CN103341586B - 一种实现gh4738镍基高温合金涡轮盘成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种实现GH4738镍基高温合金涡轮盘的成形方法，它涉及GH4738高温合金涡轮盘的制备方法，本发明是要解决现有的制备GH4738镍基高温合金涡轮盘工艺复杂、效率低和难于获得质量好、晶粒分布均匀、无表面裂纹的问题。本发明中一种实现GH4738镍基高温合金涡轮盘成形方法通过如下步骤来实现：一、采用硬包套+保温棉复合保温法；二、两火次加热、镦饼及模锻成形；三、亚固溶温度进行固溶及双时效处理。采用本发明方法可以制备各种直径尺寸和盘厚的GH4738镍基高温合金涡轮盘。本发明可应用于石油化工领域、航空航天领域镍基高温合金涡轮盘的制备和其他高温环境下使用的盘锻件制备。
Description
技术领域
本发明涉及镍基变形高温合金的涡轮盘成形领域，是一种用于720℃左右长期使用时，其在高温强度、持久蠕变、疲劳及裂纹扩展速率等苛刻受力条件下要求较高的镍基高温合金涡轮盘成形方法。
背景技术
石油化工领域利用炼油厂尾气热能进行发电而开发的烟气轮机，在国内外是极具市场前景的产品，为国民经济发展创造了巨大效益；同时，航空航天发动机亟需能承受高温高强的涡轮盘件，而无论是烟气轮机还是航空航天发动机上所用的关键涡轮盘部件，其制造该高温热端件的重要材料主要为GH4738镍基高温合金。该合金是国产沉淀硬化型镍基变形高温合金，又名GH864合金，一般在720℃左右长期使用。该合金主要通过γ'相及晶界碳化物起强化作用，其具备一定抗高温氧化和热腐蚀的能力，最大优点之一就是具有良好的高温强韧化匹配；因此，该合金一直是制造航空发动机和动力机械中的涡轮盘及涡轮叶片的主要材料之一[Semiatin S L, Fagin P N, Glavicic M G, et al. Deformation behavior of Waspaloy at hot-working temperatures. Scripta Materialia., 2004, 50: 625；Yao Zhihao, Zhang Maicang, Dong Jianxin. Stress rupture fracture model and microstructure evolution for Waspaloy[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, DOI: 10.1007/s11661-013 -1660-8, 2013；]；
GH4738合金作为一种典型的难变形高温合金，其合金化程度高，变形抗力大，可变形温度窄，因此热加工时成形难度很大；对涡轮盘件来说，往往因为锻造原因造成锻造盘件出现裂纹、严重混晶及晶粒尺寸超标的现象，从而造成涡轮盘件报废，造成巨大的经济损失，甚至造成运转设备毁坏及人员伤亡。而热加工过程的控制对合金晶粒度和晶界碳化物的分布及形貌有着重要的影响，锻造温度过高则造成晶粒粗大，甚至出现合金晶界成膜现象；锻造温度过低，则造成合金盘件产生锻造裂纹。温度的控制不当，势必对组织性能造成较大影响。与此同时，变形速率、变形量及保温措施等对合金组织也可产生重要影响。[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；Donachie M J, Pinkowish A A, Danesi W P, Radavich J F, Couts W H. Effect of hot work on the properties of Waspaloy [J]. Metallurgical Transactions. 1970, 1: 2623~2630；]；因此，综合考虑涡轮盘变形过程中，涉及锻造工艺参数及过程控制的影响，较为必要和重要。