一种带耳块的大型整体锻造金属框架及其制备方法

《一种带耳块的大型整体锻造金属框架及其制备方法》涉及一种大型整体锻造金属框架及其制备技术，特别涉及带耳块的大型整体锻造金属框架及其制备方法，尤其适用于钛合金大型构件制备，也可应用于铝合金或其他对整体性能要求高的材料，属于材料科学技术领域。

锻件是金属被施加压力，通过塑性变形来塑造得到要求的形状或合适的压缩力的物件。金属经过锻造加工后能改善其组织结构和力学性能，锻造加工能保证金属纤维组织的连续性，使锻件的纤维组织与锻件外形保持一致，金属流线完整，可保证锻造零件具有良好的力学性能与长的使用寿命。铸造组织经过锻造方法热加工变形后由于金属的变形和再结晶，使原来的粗大枝晶和柱状晶粒变为晶粒较细、大小均匀的等轴再结晶组织，使铸锭内原有的偏析、疏松、气孔、夹渣等压实和焊合，其组织变得更加紧密，提高了金属的塑性和力学性能。锻件没有任何多孔性、多余空间、内含物或其他的瑕疵。这种方法生产的零件，强度与重量比有一个高的比率。所以，锻件通常被用在飞机结构中。

按重量计算，飞机上有85％左右的的构件是锻件。飞机发动机的涡轮盘、后轴颈（空心轴）、叶片、机翼的翼梁、机身的肋筋板、轮支架、起落架的内外筒体等都是涉及飞机安全的重要锻件。飞机锻件多用高强度耐磨、耐蚀的铝合金、钛合金、镍基合金等贵重材料制造。锻件、尤其是大型框架锻件在航空、航天等工程领域广泛应用。如大型框架锻件多用于飞机的机身等处，其尺寸规格一般为大于1米。

传统的大型框类零件制造方法是采用若干中小锻件焊接而成，构件制造过程中需要焊接、机加工、无损检测、热处理等多个工序及其反复才能完成，加工周期长、质量稳定性不高。同时，由于焊缝非均质的特点，焊缝周边耐腐蚀性差、结构安全可靠性低，因此，大型化、整体化是锻件发展趋势之一。

但随着锻件增大，如何保持组织性能的均匀性又成为技术难点。要求锻件组织性能的优质和均匀化必须首先要求锻坯的晶粒细小及组织均匀，即要保证锻件质量，首先须确保锻坯质量，换言之，锻件成形前就需将锻坯组织性能达到成形后锻件的水平。

在锻件的大型化整体化过程中，对于对称或近对称的框架形状，可以通过饼坯压制或扩孔方法制备而成。但对于带耳块或非对称的大型整体框，典型的如航空构件大型框，其外廓尺寸大于1米×1米，比如1528毫米×1352毫米。由于上端和右端有伸出的“耳块”，心部有直径约1米的孔，采用常规的饼坯压制或扩孔的锻造方法，则耳块等处出现“缺肉”，即充不满现象。

2014年之前的技术一直无法解决带耳块的大型整体框构件的锻造，2014年之前的技术中曾出现非对称零件的制造方法，但与该发明解决的技术问题和采用的手段完全不同。

曾有文献公开整体挤压成形的方式，但采用挤压工艺，需要先将挤压坯料切削成厚度不同的斜面，再调节间隙以获得非对称挤压件。该领域公知，锻压工艺受力和变形方式与挤压差别较大，对于大型部件、变形抗力大的金属，挤压方式根本不适用。

《稀有金属》，2012年5月，第36卷第2期，文章“钛合金复杂构件等温锻造工艺研究”公开了一种等温锻造制备复杂构件的方法，但与该发明解决的框类零件问题不同，首先坯料设计不同，其次文章中锻件成形需要辅以机加工对锻件进行厚薄处理，《一种带耳块的大型整体锻造金属框架及其制备方法》只采用锻造方法。总之上述两个对比文件与该发明解决的问题和采用的手段均不具有可比性。

