CN102492906B - 一种高温合金细晶棒材的锻制方法 - Google Patents
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Abstract
一种高温合金细晶棒材的锻制方法，属于锻造技术领域。采用镦拔加径锻联合开坯的生产方式，变形量很大且变形方向交替变换，碳化物破碎充分且弥散分布，提高了合金的疲劳性能。棒材最终通过径锻一火成形，避免了回炉空烧导致的晶粒长大，且对棒材外圆变形非常有利，得到晶粒级差小于2级的细晶棒材。因此，这是一种很有前途的适用于高温合金细晶棒材生产的新方法，推广之后必将产生很好的社会经济效益。
Description
技术领域
本发明属于锻造技术领域，特别是涉及一种高温合金细晶棒材的锻制方法，适用于冶金行业的GH4169合金的热加工锻造，用于变形温度区间狭窄、热加工工艺参数敏感型高温合金的开坯。
技术背景
高温合金由于具有优异的综合力学性能和抗氧化、耐腐蚀能力而成为石化、核能、航空、航天等工业领域承受高温、腐蚀、载荷等恶劣使用环境关键部件不可或缺的材料。高温合金一般都有较高的合金元素含量，如Ni、Cr、Mo、W、Co等。此类合金元素大多是我国的战略合金资源，原料价格较高。加入该类元素之后给合金的冶炼和热加工带来很大困难，致使高温合金产品成材率很低。
In718(国内牌号GH4169)合金由于具有较高的热强性和良好的综合力学性能以及较好的热加工塑性，成为美国应用最为广泛的航空发动机用变形高温合金。用其制备的零件包括涡轮盘、压气机盘、篦齿盘、叶片、轴、螺栓和螺母等，是一种典型的一材多用合金，其产量已达变形高温合金年总产量的45％。这种合金最大特点在于采用不同的热变形工艺可以得到组织和性能差异较大的材料，换句话说，GH4169合金是一种热加工工艺敏感型合金。
目前国内采用快锻机单向拔长的开坯工艺生产的GH4169合金棒材，变形方向单一，碳化物破碎不充分且沿流线呈串状分布，很容易成为疲劳裂纹源。另外，由于多火次锻造回炉空烧导致棒材晶粒长大，不易得到均匀的细晶组织。以上原因成为制约我国高温合金棒材质量提高的瓶颈。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高温合金细晶棒材的锻制方法，采用镦拔加径锻联合开坯的生产方式，变形量很大且变形方向交替变换，碳化物破碎充分且弥散分布，提高了合金的疲劳性能。棒材最终通过径锻一火成形，避免了回炉空烧导致的晶粒长大，且对棒材外圆变形非常有利，得到晶粒级差小于2级的细晶棒材。因此，这是一种很有前途的适用于高温合金细晶棒材生产的新方法，推广之后必将产生很好的社会经济效益。
本发明能节约战略合金资源、细化高温合金棒材晶粒度、提高棒材组织均匀性；使变形高温合金GH4169具有良好的热强性和优异的综合力学性能，同时具备较好的热加工能力和焊接性能，被广泛选作航空、航天发动机关键转动件-涡轮盘的制备材料。
然而，由于该合金对热加工工艺参数非常敏感，变形温度区间只有100℃，热加工过程难以控制，热变形组织均匀性无法保证。目前采用快锻机单向拔长方式生产的棒材中心和边缘处晶粒度级差大于4级，且由于棒材外圆温降严重导致相析出过多，出现大面积的黑晶组织，只能在其后的机加工过程加以去除，这极大地浪费了我国较为匮乏的战略合金资源。
根据上述目的，本发明整体的技术方案为：
本发明针对一种高温合金细晶棒材的锻制方法，特别适用于组织对热变形工艺敏感型合金。采用镦拔加径锻联合成形的方式，其径锻低温加热，加热温度为1000～1010℃，一火成形；所制棒材晶粒度大于ASTM 7级。具体工艺步骤如下：