合理选择锻造温度、变形速率对GH4738合金组织精确控制具有重要意义；此外，对变形量进行准确控制，将使涡轮盘件获得充分再结晶；虽然，后续高温固溶处理的静态再结晶可以对晶粒度进行一定调整，但是不会明显降低盘锻件整体晶粒尺寸，故而对于变形量的控制也是获得优良锻件的基础和前提；锻造参数的偏差及控制过程的不当，则会出现由于析出相不均匀或碳化物的回溶再析出而对晶界带来不利的影响，以致造成混晶、晶界相成膜及异常晶粒长大现象等不良组织，从而导致合金力学性能下降及性能不稳定程度增加。研究表明后续热处理制度对合金性能的改善也起到了重要作用[姚志浩, 董建新, 张麦仓, 等. GH864合金显微组织与力学性能的关联性. 稀有金属材料与工程, 2010, 39( 9): 1565；Guimaraes A A, Jonas J J .Recrystallization and aging effects associated with the high temperature deformation of Waspaloy and Inconel 718 [J]. Metallurgical Transactions A. 1981, A12: 1655-1666；姚志浩，董建新，张麦仓，于秋颖，郑磊. 固溶温度对烟机叶片用GH864合金组织性能的影响[J]. 材料热处理学报，32(7): 44-50, 2011]；目前，在GH4738合金的实际生产中，由于变形工艺控制导致涡轮盘件出现开裂及组织不合格等情况时有发生，亟需对该合金涡轮盘成形关键成形工艺进行研究。
发明内容
本发明的目的是要解决现有的制备GH4738镍基高温合金涡轮盘工艺复杂、效率低和难于获得质量好、晶粒度分布均匀、无表面裂纹的问题。从而提出了一种实现GH4738合金涡轮盘锻造成形控制工艺，以期锻造获得可达到力学性能等标准要求的GH4738镍基高温合金涡轮盘。
本发明涉及GH4738镍基高温合金材料，成分按照质量百分比为：C：0.02-0.08；Al：1.2-1.6；Ti：2.75-3.25；Co：12.0-15.0；Cr：18.0-21.0；Mo：3.5-5.0；Fe≤2.0；S≤0.001；P≤0.005；Ni余量，该合金中主要强化相为球形γ'相、M23C6及MC相。
本发明的技术方案是：一种实现GH4738镍基高温合金涡轮盘成形方法，具体包括一下步骤：
步骤1.
1） 将规则的圆柱形棒坯料进行硬包套：
首先，选好规则的圆柱形合金棒坯料，棒坯料的初始平均晶粒尺寸小于170μm，采用保温棉将涂好润滑剂的选好的圆柱形合金棒坯料牢固地包裹，再用裁剪好的厚度为0.5-1mm的不锈钢板在所述保温棉外侧进行硬包套，并将连接处焊牢；
2） 将包套好的棒料进行加热：
将包套好的棒料放在电炉有效区域内，下面用耐火砖将其垫起，电炉加热温度控制在1060-1120℃，外接铠偶按要求连接K型电偶；
3） 镦饼工艺：
a.当坯料完全达到设定温度后，将包套的棒料出炉后迅速转运至压机平砧上，下平砧铺一层保温棉，棒料放在平砧中间位置，转运时间控制在1min以内，模具温度不低于350℃；
b.压机按预先设置的压制模式进行压制，先将高度尺寸压制变形量30-40%，保压30s，最终再将高度尺寸镦粗到最初未变形棒料高度的40-50%，变形速率控制在5-10mm/s；
c.取下饼坯，清除外面包套，放置在沙坑中空冷，备用；
步骤2：
将步骤1获得的饼坯进行如下模锻工艺控制：a. 首先如步骤1）所示方法将所述饼坯进行硬包套；b.将包套好的饼坯放在电炉有效区域内，下面用耐火砖将其垫起，加热温度控制在1060-1120℃；c.外接铠偶按要求连接K型电偶,
d. 将预热好的模具在压机上调整好后，使用水剂润滑剂润滑模膛，保证模具温度在350℃以上；
e. 模锻坯料完全达到设定温度后，饼坯出炉后迅速转运至压机模具上，将饼坯放在模具中间位置，转运时间控制在1min以内；
f.压机按预先设置的压制模式进行压制，变形速率控制在5-10mm/s；最终可压制变形量应控制在原饼坯高度的55-75%，锻后立即取下锻件，清除外面包套材料，放置在沙坑中空冷，备用；
步骤3：
