一種銅銀鋯合金大尺寸鍛造餅坯的製備方法
2023-12-07 23:28:46
一種銅銀鋯合金大尺寸鍛造餅坯的製備方法
【專利摘要】本發明涉及特種金屬材料領域，具體涉及一種銅銀鋯合金大尺寸鍛造餅坯的製備方法，其步驟為：(1)將Cu-Zr合金和單質Ag分別放於感應真空爐內，抽真空加熱，待合金完全熔化後，對熔體進行過濾澆注；(2)將鑄錠放入加熱爐中進行均勻化熱處理，熱處理採用雙級均勻化制度；(3)反覆進行鐓粗和拔長變形，共四鐓四拔；(4)淬火、時效處理。本發明所述的銅銀鋯合金大尺寸鍛造餅坯的製備方法可應用於重型運載、可重複使用飛行器等構件製造，對於發動機推力室使用壽命及發動機推力的提升起到了至關重要的技術支撐作用。
【專利說明】一種銅銀鋯合金大尺寸鍛造餅坯的製備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於特種金屬材料及工藝領域，具體涉及一種高強銅銀鋯合金鍛造餅坯的 製備方法，其用於製備大型運載發動機用結構部件。
【背景技術】
[0002] 隨著重型運載對液體發動機的推力需求越來越大，而大推力比的發動機對材料提 出了更高的要求。選用高強度、高耐熱和高疲勞壽命的銅銀鋯合金替代銅鋯合金作為發動 機推力室的內壁材料是目前主要的發展趨勢之一。另外，由於發射和材料製備成本的增加， 具有較高疲勞壽命的銅銀鋯合金在可重複使用飛行器領域也具有廣闊的應用前景。
[0003]發動機工作時，銅合金在經歷低溫一高溫的熱交變循環過程，易因低周疲勞而破 壞。我國目前在役的運載火箭發動機的內壁材料為銅鋯合金，在長程試車時均不同程度出 現內壁產生裂紋問題，因此，擬採用具有較高強度、耐熱性和坯料壽命的銅銀鋯合金作內壁 材料，代替目前存在諸多問題的銅鋯合金。但是，由於銀不易與其他金屬結合形成化合物固 溶於基體中，因此銅銀鋯合金在熔煉過程中容易形成大量的氣孔、夾雜、偏析等缺陷。這些 缺陷不會在後續的鍛造變形過程中消除，造成銅銀鋯合金批次報廢或不滿足指標要求。目 前，國內尚不具備銅銀鋯合金餅坯的製備方法。
【發明內容】
[0004] 本發明針對目前國內不具備生產大型高強銅銀鋯合金錠坯的技術工藝方法，提出 一種銅銀鋯合金大尺寸鍛造餅坯的製備方法，突破了重型運載發動機的推力和使用壽命在 材料方面的技術瓶頸。
[0005] 實現本發明目的的技術方案；一種銅銀鋯合金大尺寸鍛造餅坯的製備方法，所 述的銅銀鋯合金的成分為，Ag的質量百分比為2. 8?3. 2%，Zr的質量百分比為0. 4? 0. 5%，其餘為Cu ;其按照如下步驟進行：
[0006] (1)鑄錠熔煉
[0007] 將按照比例配好的Cu-Zr合金和單質Ag分別放於感應真空爐內，抽真空，待真空 度低於10 5時，開始加熱，溫度升至1240?1300°(：;待合金完全熔化後，每20?401^11攪 拌一次，共攬拌3?5次後，靜置約25?3 5min ;靜置完成後，對溶體進行過濾燒注，隨後冷 卻至室溫；
[0008] (2)均勻化熱處理
[0009] 將步驟（1)所得鑄錠放入加熱爐中進行均勻化熱處理，熱處理採用雙級均勻化制 度，具體為先在930?950°C保溫11?13小時，然後出爐進行空冷，隨後將鑄錠放在815? 855?保溫11?13小時後出爐鍛造；
[0010] (3)鐓粗、拔長、整形
[0011] 鍛造過程中上下墊板的加熱溫度為680?720? ;反覆進行鐓粗和拔長變形，共四 鐓四拔；
[0012] 首先將鑄錠沿著徑向進行第一次鐓粗變形，變形量控制在50?60%，隨後進行拔 長，第一次拔長次數7?13次，拔長過程中的壓下量控制在15?25% ;
[0013] 翻轉錠坯進行第二次鐓粗變形，變形量控制在40?50%，接著繼續拔長，第二次 拔長次數7?13次，拔長過程中的壓下量控制在15?25% ;
[0014] 翻轉錠坯進行第三次鐓粗變形，變形量控制在25?45%，接著繼續拔長，第三次 拔長次數10?16次，拔長過程中的壓下量控制在5?25% ;
[0015] 翻轉錠坯進行第四次鐓粗變形，變形量控制在10?40%，接著繼續拔長，第四次 拔長次數12?18次，拔長過程中的壓下量控制在5?25% ;
