[发明专利]一种加热炉用钴合金垫块半固态触变成形工艺方法

说明书

技术领域

本发明属于高温合金领域，具体涉及一种用于加热炉垫块的高温合金半固态触变成形工艺方法。

技术背景

高温合金是高温结构材料的一种，指的是在600℃以上高温服役，承受较大复杂应力，并具有表面稳定性的铁基、镍基或钴基奥氏体金属材料。高温合金具有较高的强度，良好的抗氧化和抗热腐蚀性能和优异的疲劳性能、塑性等综合性能，是提高航空航天发动机和工业燃汽轮机使用性能、降低能耗和延长服役寿命的关键材料，是支持交通运输、能源动力、航空航天、国防科技以及国家重大工程持续发展的基础。

钴基高温合金具有良好的高温热强性、高温抗氧化性，常用于航空发动机涡流板、燃烧室内壁、耐热垫块等高温部件。在1050～1300℃高温下，钴基高温合金比铬镍高温合金具有更高的蠕变强度和极限强度，高温下烧损要小得多。

目前，国内外钴基合金垫块多采用铸造的方法生产，存在着成分与组织偏析等缺陷。与钴基铸造高温合金相比，钴基变形高温合金由于热锻等机械变形加工工艺可以使合金的铸态结构破碎并得到晶粒细微的纤维状组织，避免了粗晶、疏松等缺陷，具有更高的强度和韧性，抗腐蚀性能也进一步得以提高。但是，由于钴基高温合金的合金化程度高、热变形抗力大、可变形温度窄，因此热加工成形难度较大，是目前面临的一项技术难题。

20世纪70年代初期金属材料半固态加工技术的出现为解决上述问题带来了希望。所谓半固态加工就是对具有一定液相组分的固液混合浆料进行压铸、挤压或模锻成形，是一种介于普通铸造(纯液态)和锻压(纯固态)之间的精确成形方法。自发现半固态金属的特性以来，经过多年的探索研究，半固态金属成形技术已经得到了迅速发展，成为材料加工行业最为活跃的研究和开发领域之一。

金属材料的半固态成形是在液固两相状态下进行的，与全液体成形或全固体成形相比，金属半固态成形技术具有一系列的优点：

(1)在重力下，重熔加热后的半固态金属坯料的粘度很高，可以方便地机械搬运，也便于实现自动化操作；在高速剪切作用下，半固态金属坯料的粘度又可迅速降低，便于成形。

(2)半固态金属成形的生产效率很高，如美国阿卢马克思工程金属工艺公司(Alumax Engineered Metal Processes，Inc)在半固态锻造铝合金汽车制动总泵体时，每小时生产150件，而利用金属型铸造通用的铸件，每小时只能生产24件。

(3)半固态成形时，金属在充型过程中，不易发生喷溅，减轻了合金的氧化和裹气，提高了铸件的致密性。因此，可以通过热处理来进一步提高铸件的力学性能，其强度比液态金属的压铸件高。

(4)金属浆料或坯料在充型前已析出一半左右的初生固相，减少了凝固收缩，铸件具有更少的收缩孔洞，能够承受更高的液体压力。

(5)半固态金属浆料或坯料不存在宏观偏析，因而铸件也不存在宏观偏析，其性能更均匀。

(6)半固态金属浆料或坯料的固相分数可以在一定范围内调整，借此改变半固态金属浆料或坯料的表观粘度，可适应不同铸件的成形要求。

(7)利用半固态金属可以进行机械零件的近终(Net-shape)成形，可大幅度减少零件毛坯的机械加工量，降低生产成本。

(8)半固态金属浆料或坯料的充型温度低，减轻了模具的热冲击，提高了模具的寿命。

(9)加热半固态金属坯料比熔化金属炉料可节约能源25％～30％。

(10)半固态金属成形车间不需要出来液态金属，工艺操作更安全，工作环境更优良。

(11)半固态金属的粘度较高，可以方便地加入增强材料(颗粒或纤维)，为复合材料的廉价生产开辟了一条新途径。

(12)半固态金属的成形力显著降低，因此半固态金属可以成形复杂的零件毛坯，降低成本，而铸件性能与固态金属铸件相当。

我国从80年代后期开始，在国家自然科学基金、863和973等计划的支持下，先后有单位开展了这方面的研究工作。如北京有色金属研究总院、重庆大学、北京科技大学等。在半固态加工成形技术的基础理论研究方面取得了很大进展，并自行设计和开发了不同类型的试验设备，甚至与企业合作进行试生产。尽管如此，与国外早已实现半固态成形的规模化生产相比，我国在应用上依然有着很大差距。

总结国内外半固态成形的研究可以发现，现阶段半固态成形技术主要应用在镁铝合金等轻金属领域，在钢铁材料上也有少量应用，对于熔点较高、液固相线温度区间窄的高温合金如钴基高温合金，尚未有相关研究报道。

发明内容