品锻造提供形状规则的坯料，同时可避免因八方截面形状导致的成品锻造镦粗时不同部位变形方式不一致的情况；

步骤S4、空冷打磨：对摔圆后圆截面物料锻后空冷，进行表面打磨清伤，空冷后打磨工序是为了将中间坯锻造时可能产生的表面裂纹清理干净，为成品锻造提供表面质量良好的坯料，从而减少最终成品饼坯表面的扒皮量，进而提高锻造总成品率；

步骤S5、成品锻造：采用快锻机对圆柱截面中间坯进行两火次低温镦粗成型，每火次加热温度为1020℃，到温后保温时间为2小时，镦粗变形量为23％，同时每火次镦粗后进行滚圆，以确保锻后直径满足要求。完成该火次锻造后物料空冷，最终得到成品饼坯规格为Φ1000mm的超大规格高温合金饼坯。

如图2所示为最终制备的Φ1000mm的超大规格高温合金饼坯的实物图，其表面光洁，形状规则，棱角饱满。

如图3所示为最终制备的Φ1000mm的超大规格高温合金饼坯的显微组织图，其显微组织是由完全再结晶的等轴状晶粒组成，晶粒度为ASTM 3.5级。饼坯不同部位的组织均匀一致，同时其低倍组织均匀模糊，无未完成再结晶的粗大或混晶组织。说明饼坯在最后两火次大变形量镦粗时得到了充分的再结晶，同时晶粒组织也并未因锻造温升而变得过分粗大。

实施例3

一种超大规格高温合金饼坯的锻造方法，包括以下内容：

步骤S1、开坯锻造：锻造所用高温合金铸锭的重量为7t，规格为Φ640mm。采用快锻机对铸锭进行第一火次高温开坯锻造，第一火加热温度为1160℃，到温后保温4小时出炉锻造，锻造方式为镦粗与拔四方，镦粗变形量为22％，四方拔长变形量为15％，拔四方后对坯料进行轻微倒棱处理，防止因坯料规格较大，尖锐的棱边处温降较快，导致坯料产生角裂的风险。第一火锻造后得到四方截面的中间坯，锻后热料回炉进行下一火次锻造；第二、三火加热温度为1160℃，到温后保温3小时出炉锻造，锻造方式为镦粗与拔四方，镦粗变形量为20％，四方拔长变形量为18％，拔四方后对坯料进行轻微倒棱处理。高温开坯火次锻造是为了破碎铸锭中原始铸态粗大组织，同时提高坯料锻造塑性，为下一步中间坯锻造火次提供端面未开裂且锻造塑性良好的坯料。三火次高温开坯锻造后得到四方截面的中间坯，锻后热料回炉进行中间坯锻造；

步骤S2、中间坯锻造：采用快锻机对四方截面中间坯进行四火次中温中间坯锻造，每火加热温度为1070℃，到温后保温时间为3.5小时，每火锻造方式为镦粗与拔八方，镦粗变形量为25％，拔长变形量为25％。中温中间火次锻造是为了通过较大的镦拔变形量，使坯料不同部位均获得足够的再结晶能量，获得较均匀的中间坯料组织。三火次中间坯锻造结束后得到八方截面的中间坯，锻后热料回炉进行倒棱摔圆火次锻造；

步骤S3、倒棱摔圆：采用快锻机对八方截面中间坯进行一火次中温倒棱与摔圆锻造，该火次加热温度为1070℃，到温后保温时间为2小时，倒棱与摔圆的变形量为7％，同倒棱与摔圆时快锻机压下速率设置为高速档。锻后得到圆柱截面的中间坯。该倒棱、摔圆整形火次是为了规整坯料形状，为最终成品锻造提供形状规则的坯料，同时可避免因八方截面形状导致的成品锻造镦粗时不同部位变形方式不一致的情况；

步骤S4、空冷打磨：对摔圆后圆截面物料锻后空冷，进行表面打磨清伤，空冷后打磨工序是为了将中间坯锻造时可能产生的表面裂纹清理干净，为成品锻造提供表面质量良好的坯料，从而减少最终成品饼坯表面的扒皮量，进而提高锻造总成品率；

