一種粉末高溫合金構(gòu)件階段加熱擠壓控形方法與流程

本發(fā)明是一種用于粉末高溫合金構(gòu)件的階段加熱擠壓控形方法，屬于熱加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及粉末高溫合金構(gòu)件制備工藝的改進。

背景技術(shù)：

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(fā)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(yōu)異的優(yōu)點，是制造高性能、高可靠性、長壽命先進航空發(fā)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(dǎo)致在工藝執(zhí)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(fā)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(fù)雜，制備周期長，成本高，而且，在不同的工序之間需要對構(gòu)件坯料進行多次機械加工，以滿足工序?qū)?gòu)件坯料形狀和表面狀態(tài)的要求，造成了材料利用率低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明正是針對上述現(xiàn)有國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足而設(shè)計提供了一種用于粉末高溫合金構(gòu)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(gòu)件的生產(chǎn)效率和材料利用率。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：

該種用于粉末高溫合金構(gòu)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(zhǔn)備

根據(jù)構(gòu)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(jù)構(gòu)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(huán)形模(1)和下環(huán)形模(2)構(gòu)成擠壓模具型腔，其中，下環(huán)形模(2)固定在壓機的下工作臺上，上環(huán)形模(1)裝在下環(huán)形模(2)上，并與下環(huán)形模(2)緊密配合，上環(huán)形模(1)的內(nèi)徑比下環(huán)形模(2)的內(nèi)徑大，上環(huán)形模(1)和下環(huán)形模(2)能夠沿軸向?qū)﹂_；

在上環(huán)形模(1)的內(nèi)腔中有上壓環(huán)(3)，上壓環(huán)(3)與上環(huán)形模(1)之間的配合為過度配合，上壓環(huán)(3)的中心孔中安裝上壓頭(4)，上壓頭(4)與上壓環(huán)(3)之間的配合為過度配合，在下環(huán)形模(2)的中心孔中安裝下壓頭(5)，下壓頭(5)與下環(huán)形模(2)之間的配合為過度配合，從而實現(xiàn)上壓環(huán)(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(huán)形模(1)和下環(huán)形模(2)的中心線同軸；

步驟三、液壓系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)就位

將擠壓模具內(nèi)壁用酒精及丙酮清理干凈，并置于真空室內(nèi)，真空室內(nèi)設(shè)置三套液壓系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)，三套液壓系統(tǒng)分別對接上壓環(huán)(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(huán)形模(2)的上端平齊，上壓環(huán)(3)和上壓頭(4)的下端平齊，并高出上環(huán)形模(1)頂端，加熱系統(tǒng)位于擠壓模具的四周；

步驟四、粉末裝載

在真空室內(nèi)將預(yù)先準(zhǔn)備好的粉末高溫合金霧化粉末通過上壓環(huán)(3)和上壓頭(4)的下端與上環(huán)形模(1)之間的間隙倒入模具中；

步驟五、粉末及模具預(yù)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(huán)形模內(nèi)腔直徑}+L_{上環(huán)形模壁厚}×2)×1.7min/mm 公式2

步驟六、粉末固化

待保溫時間結(jié)束后，下壓頭(5)保持不同，上壓環(huán)(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(huán)(3)和上壓頭(4)停止運動；

然后繼續(xù)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(gòu)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(jié)束后，下壓頭(5)依然保持不動，上壓環(huán)(3)和上壓頭(4)繼續(xù)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(huán)(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(jié)束后，下壓頭(5)依然保持不動，上壓頭(4)和上壓環(huán)(3)繼續(xù)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(xù)向下運動，同時上壓環(huán)(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(huán)(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(jié)束后，下壓頭(5)依然保持不動，上壓頭(4)和上壓環(huán)(3)繼續(xù)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(xù)向下運動，同時上壓環(huán)(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(huán)(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(jié)束后，下壓頭(5)依然保持不動，上壓頭(4)和上壓環(huán)(3)繼續(xù)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(huán)(3)的下端面接觸下環(huán)形模(2)的內(nèi)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(huán)(3)和上壓頭(4)的位置調(diào)整至在霧化高溫合金粉末裝載之前的狀態(tài)，將上環(huán)形模(1)和下環(huán)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(gòu)件。

本發(fā)明技術(shù)方案具有的特點和有益效果是：

本發(fā)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(gòu)件存在鍛件制備周期長、制造成本高的技術(shù)現(xiàn)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(fā)明是一種針對在粉末冶金高溫合金構(gòu)件的塑性成形技術(shù)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(jié)合模具運動方向和變形速度等塑性變形參數(shù)，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(huán)交替作用，對粉末顆粒施加一定的應(yīng)變條件，粗大顆粒向細(xì)小晶粒晶粒轉(zhuǎn)變，并且完成構(gòu)件成形，從而制備出全致密的粉末構(gòu)件，實現(xiàn)粉末構(gòu)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(jié)晶發(fā)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(xì)小再結(jié)晶晶粒的粉末高溫合金構(gòu)件。

本發(fā)明技術(shù)方案與與國內(nèi)外粉末高溫合金環(huán)形構(gòu)件的制備技術(shù)相比，其優(yōu)點主要體現(xiàn)在：

(1)利用粉末良好的流動性，粉末成形過程中，粉末構(gòu)件的形狀一直在改變，實現(xiàn)了構(gòu)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(xiàn)的，變形溫度是階段變化的，從而滿足粉末顆粒從界面結(jié)合到再結(jié)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(huán)交替作用，便于調(diào)整構(gòu)件不同區(qū)域的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)；

