[发明专利]一种应用于超大型镍基高温合金涡轮盘锻造的包套方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于超大型镍基高温合金涡轮盘锻造的包套方法，用于冶金与机械行业金属材料热加工过程中锻造温度的控制保温，是一种特殊的热加工包套方法，特别适用于超大型难变形镍基高温合金要严格控制坯料变形温度的情况。

背景技术

镍基高温合金以其优良的高温性能，广泛被选作石油、化工、火电及核电等行业的涡轮盘材料。在涡轮盘使用过程中，工作温度一般在550℃以上，其性能的好坏主要由合金组织决定。然而，由于镍基高温合金具有高合金化元素，再结晶温度较高，同时其初熔点较低，故而造成该合金锻造温度范围较窄、变形塑性差、变形抗力大等突出问题，受温度影响较为敏感。变形温度的降低，不仅导致合金热塑性急剧恶化，同时合金变形温度与应变速率敏感性随着合金化程度的提高而增大。微观组织受到变形温度、变形速率、变形量及应力状态等工艺影响较明显，其比热塑性的限制更加苛刻。从而，造成合金锻造成形困难、成材率低。特别是对于强化相含量较高的镍基高温合金和超大型的镍基高温合金钢锭的锻造生产，对温度的控制提出了苛刻的要求，热塑性许可范围通常在80℃以内，而微观组织与力学性能所要求温度范围往往更小，需要采取等温锻造和热模锻等特殊工艺措施才能保证锻造成形及最佳组织控制的实现 [姚志浩，董建新，张麦仓. GH738高温合金热变形过程显微组织控制与预测 I. 组织演化模型的构建[J]. 金属学报, 47(12): 1581-1590, 2011；姚志浩，王秋雨，张麦仓，董建新. GH738高温合金热变形过程显微组织控制与预测 II. 组织演化模型验证与应用[J]. 金属学报, 47(12): 1591-1599, 2011] 。

目前，由于等温锻造成本高，操作较为复杂，不利于大规模生产。一般采用对坯料采取各种保温措施的热模锻生产。典型的保温方法是使用石棉绝热材料覆盖在坯料表面，以减缓坯料因辐射和对流导致的热量损失。在锻造过程中，由于模具与坯料之间存在温度差，故而将石棉垫在模具与坯料之间而防止接触传热，阻挡坯料表面与空气间的传热。实际上，为了控制锻造温度，锻件的加热温度选择为许可变形温度范围的上限，同时采用包套包裹坯料减缓热量散失，保温材料的保温效能越高、坯料的转移过程和完成变形的时间越短，则可获得较好的变形组织。由于高温合金可锻造温度范围很小，坯料出炉转移时间通常要精确到秒，因此为了在坯料出炉过程中能够有效保温，需要再装炉前的冷态条件下将石棉保温材料固定在坯料表面，最主要的办法就是通过焊接不锈钢外套的方法将保温材料固定在坯料表面，从而保证石棉毯在坯料加热和出炉转移过程中不脱落，工业生产中称该方法为不锈钢硅酸铝复合包套或硬包套。采用常规石棉包套材料能够显著减缓合金坯料的热量散失，因此长期以来在高温合金的热加工过程中得到广泛应用。

但是该方法局限性很多，无法完全满足锻造工艺对锻件温度控制精度的要求，特别是存在以下几方面突出问题：

其一，石棉保温材料和不锈钢外套在高温下不能承受较大外力和变形，在锻造开始阶段即破裂，使坯料直接与模具及空气接触，特别是坯料与模具的接触使坯料局部温度急剧下降，导致锻件相应开裂破坏及组织异常。其二，不锈钢包套方法不适于铸锭开坯等多火次锻造过程，更无法再锤锻工艺中实施，在棒材和管材的热轧，以及在轧环机上轧制大型环件过程中，也无法采用不锈钢加硅酸铝包套方法。其三，在锻造过程中，使用常规的工业石棉材料会导致严重的环保问题。其四，冷态包套致使加热时间过长，容易使不锈钢氧化严重、石棉毯发生脆化，导致夹持过程中容易出现包套碎裂；同时，过长时间的加热保温能源耗费严重，浪费大量资源。故而探索一种可持续发展锻造过程中保温效果好、可操作性强、能源节约型的包套方法是广大锻造厂亟需的技术。

为了解决不锈钢硅酸铝复合包套只能在坯料处于冷态下实施，无法对高温坯料进行包套的问题，出现了利用玻璃在高温软化而具有粘结性的特点，使用玻璃粉将硅酸铝保温毡粘贴在高温坯料表面的方法，该方法应用于铸锭开坯等需要多火次锻造，因此要多次在热状态下回炉的情况，可以解决多火次锻造-回炉-加热-出炉的保温问题。但作为化工原料的商品化玻璃粉存在粘性不足、维持粘性状态温度范围小等问题，不能在热加工工艺所要求的相应温度范围内维持足够的粘性，当坯料在炉内加热而处于较高温温度时，玻璃会由于粘性过低而在重力作用下流淌，导致石棉保温材料从坯料表面脱落，同时流失的玻璃熔体遗留在炉内凝固后难以清除，会对炉体及加热系统造成损害。当坯料出炉后表面温度出现小范围下降时，粘性层便会因凝固而脆化，从而与石棉保温材料同时脱落。因此，该方法仍不能完全满足高温合金热加工对保温效能的要求。