[0016] 第四道次鐓粗和拔長過程中通過限位塊控制壓下量以保證比最終板材的厚度高 40mm ;拔長完成後進行整形校平，壓下量控制在5mm ;
[0017] (4)淬火、時效處理；
[0018] 整形完成以後，將餅坯投入溫度為20-30°C的水中進行淬火處理；淬火的時間控 制在10?30分鐘；隨後，將淬火的板材撈出晾乾後放入溫度為460?490°C熱處理爐中進 行時效處理，時效處理的時間為9?11小時，時效完成後出爐空冷；最終得到的鍛件經機 械加工處理得到得到符合尺寸要求的板材。
[0019] 如上所述的一種銅銀鋯合金大尺寸鍛造餅坯的製備方法，其所述的大尺寸鍛造餅 還的直徑在450mm以上、厚度在30mm以上。
[0020] 如上所述的一種銅銀鋯合金大尺寸鍛造餅坯的製備方法，其所述的銅銀鋯合金的 成分為，Ag的質量百分比為3%，Zr的質量百分比為0. 5%,其餘為Cu。
[0021] 本發明的效果在於：針對目前國內尚不具備生產高強銅銀鋯合金大型錠坯的技術 方法的現狀，本發明提供一種銅銀鋯合金大尺寸鍛造餅坯的製備方法，並將其應用於重型 運載、可重複使用飛行器等構件製造，對於發動機推力室使用壽命及發動機推力的提升起 到了至關重要的技術支撐作用。鑄錠熔煉採用規律性攪拌和靜置，減少熔煉過程中氣孔、夾 雜、偏析和鋯元素燒損；鑄錠出爐進行雙級均勻化處理，消除鑄造過程中形成的缺陷；均勻 化處理後，對鑄錠進行四鐓四拔的多向鍛造變形，單道次大變形量且逐級遞減的方式控制 錠坯的各項異性，獲得弱各向異性的髙強銅銀鋯合金錠坯；將鍛造後的錠坯進行整形，變形 量控制在一定的範圍之內；隨後，對錠坯進行優化後的時效處理，進一步提高合金的強度； 時效完成後出爐空冷，機加掉表層氧化皮和邊角毛刺。
【具體實施方式】
[0022]下面結合具體實施例對本發明所述的一種銅銀鋯合金大尺寸鍛造餅坯的製備方 法作進一步描述。
[0023] 實施例1
[0024] 本發明所述的銅銀鋯合金的成分為Cu-3Ag-0. 5Zr，即Ag的質量百分比為3%，Zr 的質量百分比為0. 5%，其餘為Cu。
[0025]以Φ 540 X 38mm的銅銀鋯合金錠坯為例，其製備步驟為：
[0026] (1)鑄錠熔煉
[0027] 將按照比例配好的Cu-Zr合金和單質Ag分別放於感應真空爐內，抽真空，待真空 度低於1(Γ5時，開始加熱，溫度升至127(TC;待合金完全熔化後，每30min攪拌一次，共攪拌 4次後，靜置約30min ;靜置完成後，對熔體進行過濾澆注，隨後冷卻至室溫；
[0028] (2)均勻化熱處理
[0029] 將步驟（1)所得鑄錠放入加熱爐中進行均勻化熱處理，熱處理採用雙級均勻化制 度，具體為先在940?保溫12小時，然後出爐進行空冷，隨後將鑄錠放在835?保溫12小時 後出爐鍛造；
[0030] ⑶鐓粗、拔長、整形
[0031] 鍛造過程中上下墊板的加熱溫度為700°C ;反覆進行鐓粗和拔長變形，共四鐓四 拔；
[0032] 首先將鑄錠沿著徑向進行第一次鐓粗變形，變形量控制在55%，隨後進行拔長，第 一次拔長次數10次，拔長過程中的壓下量控制在20% ;
[0033] 翻轉錠坯進行第二次鐓粗變形，變形量控制在45%，接著繼續拔長，第二次拔長次 數10次，拔長過程中的壓下量控制在20% ;
[0034] 翻轉錠坯進行第三次鐓粗變形，變形量控制在35%，接著繼續拔長，第三次拔長次 數13次，拔長過程中的壓下量控制在15% ;
[0035] 翻轉錠坯進行第四次鐓粗變形，變形量控制在20%，接著繼續拔長，第四次拔長次 數15次，拔長過程中的壓下量控制在10% ;
[0036] 第四道次鐓粗和拔長過程中通過限位塊控制壓下量以保證比最終板材的厚度高 40mm ;拔長完成後進行整形校平,壓下量控制在5mm ;
[0037] (4)淬火、時效處理；
[0038] 整形完成以後，將餅坯投入溫度為25°C的水中進行淬火處理；淬火的時間控制在 20分鐘；隨後，將淬火的板材撈出晾乾後放入溫度為475°C熱處理爐中進行時效處理，時效 處理的時間為10小時，時效完成後出爐空冷；最終得到的鍛件經機械加工處理得到合於尺 寸要求的標準板材（ φ 540 X 38mm)。