(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(gòu)件制造成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明技術(shù)方案中擠壓模具的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為本發(fā)明技術(shù)方案實施例1的高溫合計構(gòu)件的微觀組織形貌

圖3為本發(fā)明技術(shù)方案實施例2的高溫合計構(gòu)件的微觀組織形貌

具體實施方式

以下將結(jié)合實施例對本發(fā)明技術(shù)方案作進一步地詳述：

實施例1

該種用于粉末高溫合金構(gòu)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(zhǔn)備

根據(jù)構(gòu)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(jù)構(gòu)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(huán)形模1和下環(huán)形模2構(gòu)成擠壓模具型腔，其中，下環(huán)形模2固定在壓機的下工作臺上，上環(huán)形模1裝在下環(huán)形模2上，并與下環(huán)形模2緊密配合，上環(huán)形模1的內(nèi)徑比下環(huán)形模2的內(nèi)徑大，上環(huán)形模1和下環(huán)形模2能夠沿軸向?qū)﹂_；

在上環(huán)形模1的內(nèi)腔中有上壓環(huán)3，上壓環(huán)3與上環(huán)形模1之間的配合為過度配合，上壓環(huán)3的中心孔中安裝上壓頭4，上壓頭4與上壓環(huán)3之間的配合為過度配合，在下環(huán)形模2的中心孔中安裝下壓頭5，下壓頭5與下環(huán)形模2之間的配合為過度配合，從而實現(xiàn)上壓環(huán)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(huán)形模1和下環(huán)形模2的中心線同軸；

步驟三、液壓系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)就位

將擠壓模具內(nèi)壁用酒精及丙酮清理干凈，并置于真空室內(nèi)，真空室內(nèi)設(shè)置三套液壓系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)，三套液壓系統(tǒng)分別對接上壓環(huán)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(huán)形模2的上端平齊，上壓環(huán)3和上壓頭4的下端平齊，并高出上環(huán)形模1頂端，加熱系統(tǒng)位于擠壓模具的四周；

步驟四、粉末裝載

在真空室內(nèi)將預(yù)先準(zhǔn)備好的高溫合金霧化粉末6通過上壓環(huán)3和上壓頭4的下端與上環(huán)形模1之間的間隙倒入模具中；

步驟五、粉末及模具預(yù)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(huán)形模內(nèi)腔直徑}+L_{上環(huán)形模壁厚}×2)×1.7min/mm 公式2

步驟六、粉末固化

待保溫時間結(jié)束后，下壓頭5保持不同，上壓環(huán)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(huán)3和上壓頭4停止運動；

然后繼續(xù)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(gòu)件成形

再次等到保溫時間結(jié)束后，下壓頭5依然保持不動，上壓環(huán)3和上壓頭4繼續(xù)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(huán)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(huán)3和上壓頭4的位置調(diào)整至在霧化高溫合金粉末裝載之前的狀態(tài)，將上環(huán)形模1和下環(huán)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(gòu)件。

參見附圖2所示，粉末高溫合金構(gòu)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(gòu)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(zhǔn)備

根據(jù)構(gòu)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(jù)構(gòu)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(huán)形模1和下環(huán)形模2構(gòu)成擠壓模具型腔，其中，下環(huán)形模2固定在壓機的下工作臺上，上環(huán)形模1裝在下環(huán)形模2上，并與下環(huán)形模2緊密配合，上環(huán)形模1的內(nèi)徑比下環(huán)形模2的內(nèi)徑大，上環(huán)形模1和下環(huán)形模2能夠沿軸向?qū)﹂_；

在上環(huán)形模1的內(nèi)腔中有上壓環(huán)3，上壓環(huán)3與上環(huán)形模1之間的配合為過度配合，上壓環(huán)3的中心孔中安裝上壓頭4，上壓頭4與上壓環(huán)3之間的配合為過度配合，在下環(huán)形模2的中心孔中安裝下壓頭5，下壓頭5與下環(huán)形模2之間的配合為過度配合，從而實現(xiàn)上壓環(huán)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(huán)形模1和下環(huán)形模2的中心線同軸；

步驟三、液壓系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)就位

將擠壓模具內(nèi)壁用酒精及丙酮清理干凈，并置于真空室內(nèi)，真空室內(nèi)設(shè)置三套液壓系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)，三套液壓系統(tǒng)分別對接上壓環(huán)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(huán)形模2的上端平齊，上壓環(huán)3和上壓頭4的下端平齊，并高出上環(huán)形模1頂端，加熱系統(tǒng)位于擠壓模具的四周；

步驟四、粉末裝載

在真空室內(nèi)將預(yù)先準(zhǔn)備好的高溫合金霧化粉末6通過上壓環(huán)3和上壓頭4的下端與上環(huán)形模1之間的間隙倒入模具中；

步驟五、粉末及模具預(yù)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(huán)形模內(nèi)腔直徑}+L_{上環(huán)形模壁厚}×2)×1.7min/mm 公式2

步驟六、粉末固化

待保溫時間結(jié)束后，下壓頭5保持不同，上壓環(huán)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(huán)3和上壓頭4停止運動；

然后繼續(xù)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(gòu)件成形

再次等到保溫時間結(jié)束后，下壓頭5依然保持不動，上壓頭4和上壓環(huán)3繼續(xù)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(xù)向下運動，同時上壓環(huán)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(huán)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(huán)3和上壓頭4的位置調(diào)整至在霧化高溫合金粉末裝載之前的狀態(tài)，將上環(huán)形模1和下環(huán)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(gòu)件。

參見附圖3所示，粉末高溫合金構(gòu)件的微觀組織均勻，看不到明顯的原始顆粒邊界。