图1是带耳块的大型金属整体锻造框架的V形荒坯。

图2是带耳块的大型金属整体锻造框架的预锻坯形状。

图3是带耳块的大型金属整体锻造框架的精整后的预锻件。

图4是带耳块的大型金属整体锻造框架的终锻件最终形状。

2020年7月14日，《一种带耳块的大型整体锻造金属框架及其制备方法》获得第二十一届中国专利奖优秀奖。 2100433B

以下结合附图说明《一种带耳块的大型整体锻造金属框架及其制备方法》的一个实施例。框架外廓尺寸1528毫米×1352毫米。上端和右端带耳块的TA15钛合金大型框架模锻构件的制备方法如下：

（1）V形荒坯制坯：选用直径Φ400毫米的棒材，镦拔后下料得到厚度均匀的板坯，通过在板坯上施加压力制备出V形荒坯，压力作用在相应于V形的底部，其中，V形荒坯的夹角及延伸长度与耳块之间的夹角和尺寸相应。镦拔坯料采用自由锻，在5吨自由锻锤上进行。或镦拔坯料采用50MN油压机进行。镦拔坯料的制坯温度控制在960℃，相变点为990℃。首先制备出V形荒坯。

（2）V形荒坯预锻：对制得的V形荒坯放入模具进行锻造，V形荒坯的延伸边对应于框架的耳块；锻造后，V形荒坯的延伸边形成耳块部分，其余部分形成框架主体。V形荒坯再通过在965℃预锻，实现金属的合理分配，形成带耳块的大型框架外形，无需扩孔及分段制作。

（3）预锻坯精整：去掉预锻坯中部的孔部材料。

（4）终锻件模锻成形：放入最终成形的框架模具进行锻造，得到带耳块的大型整体锻造金属框架。等温锻造模具用K3高温合金铸造加工而成，等温温度仍在965℃，模锻获得精密终锻件，随后进行热处理。

一种带耳块的大型整体锻造金属框架及其制备方法专利目的

《一种带耳块的大型整体锻造金属框架及其制备方法》的目的是解决带耳块整体框的坯料设计、锻坯制备、锻件成形问题。采用与耳块角度相应的大角度V形荒坯进行锻造，解决了上述大型整体锻件的锻造成形问题；进一步地，通过对V形荒坯进行等温制坯、等温锻造，更好地解决了上述大型整体锻件的精确成形和组织性能均匀性问题。采用该发明方法仅通过2～3火可以完成整个锻件成形过程，大大缩短了工序、提高了材料利用率。

《一种带耳块的大型整体锻造金属框架及其制备方法》提供了一种带耳块大型整体锻造金属框架及其制备方法，其中，框架一体锻造成形，无需分段制作；进一步地，该框架整体组织性能的均匀性良好。通过V形坯料设计的方法，可很好地解决上述问题。更进一步地，对于V形坯料采用全等温成形（等温预锻坯 等温终锻件），使得大型整体锻造框架能够精确成形，具有良好的组织性能均匀性。

一种带耳块的大型整体锻造金属框架及其制备方法技术方案

《一种带耳块的大型整体锻造金属框架及其制备方法》提供了如下的技术方案：

一种带耳块的大型整体锻造金属框架，其中，框架外廓尺寸大于1米×1米，整个框架一体锻造成形，无需扩孔及分段制作。

此外，《一种带耳块的大型整体锻造金属框架及其制备方法》还提供了一种带耳块的大型整体锻造金属框架的制备方法，包括以下步骤：

（1）V形荒坯制坯：下料，得到厚度均匀的板坯，通过在板坯上施加压力制备出V形荒坯，压力作用在相应于V形的底部，其中，V形荒坯的夹角及延伸长度由耳块之间的夹角和尺寸决定。

（2）V形荒坯预锻：对制得的V形荒坯放入模具进行锻造，V形荒坯的延伸边对应于框架的耳块；锻造后，V形荒坯的延伸边形成耳块部分，其余部分形成框架主体。

（3）预锻坯精整：去掉预锻坯中部的孔部材料。

（4）终锻件模锻成形：放入最终成形的框架模具进行锻造，得到带耳块的大型整体锻造金属框架。由上述方法制得的带耳块的大型整体锻造金属框架，框架一体锻造成形，无需扩孔及分段制作。

