CN106563749A - 控制gh3230合金环件组织均匀的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种控制GH3230合金环件组织均匀的制备方法，包括：选择棒材：按待制备的GH3230合金环件选择GH3230合金棒材；制作坯料：对GH3230合金棒材进行墩粗处理后，进行换向拔长处理制成坯料；制作环坯：对制成的坯料依次进行墩粗、冲孔和马架扩孔处理制成能上轧机的环坯；环件预轧：将环坯在轧机上进行控制变形量的预轧处理，制成预轧环件；环件终轧：将预轧环件直接热装回炉加热后，在轧机上进行控制变形量的终轧处理，制成组织均匀的GH3230合金环件。本发明制备的GH3230合金环件具有组织均匀、性能稳定的优点。

Description

控制GH3230合金环件组织均匀的制备方法
技术领域
本发明涉及合金件制备领域，特别是涉及一种控制GH3230合金环件组织均匀的制备方法。
背景技术
GH3230合金是新一代燃烧室用高温合金，相对于目前常规的固溶强化高温合金，如GH3128和GH3044，其突出特点是采用了高C和高W含量进行合金强化，获得了碳化物强化+固溶强化的复合强化效果。合金中碳元素含量是同类其他固溶强化高温合金的2倍，碳化物形成元素W+Mo+Cr总量达到36％，因此合金中存在大量的一次碳化物M6C。在服役状态下，GH3230合金中M6C碳化物的体积分数约为3％，对合金形成一定强化效果的同时，还可以很好的钉扎晶界，约束晶粒的长大。合金的高温强度明显高于同类的镍基高温合金如GH3128和GH3044，与钴基合金GH5188相当；并且合金的组织稳定性和抗过热能力高于包括GH5188的现有同类高温合金，如其显微组织在1200℃保温24h的高温条件下仍然能保持稳定，这是其他合金不可比拟的。总之，GH3230合金中的M6C碳化物是使合金获得优异高温强度、高温抗过热能力和高温组织稳定性的关键。
GH3230合金中一次M6C碳化物发挥上述有益作用的前提条件是保证该碳化物的均匀分布。但是在实际生产过程中，这种碳化物具有明显偏聚倾向。在冶炼成型的钢锭中聚集于铸态枝晶间，在经过开坯拔长后，在棒材中以条带状存在(参见图1至4所示)。这种条带碳化物在目前常规的制环工艺(下料+墩粗+冲孔+马架+轧环)条件下，将从棒材遗传至环件。一旦这种碳化物没有均匀分布，即在产品中以带状或其他方式聚集，一方面将丧失对合金基体强化作用和对晶粒的约束作用；另一方面在碳化物聚集区内导致裂纹快速扩展。最终影响了合金高温强度、高温抗过热能力和高温组织稳定性等方面性能。表1和图5至7所示是采用存在带状碳化物的在棒材为原料，通过常规制环工艺制备的GH3230合金环件性能和组织，可见合金中部分区域存在碳化物集聚，晶粒均匀性较差，环件的性能波动较大，即性能稳定性较差。
事实上，以目前的环件成型设备条件和技术水平，可以完全保证GH3230合金环件尺寸精度和变形塑性。但是针对GH3230合金中大量的碳化物，如何保证在最终的环件产品上获得均匀的碳化物和晶粒的均匀分布，目前还没有成熟的技术方案，是迫切需要解决的问题。
发明内容
基于上述现有技术所存在的问题，本发明提供一种控制GH3230合金环件组织均匀的制备方法，能避免GH3230合金环件中碳化物和晶粒的分布不均匀，制得碳化物和晶粒分布均匀的GH3230合金环件。
为解决上述技术问题，本发明提供一种控制GH3230合金环件组织均匀的制备方法，包括：
选择棒材：按待制备的GH3230合金环件选择GH3230合金棒材；
制作坯料：对所述GH3230合金棒材进行墩粗处理后，进行换向拔长处理制成坯料；
制作环坯：对制成的所述坯料依次进行墩粗、冲孔和马架扩孔处理制成能上轧机的环坯；
环件预轧：将所述环坯在轧机上进行控制变形量的预轧处理，制成预轧环件；
环件终轧：将所述预轧环件直接热装回炉加热后，在轧机上进行控制变形量的终轧处理制成组织均匀的GH3230合金环件。
本发明的有益效果为：该方法在制作坯料时，通过墩粗加换向拔长对坯料处理，消除了原材料中带状碳化物对环件产品中碳化物分布的影响，从而在最终环件产品中获得均匀的碳化物分布。在此基础上，通过环坯预轧加终轧的工艺来严格控制终轧过程的变形量和变形过程，代替传统制环过程中轧制过程变形量无定量精确控制的工艺状态，使最终环件的晶粒均匀性得到有力控制。均匀的显微组织是环件的性能稳定可靠性的保证，因此采用本发明制备的环件各项性能优异稳定，且该方法简单易行，无需特殊设备。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为现有的GH3230合金铸锭中M6C碳化物在枝晶间聚集形貌金相图；
图2为现有的GH3230合金铸锭中M6C碳化物在枝晶间聚集形貌金相放大图；
图3为现有的GH3230合金棒材中的带状碳化物和晶粒分布金相图；
图4为现有的GH3230合金棒材中的带状碳化物和晶粒分布金相放大图；
图5为现有的GH3230合金棒材中的带状碳化物和晶粒分布另一金相放大图；
图6为现有的常规制环工艺制得的环件的轧态显微组织电镜图；
图7为现有的常规制环工艺制得的环件的1230℃×1h固溶后显微组织金相图；
图8为本发明实施例提供的方法中制作坯料处理后的坯料显微组织金相图；
图9为本发明实施例提供的方法制得环件的轧态显微组织金相图；
图10为本发明实施例提供的方法制得环件的1230℃×1h固溶后显微组织金相图。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种控制GH3230合金环件组织均匀的制备方法，能制备组织均匀的GH3230合金环件，即获得显微组织均匀性GH3230合金环件，其中显微组织均匀性的内涵是指均匀分布的M6C碳化物和均匀的晶粒尺寸，该方法包括以下步骤：
选择棒材：按待制备的GH3230合金环件选择GH3230合金棒材；
具体的，根据环件重量，确定用料直径，要求棒材高度和直径之比在1.2～2.0之间，可以保证棒段墩粗过程不出现双鼓，同时墩粗过程有较大的变形量。
制作坯料：对所述GH3230合金棒材进行墩粗处理后，进行换向拔长处理制成坯料；
本步骤中，由于GH3230合金棒材经过较大的单向拔长变形，导致棒材中M6C碳化物易于呈条带分布，需要在这个工序中通过墩粗+换向拔长的工艺进行热变形，来消除棒料中的条带碳化物，为环件最终组织的均匀控制准备一个良好的基础。具体过程为：将棒料加热后进行墩粗变形，墩粗后的圆饼高度和直径之比在0.5～0.7之间为宜，然后将圆饼立起来，进行径向拔长，拔长过程中需要进行平端头和滚圆处理，最终拔长后的高径比控制在1.5～2.0之间，即在形状上回到了原点，但是内部的显微组织上，碳化物的分布得到了优化。
制作环坯：对制成的所述坯料进行墩粗处理后，进行冲孔处理，冲孔处理后进行马架扩孔处理制成能上轧机的环坯；
本步骤中采用墩粗+冲孔+马架扩孔工艺，制备出可以上轧机的环坯，这个工序与传统制环工艺相同，其目的是在尺寸上为环件轧制提供准备。环坯的尺寸和最终的环件轧制尺寸之间的差值决定了轧环变形量，为了保证轧环过程具有足够的变形量控制裕度。具体而言，环坯相对于成品环件的高度需预留大于10％的余量，壁厚需预留大于40％的余量。
环件预轧：将所述环坯在轧机上进行控制变形量的预轧处理，制成预轧环件；
具体的，将环坯上轧机进行预轧，预轧的目的有两个：其一是对锻后环坯的不规则外形进行整形，保证终轧过程稳定；其二是获得较为精确的预轧环坯，为终轧变形的变形量精确控制做准备。预轧过程总的环件截面变化率不能低于20％，轧后环件形状规整。