步骤S5、成品锻造：采用快锻机对圆柱截面中间坯进行两火次低温镦粗成型，每火次加热温度为1030℃，保温时间为2.5小时，镦粗变形量为25％，同时每火次镦粗后进行滚圆，以确保锻后直径满足要求。完成该火次锻造后物料空冷，最终得到成品饼坯规格为Φ1200mm的超大规格高温合金饼坯。

如图4所示为最终制备的Φ1200mm的超大规格高温合金饼坯的实物图，其表面光洁，形状规则，棱角饱满。

如图5所示为最终制备的Φ1200mm的超大规格高温合金饼坯的显微组织图，其显微组织是由完全再结晶的等轴状晶粒组成，晶粒度为ASTM 3级。饼坯不同部位的组织均匀一致，同时其低倍组织均匀模糊，无未完成再结晶的粗大或混晶组织。说明饼坯在最后两火次大变形量镦粗时得到了充分的再结晶，同时晶粒组织也并未因锻造温升而变得过分粗大。

实施例4

一种超大规格高温合金饼坯的锻造方法，包括以下内容：

步骤S1、开坯锻造：锻造所用高温合金铸锭的重量为7.8t，规格为Φ640mm。采用快锻机对铸锭进行第一火次高温开坯锻造，第一火加热温度为1170℃，到温后保温4小时出炉锻造，锻造方式为镦粗与拔四方，镦粗变形量为22％，四方拔长变形量为18％，拔四方后对坯料进行轻微倒棱处理，防止因坯料规格较大，尖锐的棱边处温降较快，导致坯料产生角裂的风险。第一火锻造后得到四方截面的中间坯，锻后热料回炉进行下一火次锻造；第二、三火加热温度为1170℃，到温后保温3.5小时出炉锻造，锻造方式为镦粗与拔四方，镦粗变形量为25％，四方拔长变形量为18％，拔四方后对坯料进行轻微倒棱处理。高温开坯火次锻造是为了破碎铸锭中原始铸态粗大组织，同时提高坯料锻造塑性，为下一步中间坯锻造火次提供端面未开裂且锻造塑性良好的坯料。三火次高温开坯锻造后得到四方截面的中间坯，锻后热料回炉进行中间坯锻造；

步骤S2、中间坯锻造：采用快锻机对四方截面中间坯进行五火次中温中间坯锻造，每火加热温度为1080℃，到温后保温时间为4小时，每火锻造方式为镦粗与拔八方，镦粗变形量为30％，拔长变形量为27％。中温中间火次锻造是为了通过较大的镦拔变形量，使坯料不同部位均获得足够的再结晶能量，获得较均匀的中间坯料组织。三火次中间坯锻造结束后得到八方截面的中间坯，锻后热料回炉进行倒棱摔圆火次锻造；

步骤S3、倒棱摔圆：采用快锻机对八方截面中间坯进行一火次中温倒棱与摔圆锻造，该火次加热温度为1080℃，到温后保温时间为2.5小时，倒棱与摔圆的变形量为10％，同倒棱与摔圆时快锻机压下速率设置为高速档。锻后得到圆柱截面的中间坯。该倒棱、摔圆整形火次是为了规整坯料形状，为最终成品锻造提供形状规则的坯料，同时可避免因八方截面形状导致的成品锻造镦粗时不同部位变形方式不一致的情况；

步骤S4、空冷打磨：对摔圆后圆截面物料锻后空冷，进行表面打磨清伤，空冷后打磨工序是为了将中间坯锻造时可能产生的表面裂纹清理干净，为成品锻造提供表面质量良好的坯料，从而减少最终成品饼坯表面的扒皮量，进而提高锻造总成品率；

步骤S5、成品锻造：采用快锻机对圆柱截面中间坯进行两火次低温镦粗成型，每火次加热温度为1040℃，保温时间为3小时，镦粗变形量为28％，同时每火次镦粗后进行滚圆，以确保锻后直径满足要求。完成该火次锻造后物料空冷，最终得到成品饼坯规格为Φ1400mm的超大规格高温合金饼坯。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明的要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。