为了得到更好的组织性能，优选地，可将所述的V形荒坯通过在相变点Tβ以下20～40℃等温预锻实现金属的合理分配，形成组织性能均匀的带耳块的大型框架外形。

更优选地，精整后的预锻坯通过压力机在相变点Tβ以下20～40℃等温模锻获得精密终锻件；进一步优选地，等温锻造模具用K3高温合金铸造加工而成。

优选地，原始材料为棒材，将棒材镦拔后下料得到厚度均匀的板坯，通过在板坯上施加压力制备出V形荒坯，油压机镦拔坯料时每火变形量为30～50％，或在自由锻镦拔坯料时每火变形量控制在15～40％。优选地，镦拔坯料时制坯温度控制在相变点Tβ以下25～40℃。

更优选地，所述终锻件成形后风冷，然后，终锻件热处理工艺为普通退火，空冷。

优选地，金属可为铝合金、钛合金或镍基合金等。

一种带耳块的大型整体锻造金属框架及其制备方法有益效果

2014年之前的技术对这类大型框架零件的制造方法多采用若干中小锻件焊接而成，构件制造过程中需要焊接、机加工、无损检测、热处理等多个工序并重复以上工序才能完成，加工周期长、质量稳定性不高。扩孔只能解决不带耳块的对称性框架的制造。《一种带耳块的大型整体锻造金属框架及其制备方法》突破了带耳块大型复杂整框成形锻造的多项关键技术，达到精锻件的技术条件，解决了上述大型整体锻件的精确成形和组织性能均匀性问题，仅通过2～3火可以完成整个锻件成形过程，大大缩短了工序、提高了材料利用率。

1.一种带耳块的大型整体锻造金属框架，其特征在于：该框架带有一体成形的耳块，而且整个框架一体锻造成形，无需扩孔及分段制作。

2.一种带耳块的大型整体锻造金属框架的制备方法，其特征在于，该框架带有一体成形的耳块，包括以下步骤：

（1）制坯：下料，得到厚度均匀的板坯；

（2）预锻：对制得的荒坯放入模具进行锻造得到预锻坯；

（3）预锻坯精整：去掉预锻坯中部的孔部材料；

（4）终锻件模锻成形：放入框架模具进行锻造成形，得到带耳块的大型整体锻造金属框架，整个框架一体锻造成形。

3.根据权利要求2所述的一种带耳块的大型整体锻造金属框架的制备方法，其特征在于，制坯为制得V形荒坯；则步骤（1）、（2）具体为：

（1）V形荒坯制坯：下料，得到厚度均匀的板坯，通过在板坯上施加压力制备出V形荒坯，压力作用在相应于V形的底部，其中，V形荒坯的夹角及延伸长度由耳块之间的夹角和尺寸决定；

（2）V形荒坯预锻：对制得的V形荒坯放入模具进行锻造，V形荒坯的延伸边对应于大型整体锻造金属框架的耳块；锻造后，V形荒坯的延伸边形成耳块部分，其余部分形成大型整体锻造金属框架主体。

4.根据权利要求3所述的一种带耳块的大型整体锻造金属框架的制备方法，其特征在于，将V形荒坯进行等温预锻；优选地，通过在相变点Tβ以下20～40℃等温预锻实现金属的合理分配，形成组织性能均匀的带耳块的大型框架外形。

5.根据权利要求2-4任一所述的一种带耳块的大型整体锻造金属框架的制备方法，其特征在于，精整后的预锻坯通过等温模锻获得精密终锻件；优选地，精整后的预锻坯通过在相变点Tβ以下20～40℃等温模锻获得精密终锻件；进一步优选地，等温锻造所用模具用K3高温合金铸造加工而成。

6.根据权利要求2-5任一所述的一种带耳块的大型整体锻造金属框架的制备方法，其特征在于，原始材料为棒材，将棒材镦拔后下料得到厚度均匀的板坯，通过在板坯上施加压力制备出V形荒坯；优选地，镦拔坯料在油压机或自由锻锤上进行；更优选地，油压机镦拔坯料时每火变形量为30～50％，或在自由锻镦拔坯料时每火变形量控制在15～40％。