[0039] 本發明通過嚴格控制真空度，降低鋯元素的損失。規律性的攪拌促使合金元素不 易產生偏析且氣孔上浮，避免鑄錠中雜質或偏析的出現。均勻化處理的手段使得基體上的 大部分第二項固溶入基體中，大幅度提高了合金的塑性變形能力，並提高了合金的微觀組 織和力學性能的均勻性，降低了銀元素的偏析。採用多次鐓粗和拔長交替進行的鍛造工藝， 目的主要在於降低單道次的變形量和改善變形組織的均勻性，避免材料在長期的鐓拔過程 中由於變形過大而開裂。校平工序減小了最終餅坯的外形尺寸誤差。淬火處理及隨後的時 效處理，通過過飽和固溶體的等溫析出進一步提高了材料的室溫及高溫力學性能。所有技 術手段的綜合運用最終得到了尺寸規格合於要求、表面及內部無裂紋、組織均勻、力學性能 優良的高強銅銀鋯鍛造餅坯。依據GB/T2 28_2〇〇2測量的鍛件的力學性能如表1所示。
[0040] 表1高強銅銀鋯合金鍛造餅坯的力學性能
[0041]
【權利要求】
1. 一種銅銀鋯合金大尺寸鍛造餅坯的製備方法，所述的銅銀鋯合金的成分為，Ag的質 量百分比為2. 8?3. 2%，Zr的質量百分比為0. 4?0. 5%，其餘為Cu ;其特徵在於：該方 法按照如下步驟進行： (1) 鑄錠熔煉 將按照比例配好的Cu-Zr合金和單質Ag分別放於感應真空爐內，抽真空，待真空度低 於10_5時，開始加熱，溫度升至1240?1300°C ;待合金完全熔化後，每20?40min攪拌一 次，共攪拌3?5次後，靜置約25?35min ;靜置完成後，對熔體進行過濾澆注，隨後冷卻至 室溫； (2) 均勻化熱處理 將步驟（1)所得鑄錠放入加熱爐中進行均勻化熱處理，熱處理採用雙級均勻化制度， 具體為先在930?950°C保溫11?13小時，然後出爐進行空冷，隨後將鑄錠放在815? 855 °C保溫11?13小時後出爐鍛造； (3) 鐓粗、拔長、整形 鍛造過程中上下墊板的加熱溫度為680?720°C ;反覆進行鐓粗和拔長變形，共四鐓四 拔； 首先將鑄錠沿著徑向進行第一次鐓粗變形，變形量控制在50?60%，隨後進行拔長， 第一次拔長次數7?13次，拔長過程中的壓下量控制在15?25% ; 翻轉錠坯進行第二次鐓粗變形，變形量控制在40?50 %，接著繼續拔長，第二次拔長 次數7?13次，拔長過程中的壓下量控制在15?25% ; 翻轉錠坯進行第三次鐓粗變形，變形量控制在25?45%，接著繼續拔長，第三次拔長 次數10?16次，拔長過程中的壓下量控制在5?25% ; 翻轉錠坯進行第四次鐓粗變形，變形量控制在10?40%，接著繼續拔長，第四次拔長 次數12?18次，拔長過程中的壓下量控制在5?25% ; 第四道次鐓粗和拔長過程中通過限位塊控制壓下量以保證比最終板材的厚度高40mm ; 拔長完成後進行整形校平，壓下量控制在5mm ; (4) 淬火、時效處理； 整形完成以後，將餅坯投入溫度為20-30°C的水中進行淬火處理；淬火的時間控制在 10?30分鐘；隨後，將淬火的板材撈出晾乾後放入溫度為460?490°C熱處理爐中進行時 效處理，時效處理的時間為9?11小時，時效完成後出爐空冷；最終得到的鍛件經機械加工 處理得到符合尺寸要求的板材。
2. 根據權利要求1所述的一種銅銀鋯合金大尺寸鍛造餅坯的製備方法，其特徵在於： 所述的大尺寸鍛造餅坯的直徑在450mm以上、厚度在30mm以上。
3. 根據權利要求1所述的一種銅銀鋯合金大尺寸鍛造餅坯的製備方法，其特徵在於： 所述的銅銀鋯合金的成分為，Ag的質量百分比為3%，Zr的質量百分比為0.5%，其餘為Cu。
【文檔編號】C22F1/08GK104232978SQ201410441568
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月1日 優先權日:2014年9月1日
【發明者】韓修柱, 張緒虎, 陰中煒, 何仕桓, 任秀峰 申請人:航天材料及工藝研究所, 中國運載火箭技術研究院