一種粉末高溫合金制坯的等通道擠壓模具的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種粉末高溫合金制坯的等通道擠壓模具，是一種用于改善粉末高溫合金坯料組織特征的等通道擠壓模具，鍛坯進入模具后，其截面分別經(jīng)過圓截面到橢圓截面扭轉(zhuǎn)到圓截面，這種變形為扭轉(zhuǎn)剪切變形和擠壓變形的結(jié)合，實現(xiàn)了一道次擠壓過程中多種變形模式的組合。在變形扭轉(zhuǎn)過渡段，由于橢圓扭轉(zhuǎn)面的扭轉(zhuǎn)變形，坯料在剪切應(yīng)力的作用下，發(fā)生轉(zhuǎn)動和剪切應(yīng)變，實現(xiàn)晶粒的剪切破碎，達到細化晶粒的效果。同時，由于坯料受到型腔的限制，處于壓應(yīng)力狀態(tài)下的坯料晶間變形困難，可抑制變形體原存在的各種微觀缺陷的發(fā)展。由于擠壓過程晶粒細化效果明顯，原始顆粒邊界消除徹底，粉末高溫合金坯料的綜合力學(xué)性能得到明顯提高。
【專利說明】—種粉末高溫合金制坯的等通道擠壓模具
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及粉末高溫合金的制坯【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地說，涉及一種粉末高溫合金制坯的等通道擠壓模具。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著航空航天、造船、汽車工業(yè)的發(fā)展，粉末冶金技術(shù)被廣泛應(yīng)用于航空、船舶和工業(yè)燃氣輪機的渦輪盤和葉片制造中，并且取得了快速的發(fā)展，已成為制造高性能渦輪盤和葉片的一種成熟、可靠的方法。制備高性能高溫合金坯料，是先進航空發(fā)動機研制和生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)和制備基礎(chǔ)。只有合理制坯，才能在后續(xù)成形及熱處理工藝過程中，確保其成形性能、使用性能及工藝可靠性。粉末冶金方法生產(chǎn)制備高溫合金時，每個粉末顆粒都是由微量液體金屬快速冷凝而成，其成分偏析僅限制在粉末顆粒的內(nèi)部。因此，粉末壓制成的坯料具有組織均勻細小，不存在整體成分偏析問題。均勻的組織和細小的晶粒能使粉末冶金材料得到優(yōu)異的力學(xué)性能和熱工藝性能，從而減輕裝備重量并降低生產(chǎn)成本。在現(xiàn)代高溫合金研制中，其強度指標(biāo)在很大程度上取決于晶粒的大小和晶粒與制件的厚度關(guān)系，所以對坯料進行晶粒細化和均勻化處理非常重要。制備粉末高溫合金制件，通常采用熱等靜壓、熱等靜壓+等溫鍛造、熱擠壓等工藝。熱等靜壓方法能有效地破碎非金屬夾雜物以及原始顆粒邊界，達到細化晶粒、提高合金成形性能和使用性能的目的，但該工藝對粉末的質(zhì)量要求高；而熱等靜壓+等溫鍛造工藝生產(chǎn)制備的合金，其強度和塑性指標(biāo)比直接經(jīng)熱等靜壓后的合金有所提高，但持久強度幾乎無變化，且工藝過程復(fù)雜，設(shè)備昂貴，所用粉末的粒度要求較高。采用熱擠壓方法也可以實現(xiàn)細化晶粒的目的，但需要采用大型擠壓設(shè)備。為實現(xiàn)晶粒細化，Yan Beygelzimer提出了一種擠扭(TE)的新方法(J Mater ProcessTech, 2009，209 (7): 3650)，但該方法僅適用于非圓形截面坯料。