7.根据权利要求2-6任一所述的一种带耳块的大型整体锻造金属框架的制备方法，其特征在于，镦拔坯料时制坯温度控制在相变点Tβ以下25～40℃。

8.根据权利要求2-7任一所述的一种带耳块的大型整体锻造金属框架的制备方法，其特征在于，所述终锻件成形后风冷，然后，终锻件热处理工艺为普通退火，空冷。

9.根据权利要求2-8任一所述的一种带耳块的大型整体锻造金属框架的制备方法，其特征在于，金属可为铝合金、钛合金或镍基合金等。

带支承与管嘴的大型厚壁封头锻造成形工艺专利目的

《带支承与管嘴的大型厚壁封头锻造成形工艺》所要解决的技术问题是提供一种能够实现封头、支承、管嘴一次性整体锻造成形的带支承与管嘴的大型厚壁封头锻造成形工艺。

带支承与管嘴的大型厚壁封头锻造成形工艺技术方案

《带支承与管嘴的大型厚壁封头锻造成形工艺》包括以下步骤：

1）根据封头的设计尺寸，制造对应的仿形下模以及锻造上凸模；根据封头的设计尺寸通过计算机模拟确定充填模具所需方坯的尺寸；

2）将坯料进行加热，加热到锻造温度，加热后通过自由锻造进行压实；

3）将压实的坯料锻制成正四边形截面的方坯，且所述方坯满足步骤1）中确定的充填模具所需方坯的尺寸要求；

4）将方坯加热至奥氏体转变温度以上，将方坯装入下模内，且使得方坯的轴线O₃O₄与下模的型腔的中心线O₁O₂重合；然后对方坯进行镦粗，直到方坯的坯料填充下模的型腔形成支撑凸台和管嘴；

5）将方坯半成品从模具中取出，再次放入在加热炉中加热至奥氏体转变温度以上，采用上凸模多道次热旋压成形使得方坯成形为带支承与管嘴的大型厚壁封头。

进一步的，所述上凸模为条形，所述上凸模具有上表面、下表面以及四个侧面；其中两个相对的侧面为平面，剩下两个相对的侧面为一定角度的锥面且与下表面交接处通过曲面平滑过渡；所述上凸模上垂直于曲面和上表面的截面为碗形；

所述下模设置有与带支承与长管嘴的大型厚壁封头匹配的型腔，所述型腔下部设置有通孔。

进一步的，在步骤2）中对方坯进行倒角为45°的锻压倒角。

进一步的，在步骤5）完成之后还包括以下步骤：对带支承与管嘴的大型厚壁封头进行锻后正回火热处理。

进一步的，所述正回火热处理的正火温度为：900～980℃，回火温度为：600～700℃。

带支承与管嘴的大型厚壁封头锻造成形工艺有益效果

《带支承与管嘴的大型厚壁封头锻造成形工艺》的有益效果是：该发明提供的带支承与管嘴的大型厚壁封头锻造成形工艺，该成形工艺首先根据需要生产的带支承与管嘴的大型厚壁封头的外形尺寸制造仿形下模以及锻造上凸模；然后将坯料锻透压实，锻成倒角的方坯，将方坯置入仿形下模中，通过胎模锻使金属填充型腔，形成十字支撑凸台和长管嘴；然后通过上凸模热旋压成形封头；实现了带支承与管嘴的大型厚壁封头一次性成形。从而提高了生产效率，并降低了生产周期及制造成本。同时由于通过锻造一次性成形，因此成形获得的带支承与管嘴的大型厚壁封头金属纤维连续；封头内部应力集中处较少，应力小；从而提高了带支承与管嘴的大型厚壁封头支承处、管嘴、封头的综合力学性能性能。

《带支承与管嘴的大型厚壁封头锻造成形工艺》涉及大型厚壁封头锻件的整体制造方法；尤其是一种带支承与管嘴的大型厚壁封头锻造成形工艺。

2017年12月11日，《带支承与管嘴的大型厚壁封头锻造成形工艺》获得第十九届中国专利优秀奖。