环件终轧：将所述预轧环件直接热装回炉加热后，在轧机上进行控制变形量的终轧处理制成组织均匀的GH3230合金环件。本步骤的终轧过程是决定环件最终显微组织的关键工序，影响终轧的关键工艺参数是变形温度和变形量，而且二者不是独立的，而是需要进行联合控制。
在终轧过程中，对于变形量：控制目标是采用低速大压下量的原则进行轧制，从而保证轧制过程中变形量在整个界面上的均匀分布，在具体的变形量控制上需要采用具体的轧制曲线对变形过程进行控制，通过径轴双向轧制，其中轴向变形为辅变形量在5～10％，径向轧制为主，壁厚减薄20～35％，总的变形量在25～40％范围内。
对于变形温度：轧制前的加热温度在1100℃～1150℃之间，根据预轧变形量确定最终加热温度，一般预轧变形量小，则加热温度相应调低。通过慢速大压下量的变形方式，在保证轧透的前提下，避免内部温升，将实际变形温度控制在随变形过程缓慢降低，终轧温度不低于900℃。
在整个环件的制备过程中，对加热和变形的具体控制方式为：
制作坯料步骤中，对所述GH3230合金棒材进行墩粗处理为：将所述GH3230合金棒材加热到1150～1180℃保温2小时后，采用快锻机进行墩粗，墩粗得到的圆饼高度为直径的0.5～0.7倍；
所述进行换向拔长处理为：沿着墩粗处理后得到的圆饼直径方向进行拔长处理，拔长处理过程中进行平端头和滚圆处理，锻成棒段，棒段高径比在1.5～2.0之间。
制作环坯步骤中，对制成的所述坯料进行墩粗处理的加热温度为1150～1180℃；
～1rad/s；给进速率为：1～4mm/s。
下面结合附图和具体实施例对本发明的方法作进一步说明。
以实际的轧环制备来说明本发明的制备方法的实施过程，需要轧制的环件尺寸为：外径：φ768mm；内径：φ655mm；高：55mm。
(1)下料：
经过计算该环件需要的下料重量为80kg，按照棒材的高径比在1.2～2.0mm的要求，采用采用直径200mm棒材为原料，下料后尺寸为φ200×287mm。
(2)坯料处理：
采用的棒材材料与表1中常规制环工艺制备的环件的棒材为同一根棒材，棒材的显微组织见图2，即存在较明显的带状碳化物。因此需要对棒料进行墩粗+换向拔长处理。将棒料加热到1170℃保温2h后，采用快锻机进行墩粗，墩粗得到的圆饼尺寸为：φ267*160mm；然后将圆饼立起来，沿直径方向进行拔长，拔长过程中需要进行平端头和滚圆处理，最终拔长后的尺寸约为φ185×330mm。经过处理后的碳化物分布见图8，可见条带碳化物基本得到消除。
(3)环坯制备：
采用墩粗+冲孔+马架扩孔工艺，制备出可以上轧机的环坯。其中加热温度为1170℃，墩粗得到的圆饼尺寸为φ420×65mm，经过冲孔后，上马架扩孔，最终得到的环坯尺寸为：φ475×φ300×65mm。这个尺寸相对最终环件，在高度上约16％的余量，在环件壁厚上有约35％的余量。
(4)环件预轧：
预轧加热温度为1170℃，预轧后的尺寸为φ555×φ400×60mm，预轧的变形量约为20％。经过预轧后环件尺寸规整，消除了马架扩环的不均匀变形和不规整外形。
(5)环件终轧：
预轧后环件直接热装回炉，由于预轧的变形量不大，不宜采用高温长时间的加热，因此加热温度控制在1150℃，加热时间30min。然后开始进行环件终轧。轧制过程中采用径轴双向轧制，轧制速率为：主棍转速0.2rad/s，给进速率为：2mm/s，轧制过程中检测轧制温度，终止轧制时环件温度为968℃。最终获得环件尺寸为外径：φ768mm；内径：φ655mm；高：55mm，环件轧制后的显微组织见图9。轧制后对环件进行固溶热处理，热处理后的组织见图10，并测试了力学性能，结果见表2。可见，经过本发明的制备方法锻造的环件中碳化物分布均匀，晶粒尺寸均匀，力学性能稳定。