在專利CN102039324A和專利CN201862645U中公開了一種制備變通道超細晶銅鋁線材的裝置及制備方法，是將螺旋變通道擠壓模具改制成拉拔模具，其提供的一拉兩壓應(yīng)力狀態(tài)，效果不及擠壓模具的三向應(yīng)力狀態(tài)，并且該方法僅適用于直徑較小的線材生產(chǎn)。在專利CN201371172Y中提出的一種變通道擠壓模具和專利CN201711480U中介紹的一種用于長軸類鍛件制坯的胎模，以及專利CN201862645U中描述的一種制備變通道超細晶銅鋁線材的裝置，都是采用由圓截面變?yōu)闄E圓截面，再由橢圓截面變?yōu)閳A截面的方法，利用扭轉(zhuǎn)模具型腔成形預(yù)制工件，這種方法雖然具有載荷小、成本低、效率高和結(jié)構(gòu)簡單的特點，但現(xiàn)有技術(shù)中擠壓模具的型腔將擠、扭過程分開，增加了工藝的復(fù)雜性和模具的結(jié)構(gòu)尺寸，并且不能有效地實現(xiàn)擠扭過程協(xié)同作用下的簡單剪切變形，而簡單剪切變形能最大程度地細化晶粒，并消除粉末冶金材料的原始顆粒邊界。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的制備材料晶粒尺度粗大、實驗條件苛刻、工藝過程復(fù)雜的不足，本發(fā)明提出一種粉末高溫合金制坯的等通道擠壓模具，該模具可用于制備晶粒細小、組織均勻、無宏觀偏析、合金化程度高、屈服強度和疲勞性能好的粉末高溫合金坯料。通過改善粉末高溫合金坯料組織特征可有效降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，同時由于擠壓過程中晶粒細化效果明顯，原始顆粒邊界消除徹底，粉末高溫合金坯料的綜合力學(xué)性能得到明顯提聞。
[0004]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:粉末高溫合金制坯的等通道擠壓模具包括圓臺形引導(dǎo)段、變形扭轉(zhuǎn)過渡段、圓形整形段，圓臺形引導(dǎo)段型腔為變直徑圓形通道，初始截面圓形直徑為1.2D，終止處圓形直徑為D，圓臺形引導(dǎo)段長度為0.8D ;變形扭轉(zhuǎn)過渡段型腔包括圓臺形引導(dǎo)段終止處圓形截面光滑過渡并扭轉(zhuǎn)為橢圓截面、橢圓截面光滑過渡并扭轉(zhuǎn)為圓形截面，圓臺形引導(dǎo)段終止處圓形截面光滑過渡并扭轉(zhuǎn)為橢圓截面的長軸與短軸比值為a，順時針扭轉(zhuǎn)角度為Φ/2，型腔長度為bXD/2 ;橢圓截面光滑過渡并扭轉(zhuǎn)為圓形截面直徑為D，順時針扭轉(zhuǎn)角度為Φ/2，型腔長度為bXD/2 ;圓形整形段型腔截面為直徑等于D的圓形截面，圓形整形段的長度與直徑相同。
[0005]所述變形扭轉(zhuǎn)過渡段工藝參數(shù)，橢圓形截面的長短軸比值a為1.2-2.7、扭轉(zhuǎn)角Φ為26.5° -66.5°、變形扭轉(zhuǎn)過渡段長度與鍛坯直徑比值b為0.7-1.5。
[0006]有益效果