首先将经过真空感应熔炼(VIM)+真空自耗重熔(VAR)的GH4169Φ508mm合金铸锭在1160～1190℃高温均匀化处理，然后在2000吨快锻机镦拔开坯，镦粗变形量为30％，接着回炉加热到1100～1120℃，拔长至1.6米。经过一到三次镦拔(镦拔次数根据棒材技术条件确定)再回炉加热到1100～1120℃，拔长至6.4米、直径Φ240mm。利用高温粘结剂将棒坯均匀覆盖保温毯，再加热到1000～1010℃，利用1300吨径锻机一火锻制成形。
本发明锻制的高温合金细晶棒材晶粒组织均匀细小，达到ASTM7级以上，中心和外圆的晶粒度级差小于2级；δ相数量适中，呈短棒状或颗粒状分布于晶界；碳化物细小，且弥散分布。
本发明所述高温粘结剂的各组分的质量百分数为35～40％Al2O3、48～52％SiO2和9～15％Fe2O3的混合物。
本发明所述的高温合金GH4169的化学组成成分重量百分比为C≤0.08％，Cr：17.0～21.0％，Mo：2.80～3.30％，Al：0.30～0.70％，Ti：0.75～1.15％，Nb：5.0～5.5％，Co≤1.0％，Ni：50～55％，Fe：余量。
采用本发明细晶棒材锻制方法，棒材晶粒度大于ASTM 7级。
根据上述目的和工作原理，本发明具体的技术方案为：
本发明与现有技术相比具有节约能源，节省合金资源，所制棒材组织均匀、细小且具有良好的综合力学性能的特点。上述具体优点为：本发明采用快锻加径锻联合成形的方式锻制高温合金棒材，极大地改善棒材组织均匀性，避免快锻开坯多火次回炉空烧导致晶粒长大和棒材外圆温降导致黑晶组织的出现，有效地提高了成材率，降低了原材料成本；且最终采用径锻一火成形，降低了能源消耗。因此，这是一种很有前途的适用于高温合金锻制棒材的方法，推广之后必将产生很好的社会经济效益。
附图说明
图l为镦拔开坯示意图。
图2为单向拔长与镦拔加拔长变形量对比。
图3为单向拔长碳化物分布。
图4为镦拔加拔长碳化物分布。
图5为快锻应变场分布。
图6为径锻应变场分布。
图7为径锻棒材外圆晶粒度。
图8为径锻棒材半径晶粒度。
图9为径锻棒材心部晶粒度。
具体实施方式
本发明采用镦拔加径锻联合成形的方式制备GH4169合金细晶棒材，镦拔开坯工艺流程示意图如图1所示。采用单向拔长开坯的棒材，经真空感应熔炼(VIM)+真空自耗重熔(VAR)的Φ508mm GH4169合金锭，表面车光至Φ480mm，在快锻机拔长至Φ240mm棒材；采用镦拔工艺开坯的棒材，经VIM+VAR的Φ508mm GH4169合金锭，表面车光至Φ480mm，经30％变形量的一次镦粗，拔长至原长。再经30％变形量的二次镦粗，拔长至原长。然后继续单向拔长至Φ240mm棒材。图2为多次镦拔与变形量关系的有限元数值计算结果，表明单向拔长、一次镦拔加拔长、二次镦拔加拔长、三次镦拔加拔长三种开坯方式的名义变形量依次递增，分别为73.6％、86.7％、92.9％和96.3％。可见，随镦拔次数的增加，变形量明显增大，碳化物得到充分破碎；另外，镦拔过程变形方向发生交替变换，促进碳化物由串状排列变为弥散分布。单向拔长与镦拔加拔长对碳化物分布的影响见图3和图4。以上变化对于延长GH4169合金的疲劳寿命有积极的作用。
本发明采用镦拔加径锻联合成形的方式制备GH4169合金细晶棒材，镦拔开坯之后低温径锻成形(加热温度1010℃)。快锻与径锻的区别在于快锻棒材心部的等效应变最大，而径锻棒材外圆等效应变最大，见图5和图6。快锻与径锻结合，既保证棒材心部有足够的变形量，心部铸态组织得到充分破碎，再结晶完全，也能通过最终的整根棒料一火次径锻成形，避免了快锻多火次成形回炉空烧导致的晶粒长大，而且径锻过程的局部返热能够使棒坯的外圆温度保持在930℃以上，避免了棒材外圆因δ相过度析出导致的黑晶组织。