表1常规制环工艺的环件性能
表2本发明制备方法制得环件的性能
由于高温合金的基体组织需通过制环工艺和热处理工艺相结合进行一次性的控制，并且环件制备工艺的可调性比热处理工艺更好，本发明通过采用特定的坯料处理与控制变形量的环件预轧与终轧等环件成型制备阶段工艺配合，有效控制了制备后GH3230合金环件产品的显微组织的均匀性(显微组织均匀性的内涵是指均匀分布的M6C碳化物和均匀的晶粒尺寸)。
综上所述，本发明明确了GH3230合金环件组织控制的目标在于获得均匀分布的碳化物和均匀的基体晶粒，并提出了一种以选择棒材+制作坯料(墩粗+换向拔长)+制作环坯(包括墩粗+冲孔+马架扩孔)+环件预轧+环件终轧为处理步骤的实现GH3230合金环件组织均匀性控制的制备方法，其中通过制作坯料的处理，对存在明显条带碳化物的棒材，在下料后采用墩粗+变向拔长的方式进行热变形，消除棒料中条带碳化物。在此基础上进行环件的制备；通过环坯预轧+终轧的工艺来严格控制终轧过程的变形量和变形过程，使最终环件的晶粒均匀性得到有力控制。通过本发明制备的GH3230合金环件具有组织均匀、性能稳定的优点。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种控制GH3230合金环件组织均匀的制备方法，其特征在于，包括：
选择棒材：按待制备的GH3230合金环件选择GH3230合金棒材；
制作坯料：对所述GH3230合金棒材进行墩粗处理后，进行换向拔长处理制成坯料；
制作环坯：对制成的所述坯料依次进行墩粗、冲孔和马架扩孔处理制成能上轧机的环坯；
环件预轧：将所述环坯在轧机上进行控制变形量的预轧处理，制成预轧环件；
环件终轧：将所述预轧环件直接热装回炉加热后，在轧机上进行控制变形量的终轧处理，制成组织均匀的GH3230合金环件。
2.根据权利要求1所述的控制GH3230合金环件组织均匀的制备方法，其特征在于，所述制作坯料步骤中，对所述GH3230合金棒材进行墩粗处理为：将所述GH3230合金棒材加热到1150～1180℃保温2小时后，采用快锻机进行墩粗，墩粗得到的圆饼高度为直径的0.5～0.7倍；
所述进行换向拔长处理为：沿着墩粗处理后得到的圆饼直径方向进行拔长处理，拔长处理过程中进行平端头和滚圆处理，锻成棒段，棒段高径比为1.5～2.0范围内。
3.根据权利要求1或2所述的控制GH3230合金环件组织均匀的制备方法，其特征在于，所述制作环坯步骤中，对制成的所述坯料进行墩粗处理的加热温度为1150～1180℃；
制得的环坯尺寸相对最终环件，在高度上具有15～17％的余量，在环件壁厚上具有34～36％的余量。
4.根据权利要求1或2所述的控制GH3230合金环件组织均匀的制备方法，其特征在于，所述环件预轧步骤中，预轧加热温度为1150～1180℃，预轧环件的变形量为18％～22％。
5.根据权利要求1或2所述的控制GH3230合金环件组织均匀的制备方法，其特征在于，所述环件终轧步骤中，将所述预轧环件直接热装回炉加热的加热温度控制为1100℃～1150℃，加热时间为30分钟；
轧制过程中采用径向轧制为主轴向压下为辅的径轴双向轧制，控制环件的变形量为：厚度减薄20～35％，高度减低5～10％，总的截面面积变化率控制为25～40％；终止轧制时环件温度不低于900℃；轧制主棍速度为：0.1～1rad/s；给进速率为：1～4mm/s。
6.根据权利要求1或2所述的控制GH3230合金环件组织均匀的制备方法，其特征在于，所述选择棒材步骤中，选择的GH3230合金棒材高度和直径之比为1.2～2.0。
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