[0007]本發(fā)明提出的一種粉末高溫合金制坯的等通道擠壓模具，是一種用于改善粉末高溫合金坯料組織特征的等通道擠壓模具，鍛坯進入模具后，其截面分別經(jīng)過圓截面到橢圓截面扭轉(zhuǎn)到圓截面，這種變形為扭轉(zhuǎn)剪切變形和擠壓變形的結(jié)合，實現(xiàn)了一道次擠壓過程中多種變形模式的組合。在變形扭轉(zhuǎn)過渡階段，由于橢圓扭轉(zhuǎn)面的扭轉(zhuǎn)變形，坯料在剪切應(yīng)力的作用下，發(fā)生轉(zhuǎn)動和剪切應(yīng)變，實現(xiàn)了晶粒的剪切破碎，達到細化晶粒的效果。同時，由于坯料受到型腔的限制，處于強烈的壓應(yīng)力狀態(tài)。壓應(yīng)力狀態(tài)下的坯料晶間變形困難，可以抑制變形體原來存在的各種微觀缺陷的發(fā)展。該模具結(jié)構(gòu)簡單，通用性強，可有效降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，同時由于擠壓過程中晶粒細化效果明顯，原始顆粒邊界消除徹底，粉末高溫合金坯料的綜合力學(xué)性能得到明顯提高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]下面結(jié)合附圖和實施方式對本發(fā)明一種粉末高溫合金制坯的等通道擠壓模具作進一步的詳細說明。
[0009]圖1為本發(fā)明等通道擠壓模具的型腔結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]圖2為本發(fā)明等通道擠壓模具型腔截面示意圖。
[0011]圖3為圓臺形引導(dǎo)段A-A處剖面示意圖。
[0012]圖4為變形扭轉(zhuǎn)過渡段B-B處剖面示意圖。
[0013]圖5為圓形整形段C-C處首I]面不意圖。
[0014]圖中:
[0015]1.圓臺形引導(dǎo)段2.變形扭轉(zhuǎn)過渡段3.圓形整形段
[0016]A-A面為圓臺形引導(dǎo)段終止截面
[0017]B-B面為變形扭轉(zhuǎn)過渡段橢圓形截面
[0018]C-C面為圓形整形端起始截面【具體實施方式】
[0019]實施例一
[0020]本實施例是一種粉末高溫合金制坯的等通道擠壓模具，用于制備直徑為300mm晶粒達到5?3級組織均勻的粉末高溫合金FGH96鍛坯，設(shè)備選用噸位為5000T的等溫鍛造液壓機。將鍛坯在加熱爐中加熱至1070°C，放入模具內(nèi)并使鍛坯的軸線與坯料擠壓裝置的中心線重合。
[0021]參閱圖1-圖5，本發(fā)明等通道擠壓模具的型腔分為圓臺形引導(dǎo)段1、變形扭轉(zhuǎn)過渡段2、圓形整形段3 ;其中:圓臺形引導(dǎo)段I的型腔為內(nèi)徑光滑的變直徑圓形通道。在圓臺形引導(dǎo)段I中，入口處初始截面的圓形直徑為360mm，圓形終止截面A-A處的直徑等于300mm，中間段截面光滑過渡。圓臺形引導(dǎo)段I的長度為240_。變形扭轉(zhuǎn)過渡段2的型腔由兩部分組成，首先由圓臺形引導(dǎo)段終止處圓形截面A-A逐漸光滑過渡為橢圓形截面B-B，再由橢圓形截面B-B以相反的方式逐漸光滑過渡為直徑300_的圓形截面C-C。圓-橢圓變形扭轉(zhuǎn)階段A-B兩端分別與圓臺形引導(dǎo)段終止截面A-A和最優(yōu)長短軸比的橢圓形截面B-B相連。在變形扭轉(zhuǎn)過程中，橢圓形截面的面積始終等于圓臺形引導(dǎo)段終止處圓形截面A-A的面積，但其長軸和短軸比例逐漸增大，由I增加至1.6。橢圓面的扭轉(zhuǎn)角度也不斷增大，順時針逐漸旋轉(zhuǎn)至20°。圓-橢圓變形扭轉(zhuǎn)階段A-B的長度為143_。橢圓-圓變形扭轉(zhuǎn)階段B-C由長短軸比為1.6的橢圓形截面B-B逐漸光滑過渡為直徑300mm的圓形截面C-C。此過程與之前的變形扭轉(zhuǎn)過程相反，在此變形扭轉(zhuǎn)過程中，橢圓形截面的面積依然等于圓臺形引導(dǎo)段終止處圓形截面的面積，但其長短軸比例逐漸減小，由1.6減小至I。扭轉(zhuǎn)角度在上一階段的基礎(chǔ)上順時針再旋轉(zhuǎn)20°，最終旋轉(zhuǎn)至40°。橢圓-圓變形扭轉(zhuǎn)過渡段B-C的長度為143mm。圓形整形段3型腔的截面為直徑300mm的圓形截面，圓形整形段3的長度為300_。本實施例中的模具能有效地破碎非金屬夾雜物及其原始顆粒邊界，并能通過多道次重復(fù)擠壓細化晶粒，晶?；究刂圃??3級，完成的直徑為300_的粉末高溫合金FGH96坯料，組織較均勻、無宏觀偏析，達到工業(yè)規(guī)格要求。
[0022]實施例二
[0023]本實施例是一種粉末高溫合金制坯的等通道擠壓模具，用于制備直徑為600_晶粒達到5?3級組織均勻的粉末高溫合金FGH96鍛坯，設(shè)備選用噸位為25000T等溫鍛造液壓機。將鍛坯在加熱爐中加熱至1150°C，放入模具內(nèi)并使鍛坯的軸線與坯料擠壓裝置的中心線重合。該等通道擠壓模具的型腔分為圓臺形引導(dǎo)段1、變形扭轉(zhuǎn)過渡段2、圓形整形段
3。其中，圓臺形引導(dǎo)段I的型腔為內(nèi)徑光滑的變直徑圓形通道。在圓臺形引導(dǎo)段I中，入口處初始截面的圓形直徑為720_，圓形終止截面A-A的直徑等于600_，中間階段截面光滑過渡。圓臺形引導(dǎo)段I的長度為480_。變形扭轉(zhuǎn)過渡段2的型腔由兩部分組成:首先由圓臺形引導(dǎo)段終止處圓形截面A-A逐漸光滑過渡為橢圓形截面B-B，再由橢圓形截面B-B以相反的方式逐漸光滑過渡為直徑600mm的圓形截面C-C。圓-橢圓變形扭轉(zhuǎn)階段A-B兩端分別與圓臺形引導(dǎo)段終止截面A-A和最優(yōu)長短軸比的橢圓形截面B-B相連。在此變形扭轉(zhuǎn)過程中，橢圓形截面的面積始終等于圓臺形引導(dǎo)段終止處圓形截面A-A的面積，但其長軸和短軸比例逐漸增大，由I增加至1.3。橢圓面的扭轉(zhuǎn)角度也不斷增大，順時針逐漸旋轉(zhuǎn)至16°。圓-橢圓變形扭轉(zhuǎn)階段A-B的長度為354_。橢圓-圓變形扭轉(zhuǎn)階段B-C由長短軸比為1.3的橢圓形截面B-B逐漸光滑過渡為直徑600mm的圓形截面C-C。此過程與之前的變形扭轉(zhuǎn)過程相反，在此變形扭轉(zhuǎn)過程中，橢圓形截面的面積依然等于圓臺形引導(dǎo)段終止處圓形截面的面積，但其長短軸比例逐漸減小，由1.3減小至I。扭轉(zhuǎn)角度在上一階段的基礎(chǔ)上順時針再旋轉(zhuǎn)16°，最終旋轉(zhuǎn)至32°。橢圓-圓變形扭轉(zhuǎn)過渡段B-C的長度為354mm。圓形整形段3型腔的截面為直徑600mm的圓形截面，圓形整形段3的長度為600mm。本實施例中的模具能有效地破碎非金屬夾雜物及其原始顆粒邊界，并能通過多道次重復(fù)擠壓細化晶粒，晶粒基本控制在5?3級，完成的直徑為600_的粉末高溫合金FGH96坯料，組織較均勻、無宏觀偏析，達到工業(yè)規(guī)格要求。
[0024]實施例三
[0025]本實施例是用于制備直徑為300mm晶粒達到5?3級組織均勻的粉末高溫合金FGH95鍛坯，設(shè)備選用噸位為6000T等溫鍛造液壓機。將鍛坯在加熱爐中加熱至1100°C，放入模具內(nèi)并使鍛坯的軸線與坯料擠壓裝置的中心線重合。該等通道擠壓模具的型腔分為圓臺形引導(dǎo)段1、變形扭轉(zhuǎn)過渡段2、圓形整形段3。其中，圓臺形引導(dǎo)段I的型腔為內(nèi)徑光滑的變直徑圓形通道。在圓臺形引導(dǎo)段I中，入口處初始截面的圓形直徑為360_，圓形終止截面A-A的直徑等于300_，中間階段截面光滑過渡。圓臺形引導(dǎo)段I的長度為240_。變形扭轉(zhuǎn)過渡段2的型腔由兩部分組成，首先由圓臺形引導(dǎo)段終止處圓形截面A-A逐漸光滑過渡為橢圓形截面B-B，再由橢圓形截面B-B以相反的方式逐漸光滑過渡為直徑300_的圓形截面C-C。圓-橢圓變形扭轉(zhuǎn)階段A-B兩端分別與圓臺形引導(dǎo)段終止截面A-A和最優(yōu)長短軸比的橢圓形截面B-B相連。在此變形扭轉(zhuǎn)過程中，橢圓形截面的面積始終等于圓臺形引導(dǎo)段終止處圓形截面A-A的面積，但其長軸和短軸比例逐漸增大，由I增加至1.4。橢圓面的扭轉(zhuǎn)角度也不斷增大，順時針逐漸旋轉(zhuǎn)至18°。圓-橢圓變形扭轉(zhuǎn)階段A-B的長度為153_。橢圓-圓變形扭轉(zhuǎn)階段B-C由長短軸比為1.4的橢圓形截面B-B逐漸光滑過渡為直徑300_的圓形截面C-C。此過程與之前的變形扭轉(zhuǎn)過程相反，在此變形扭轉(zhuǎn)過程中，橢圓形截面的面積依然等于圓臺形引導(dǎo)段終止處圓形截面的面積，但其長短軸比例逐漸減小，由1.4減小至I。扭轉(zhuǎn)角度在上一階段的基礎(chǔ)上順時針再旋轉(zhuǎn)18°，最終旋轉(zhuǎn)至36°。橢圓-圓變形扭轉(zhuǎn)過渡段B-C的長度為153mm。圓形整形段3型腔的截面為直徑300mm的圓形截面，圓形整形段3的長度為300_。本實施例中的模具能有效地破碎非金屬夾雜物及其原始顆粒邊界，并能通過多道次重復(fù)擠壓細化晶粒，晶?；究刂圃?-3級，完成的直徑為300mm的粉末高溫合金FGH95坯料，組織較均勻、無宏觀偏析，達到工業(yè)規(guī)格要求。
【權(quán)利要求】
1.一種粉末高溫合金制坯的等通道擠壓模具，其特征在于:包括圓臺形引導(dǎo)段、變形扭轉(zhuǎn)過渡段、圓形整形段，圓臺形引導(dǎo)段型腔為變直徑圓形通道，初始截面圓形直徑為1.2D，終止處圓形直徑為D，圓臺形引導(dǎo)段長度為0.8D ;變形扭轉(zhuǎn)過渡段型腔包括圓臺形引導(dǎo)段終止處圓形截面光滑過渡并扭轉(zhuǎn)為橢圓截面、橢圓截面光滑過渡并扭轉(zhuǎn)為圓形截面，圓臺形引導(dǎo)段終止處圓形截面光滑過渡并扭轉(zhuǎn)為橢圓截面的長軸與短軸比值為a，順時針扭轉(zhuǎn)角度為Φ/2，型腔長度為b X D/2 ;橢圓截面光滑過渡并扭轉(zhuǎn)為圓形截面直徑為D，順時針扭轉(zhuǎn)角度為Φ /2，型腔長度為b X D/2 ;圓形整形段型腔截面為直徑等于D的圓形截面，圓形整形段的長度與直徑相同。
2.根據(jù)權(quán)利要
【文檔編號】B21C25/08GK103447341SQ201310379830
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月27日
【發(fā)明者】董俊哲, 李付國, 王磊, 汪程鵬, 楊雅靜 申請人:西北工業(yè)大學(xué)