将步骤2获得的模锻盘件进行亚固溶条件下的热处理控制，热处理温度应控制在1000-1040℃保温4-8小时，然后空冷或油冷，然后进行双时效处理，温度为700-900℃保温1-16h进行空冷，以60℃/min冷却到第二阶段时效，在温度为650-800℃保温6-24h，空冷进行,得到成形 GH4738镍基高温合金涡轮盘。
经过上述方法锻造获得GH4738镍基高温合金涡轮盘件，适用于制造航空航天发动机、烟气轮机用GH4738合金涡轮盘件等热端部件。
本发明优点在于：
（1） 本发明提出了一种GH4738镍基高温合金涡轮盘成形方法，制备获得的盘件与其他具有相同成分的盘件相比，保证无开裂并具有良好的晶粒组织及更好的高温力学性能。
（2） 本发明提出的一种实现GH4738镍基高温合金涡轮盘成形方法，在热处理优化方面，可以获得同等锻造条件下，更优的力学性能。
本发明的有益效果是：经本锻造成形方法控制的GH4738涡轮盘件，接着进行适当固溶及时效热处理，并保证温度及时间的最佳化。最后得到的热处理态GH4738合金组织良好，晶粒度较为均匀和晶界碳化物断续分布；拉伸性能和持久性能测试结果表明，经此发明的实现GH4738镍基高温合金涡轮盘成形方法的涡轮盘件性能均超过了技术条件的要求，同时使合金性能的波动性降低，保证了高温运行涡轮盘部件的稳定运行。
附图说明
图1为本发明实施例1中原始棒料初始晶粒组织。
图2为本发明实施例1中锻后涡轮盘R/2处晶粒组织。
图3为实施例1中锻后涡轮盘热处理后强化相分布状态。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明进一步的详细说明。
根据以上获得的最佳热加工工艺控制原则进行实际锻造生产验证，例如：现对某型号涡轮盘用GH4738合金棒材进行锻造；
实施例1：本实施例提出一种实现GH4738镍基高温合金涡轮盘成形方法，并获得较佳性能，其特征在于具体包括以下步骤：
步骤1：
1） 将规则的Φ110mm×260mm圆柱形棒坯料进行硬包套，其初始晶粒尺寸为150μm，且测得该选定GH4738合金实际成分为C：0.06；Al：1.42；Ti：3.15；Co：13.5；Cr：20.0；Mo：4.1；Ni余量。a.首先采用保温棉将棒料牢固地包裹好棒料；b.然后用裁剪好的不锈钢板（厚度0.8mm）在保温棉外侧进行硬包套，并将连接处焊牢。
2） 将包套好的棒料进行加热： a.将棒料放在电炉有效区域内，下面用耐火砖将其垫起，加热温度控制在1080℃；b.外接铠偶按要求连接K型电偶。
3） 镦饼工艺：a.坯料完全达到设定温度后，经包套的棒料出炉后迅速转运至压机平砧上，下平砧铺一层保温棉，棒料放在平砧中间位置，转运时间控制在1min以内，模具温度不低于350℃；b.压机按预先设置的压制模式进行压制，先将高度尺寸压制未变形棒料高度的30%，保压30s，再将高度尺寸镦粗最初未变形高度的50%，变形速率控制在10mm/s。c.取下饼坯，清除外面包套，放置在沙坑中空冷；必须将饼坯料表面杂物与氧化皮清理干净；
步骤2：
将步骤1获得的饼坯进行如下模锻工艺控制：a. 首先如1）所示方法将饼坯进行硬包套；b.将包套好的饼坯放在电炉有效区域内，下面用耐火砖将其垫起，加热温度控制在1080℃；c.外接铠偶按要求连接K型电偶；d. 将预热好的模具在压机上调整好后，使用水剂润滑剂润滑模膛，保证温度在350℃以上；e. 模锻坯料完全达到设定温度后，饼坯出炉后迅速转运至压机模具上，将饼坯放在模具中间位置，转运时间控制在1min以内；f.压机按预先设置的压制模式进行压制，变形速率控制在10mm/s。最终可压制变形量应控制在原饼坯高度的65%，以保证足够的变形量进行再结晶，降低平均晶粒尺寸，提高盘件整体强度，锻后立即取下锻件，清除外面包套材料，放置在沙坑中空冷；
步骤3：
将步骤2获得的模锻盘件进行亚固溶条件下的热处理控制，热处理温度应控制在1020℃保温4小时油冷，然后进行双时效处理，温度为845℃保温4h进行空冷，以60℃/min冷却到第二阶段时效，在温度为760℃保温16h，空冷进行。
图1所示为棒料初始晶粒组织，图2所示为锻后涡轮盘R/2处晶粒组织，可以看出，锻件晶粒组织较为均匀，没有出现混晶的现象，如图3所示为涡轮盘热处理后强化相分布状态；
表1-表3所示即为锻造后涡轮盘的力学性能，在涡轮盘R/2部位进行弦向取样，测得的合金性能指标；可以发现，室温及高温拉伸性能和持久性能都远超过技术条件要求，室温拉伸性能强度相比标准值提高了约40%，而塑性延伸率及断面收缩率则提高了1倍以上；同时，该锻造合金持久性能提高最为明显，持久寿命是标准值的5倍以上，从而，说明经本发明锻造生产的涡轮盘性能有较大的性能裕度；
表1 室温拉伸性能
表2 高温拉伸性能
表3 持久性能
实施例2：本实施例提出一种实现GH4738镍基高温合金涡轮盘成形方法，并获得较佳性能，其特征在于具体包括以下步骤：
步骤1：
1） 将规则的Φ102mm×270mm圆柱形棒坯料进行硬包套，其初始晶粒尺寸为160μm，且测得该选定GH4738合金实际成分为C：0.04；Al：1.39；Ti：3.05；Co：13.3；Cr：19.8；Mo：4.05；Ni余量。a.首先采用保温棉将棒料牢固地包裹好棒料；b.然后用裁剪好的不锈钢板（厚度0.8mm）在保温棉外侧进行硬包套，并将连接处焊牢。
2） 将包套好的棒料进行加热： a.将棒料放在电炉有效区域内，下面用耐火砖将其垫起，加热温度控制在1060℃；b.外接铠偶按要求连接K型电偶。
3） 镦饼工艺：a.坯料完全达到设定温度后，经包套的棒料出炉后迅速转运至压机平砧上，下平砧铺一层保温棉，棒料尽量放在平砧中间位置，转运时间控制在1min以内，模具温度不低于350℃；b.压机按预先设置的压制模式进行压制，先将高度尺寸压制40%，保压30s，再将高度尺寸镦粗最初未变形棒料高度的40%，变形速率控制在5mm/s。c.取下饼坯，清除外面包套，放置在沙坑中空冷；必须将饼坯料表面杂物与氧化皮清理干净。
步骤2：
将步骤1获得的饼坯进行如下模锻工艺控制：a. 首先如1）所示方法将饼坯进行硬包套；b.将包套好的饼坯放在电炉有效区域内，下面用耐火砖将其垫起，加热温度控制在1060℃；c.外接铠偶按要求连接K型电偶；d. 将预热好的模具在压机上调整好后，使用水剂润滑剂润滑模膛，保证温度在350℃以上；e. 模锻坯料完全达到设定温度后，饼坯出炉后迅速转运至压机模具上，将饼坯放在模具中间位置，转运时间控制在1min以内；f.压机按预先设置的压制模式进行压制，变形速率控制在10mm/s。最终可压制变形量应控制在原饼坯高度的65%，以保证足够的变形量进行再结晶，降低平均晶粒尺寸，提高盘件整体强度，锻后立即取下锻件，清除外面包套材料，放置在沙坑中空冷；
步骤3：
将步骤2获得的模锻盘件进行亚固溶条件下的热处理控制，热处理温度应控制在1040℃保温6小时油冷，然后进行双时效处理，温度为800℃保温8h进行空冷，以60℃/min冷却到第二阶段时效，在温度为700℃保温24h，空冷进行。
经测试获得室温、高温拉伸性能及持久性能均达到技术条件要求。
实施例3：
本实施例提出一种实现GH4738镍基高温合金涡轮盘成形方法，并获得较佳性能，其成形过程与实施例1的区别在于步骤(2)：将步骤1获得的饼坯进行如下模锻工艺控制：a. 首先如1）所示方法将饼坯进行硬包套；b.将包套好的饼坯放在电炉有效区域内，下面用耐火砖将其垫起，加热温度控制在1080℃；c.外接铠偶按要求连接，K型电偶；d. 将预热好的模具在压机上调整好后，使用水剂润滑剂润滑模膛，保证温度在350℃以上；e. 模锻坯料完全达到设定温度后，饼坯出炉后迅速转运至压机模具上，将饼坯放在模具中间位置，转运时间控制在1min以内；f.压机按预先设置的压制模式进行压制，变形速率控制在7mm/s。最终可压制变形量应控制在原饼坯高度的65%，以保证足够的变形量进行再结晶，降低平均晶粒尺寸，提高盘件整体强度，锻后立即取下锻件，清除外面包套材料，放置在沙坑中空冷；其他各个步骤与实施例1完全相同。
实施例4：
本实施例提出一种实现GH4738镍基高温合金涡轮盘关键成形方法，并获得较佳性能，其成形过程与实施例1的区别在于步骤(3)：将步骤2获得的模锻盘件进行亚固溶条件下的热处理控制，固溶热处理温度应控制在1020℃保温5小时油冷，然后进行双时效处理，温度为845℃保温4h进行空冷，以60℃/min冷却到第二阶段时效，在温度为760℃保温16h，空冷进行，经测试获得室温、高温拉伸性能及持久性能均达到技术条件要求。其他各个步骤与实施例1完全相同。
实施例5：
本实施例提出一种实现GH4738镍基高温合金涡轮盘关键成形方法，并获得较佳性能，其成形过程与实施例1的区别在于步骤(1)：将规则的Φ620mm×1230mm圆柱形棒坯料进行硬包套，其初始晶粒尺寸为120μm，且测得该选定GH4738合金实际成分为C：0.03；Al：1.49；Ti：3.25；Co：13.02；Cr：19.07；Mo：4.44；Ni余量。a.首先采用保温棉将棒料牢固地包裹好棒料；b.然后用裁剪好的不锈钢板（厚度0.8mm）在保温棉外侧进行硬包套，并将连接处焊牢；
步骤(3)：将步骤2获得的模锻盘件进行亚固溶条件下的热处理控制，热处理温度应控制在1030℃保温5小时空冷，然后进行双时效处理，温度为845℃保温5h进行空冷，以60℃/min冷却到第二阶段时效，在温度为760℃保温16h后进行空冷。其他各个步骤与实施例1完全相同。经测试获得室温、高温拉伸性能及持久性能均达到技术条件要求。
综合以上分析，利用本发明涡轮盘成形关键工艺控制及并对涡轮盘进行适当热处理，就会获得了满意的组织和性能数据，达到并超过了技术条件的要求。
Claims (2)
1.一种实现GH4738镍基高温合金涡轮盘成形方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1：
1） 将规则的圆柱形棒坯料进行硬包套：
首先，选好规则的圆柱形合金棒坯料，棒坯料的初始平均晶粒尺寸小于170μm，采用保温棉将涂好润滑剂的选好的圆柱形合金棒坯料牢固地包裹，再用裁剪好的厚度为0.5-1mm的不锈钢板在所述保温棉外侧进行硬包套，并将连接处焊牢；
2） 将包套好的棒料进行加热：
将包套好的棒料放在电炉有效区域内，下面用耐火砖将其垫起，电炉加热温度控制在1060-1120℃，外接铠偶按要求连接K型电偶；
3） 镦饼工艺：
a.当坯料完全达到设定温度后，将包套的棒料出炉后迅速转运至压机平砧上，下平砧铺一层保温棉，棒料放在平砧中间位置，转运时间控制在1min以内，模具温度不低于350℃；
b.压机按预先设置的压制模式进行压制，先将高度尺寸压制变形量30-40%，保压30s，最终再将高度尺寸镦粗到最初未变形棒料高度的40-50%，变形速率控制在5-10mm/s；
c.取下饼坯，清除外面包套，放置在沙坑中空冷，备用；
步骤2：
将步骤1获得的饼坯进行如下模锻工艺控制：a. 首先如步骤1）所示方法将所述饼坯进行硬包套；b.将包套好的饼坯放在电炉有效区域内，下面用耐火砖将其垫起，加热温度控制在1060-1120℃；c.外接铠偶按要求连接K型电偶；
d. 将预热好的模具在压机上调整好后，使用水剂润滑剂润滑模膛，保证模具温度在350℃以上；
e. 模锻坯料完全达到设定温度后，饼坯出炉后迅速转运至压机模具上，将饼坯放在模具中间位置，转运时间控制在1min以内；
f.压机按预先设置的压制模式进行压制，变形速率控制在5-10mm/s；最终可压制变形量应控制在原饼坯高度的55-75%，锻后立即取下锻件，清除外面包套材料，放置在沙坑中空冷，备用；
步骤3：
将步骤2获得的模锻盘件进行亚固溶条件下的热处理控制，热处理温度应控制在1000-1040℃保温4-8小时进行空冷或油冷，然后进行双时效处理，温度为700-900℃保温1-16h进行空冷，以60℃/min冷却到第二阶段时效，在温度为650-800℃保温6-24h，空冷进行，得到成形 GH4738镍基高温合金涡轮盘。
2.一种如权利要求1所述方法处理的GH4738镍基高温合金涡轮盘，该GH4738镍基高温合金涡轮盘适用于制造航空航天发动机、烟气轮机用的涡轮盘件。
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