本发明采用镦拔加径锻联合成形的方式制备GH4169合金细晶棒材，外圆晶粒度为9级，中心晶粒度为7级，整根棒材组织均匀，δ相成短棒状或颗粒状分布于晶界，碳化物弥散分布，具有良好的综合力学性能，见图7、图8、图9和表1。
国内某钢厂采用镦拔工艺开坯的棒材，经VIM+VAR的Φ508mm GH4169合金锭，表面车光至Φ480mm，经30％变形量的一次镦粗，拔长至1.6米。再经30％变形量的二次镦粗，拔长至原长。然后继续单向拔长至6.4米(直径Φ240mm)。经打磨、表面车光至Φ205mm。
利用径锻机生产GH4169合金Φ95mm和Φ80mm棒材，最终成形过程中不需要回炉加热，一火即可完成整根棒材的锻造。本发明采用低温加热技术及程序控制径锻过程技术可以有效避免棒材锻制成形过程的心部升温和外圆降温。以下为Φ95mm和Φ80mm棒材具体径锻工艺：
先将Φ205mm棒材利用高温粘结剂均匀包覆保温毯，入炉升温至1010℃保温3小时。
Φ95mm棒材径锻工艺：加热温度1010℃，终锻温度930℃。
共八道次：205.0→192.8→174.9→158.7→143.9→130.5→118.4→109.0→109.0mm(热态)，表面车光至Φ95mm。
Φ80mm棒材径锻工艺；加热温度1010℃，终锻温度930℃。
共九道次：205.0→192.0→172.9→155.8→140.3→126.4→113.8→102.5→94.0→94.0mm(热态)，表面车光至Φ80mm。
上述GH4169合金Φ95mm细晶棒材，可直接加工成石化行业广泛使用的钻头，在腐蚀环境下承受磨损和冷热疲劳作用，寿命超过现有的硬质合金钻头。而Φ80mm细晶棒材，可加工成机械行业的各种模具，如挤压模、锻模等，其使用温度可达650℃，承受高温、大载荷和冷热疲劳的交互作用，比模具钢5CrNiMo具有更好的热强性和更长的使用寿命。
表1Φ95mm和Φ80mm径锻棒材的力学性能
Φ95mm棒材力学性能
Φ80mm把棒材力学性能
Claims (2)
1.一种高温合金细晶棒材的锻制方法，其特征在于，工艺步骤如下：
首先将经过真空感应熔炼+真空自耗重熔的GH4169Φ508mm合金铸锭在1160~1190oC均匀化处理，然后在2000吨快锻机镦拔开坯，镦粗变形量为30％，接着回炉加热到1100~1120oC，拔长至锭坯1.6米；经过一到三次镦拔，再回炉加热到1100~1120oC，拔长至6.4米、直径Φ240mm；利用高温粘结剂将棒坯均匀覆盖保温毯，再加热到1000~1010oC，利用1300吨径锻机一火锻制成形；
所述高温粘结剂的各组分的质量百分数为35～40％Al2O3、48～52％SiO2和9～15％Fe2O3的混合物；
所述的高温合金GH4169的化学组成成分重量百分比为C≤0.08％, Cr:17.0~21.0％, Mo: 2.80~3.30％, Al: 0.30~0.70％, Ti: 0.75~1.15％, Nb:5.0~5.5％，Co≤1.0％, Ni:50~55％, Fe:余量。
2.根据权利要求1所述的高温合金细晶棒材的锻制方法，其特征在于，锻制的高温合金细晶棒材晶粒组织均匀细小，达到ASTM7级以上，中心和外圆的晶粒度级差小于2级；δ相数量适中，呈短棒状或颗粒状分布于晶界；碳化物细小，且弥散分布。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |