CN110983107A - 一种提高大型gh4698涡轮盘锻件高温持久性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高温合金的热加工技术领域，涉及一种提高大型GH4698涡轮盘锻件高温持久性能的方法。通过对GH4698棒材成分的选择控制、对变形火次控制及对锻造、热处理后的冷却速度控制，大幅度提高了大型GH4698涡轮盘锻件的组织均匀性及高应力条件下的高温持久性能，有力提高产品综合性能及市场竞争力。

Description

一种提高大型GH4698涡轮盘锻件高温持久性能的方法
技术领域
本发明属于高温合金的热加工技术领域，涉及一种提高大型GH4698涡轮盘锻件高温持久性能的方法。
背景技术
GH4698是以铝、钛、钼、铌等元素强化的镍基高温合金，是在GH4033合金基础上补充合金化发展而成的，在500～800℃范围内具有高的持久性能和良好的综合性能。该合金广泛用于制造航空发动机的涡轮盘、压气机盘、导流片、承力环等重要承力零件。工作温度可达750～800℃。
通常GH4698高压涡轮盘锻件的高温持久试验条件有750℃/412MPa、650℃/706MPa(≥50h)等，大量实践证明高应力的持久试验条件更为苛刻，更加不容易合格。因此针对GH4698合金要求高应力持久试验条件的大型高压涡轮盘锻件，我们就必须在其制造过程中提出更加严格的控制要求。
发明内容
本发明的目的：提供一种提高大型GH4698涡轮盘锻件高温持久性能的方法，以解决大型GH4698涡轮盘高应力条件下高温持久性能低下的问题。
本发明的技术方案：
第一方面，提供了一种提高大型GH4698涡轮盘锻件高温持久性能的方法，包括：
选择Fe(wt％)≤0.45％，1.45％≤Al(wt％)≤1.65％，2.4％≤Ti(wt％)≤2.6％的棒材；
对棒材进行锻造得到锻件；
对锻件进行锻后冷却；
对冷却后的锻件进行热处理。
进一步地，对棒材进行锻造得到锻件，具体包括：
锻造过程每火次变形量为30～50％，终锻温度≥950℃。
进一步地，对锻件进行锻后冷却，具体包括：
终锻后加盖硅酸铝保温棉冷却到850℃，之后去除硅酸铝保温棉进行风冷。
进一步地，对冷却后的锻件进行热处理，具体包括：第一固溶冷却、第二固溶冷却以及时效。
进一步地，第一固溶冷却，具体包括：
对冷却后的锻件在第一固溶温度下保温8小时；
自然空冷至1030℃；
加盖硅酸铝保温棉冷却到850℃，之后去除硅酸铝保温棉进行风冷。
进一步地，第一固溶温度为1100～1120℃
进一步地，第二固溶冷却，具体包括：
对第一固溶冷却后的锻件在第二固溶温度下保温4小时；
出炉并加盖硅酸铝保温棉冷却到850℃，之后去除硅酸铝保温棉进行风冷。
进一步地，第二固溶温度为1000℃。
进一步地，时效具体包括：
将第二固溶冷却后的锻件在775℃下保温16小时；
出炉自然空冷。
本发明的有益效果：
通常GH4698高压涡轮盘锻件的高温持久试验条件有750℃/412MPa、650℃/706MPa(≥50h)等，大量实践证明高应力的持久试验条件更为苛刻，更加不容易合格。通过对GH4698棒材成分的选择控制、对变形火次控制及对锻造、热处理后的冷却速度控制，可以大幅度提高大型GH4698涡轮盘锻件的组织均匀性及高应力条件下的高温持久性能，有力提高产品综合性能及市场竞争力。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。
本发明的一种提高大型GH4698涡轮盘锻件高温持久性能的方法，包括：选择Fe(wt％)≤0.45％，1.45％≤Al(wt％)≤1.65％，2.4％≤Ti(wt％)≤2.6％的棒材；对棒材进行锻造得到锻件；对锻件进行锻后冷却；对冷却后的锻件进行热处理。
进一步地，对棒材进行锻造得到锻件，具体包括：锻造过程每火次变形量为30～50％，终锻温度≥950℃。
进一步地，对锻件进行锻后冷却，具体包括：终锻后加盖硅酸铝保温棉冷却到850℃，之后去除硅酸铝保温棉进行风冷。
进一步地，对冷却后的锻件进行热处理，具体包括：第一固溶冷却、第二固溶冷却以及时效。
进一步地，第一固溶冷却，具体包括：对冷却后的锻件在第一固溶温度下保温8小时；自然空冷至1030℃；加盖硅酸铝保温棉冷却到850℃，之后去除硅酸铝保温棉进行风冷。
进一步地，第一固溶温度为1100～1120℃。
进一步地，第二固溶冷却，具体包括：对第一固溶冷却后的锻件在第二固溶温度下保温4小时；出炉并加盖硅酸铝保温棉冷却到850℃，之后去除硅酸铝保温棉进行风冷。
进一步地，第二固溶温度为1000℃。
进一步地，时效具体包括：将第二固溶冷却后的锻件在775℃下保温16小时；出炉自然空冷。
进一步地，棒材成分选择，Fe元素含量应尽量选择较低者。锻造加热温度为1100～1130℃，锻造设备选择油压机，模锻成型，坯料应选择硅酸铝保温棉进行软包套。缓冷方式可以选择硅酸铝保温棉覆盖或置于冷却箱中，提到的适当快冷方式可以选择风扇吹冷或置于空气流动较好的空旷区域。经过成分选择控制、变形火次控制及冷却速度控制制造方法，可有效提高大型GH4698涡轮盘锻件的高温持久性能及组织均匀性。
实施例：
下面选取某型燃机GH4698高压涡轮盘锻件的生产研制，对本发明的工艺步骤进行详细的说明。
一种提高大型GH4698涡轮盘锻件高温持久性能的制造控制方法，包括以下步骤：
步骤1、棒材成分选择：Fe(wt％)＝0.12％，Al(wt％)＝1.63％，Ti(wt％)＝2.58％；
步骤2、锻造变形火次控制：锻造2火次完成，变形量分别为48.4％、46.3％，终锻温度分别为985、1003℃；锻造加热温度为1110℃，锻造设备选择20000吨油压机，模锻成型，坯料应选择硅酸铝保温棉进行软包套。
步骤3、锻后冷却速度控制：1000～850℃区间缓冷，低于850℃适当快冷；
步骤4、第一次固溶冷却速度控制：从固溶温度(1100～1120℃)自然空冷至1030℃左右转为缓冷，低于850℃适当快冷；
步骤5、第二次固溶冷却速度控制：从固溶温度(1000℃)缓冷至850℃左右，低于850℃适当快冷；
步骤6、时效(775℃)出炉自然空冷；
其中，步骤3、步骤4及步骤5中的缓冷方式使用硅酸铝保温棉覆盖，提到的适当快冷方式采用置于空气流动较好的空旷区域。
经过成分选择控制、变形火次控制及冷却速度控制制造方法，可有效提高大型GH4698涡轮盘锻件的高温持久性能及组织均匀性。
本发明的原理：
首先，提高Al、Ti含量可有利于提高GH4698合金主要强化相γ′的析出数量，继而提高合金的室温及高温力学性能，但过分地提高Al、Ti含量又会增加锻件的成型难度，即大幅度增加变形抗力、导致锻件开裂及组织不均匀性的风险。这时，我们应该从相反的方向去考虑：减少某些元素的含量也能够达到提高GH4698合金高温持久性能的目的，如Fe元素，它在GH4698合金中不属于添加元素，而是冶炼过程中母材自带的杂质元素，其在GH4698合金中可取代基体Ni原子的位置而改变原有的原子间键合状态和电荷分布，最终以牺牲部分强度为代价改善基体塑性。Fe元素与Ni元素的无限置换溶解，最终可导致GH4698合金高温使用性能的下降，如高应力条件下的高温持久性能。目前国内的GH4698合金冶炼虽不能有效地控制Fe元素的含量，但我们可以根据产品性能需要去选择具有适当成分范围的棒材。
其次，控制锻造过程每火次的最大变形量，避免局部过大变形加剧组织的不均匀性。我们知道GH4698合金的锻造温度区间较窄(约为200℃)，对于大型涡轮锻件而言，其成型难度必然较大，我们必须同时满足在高于临界变形温度及临界变形量以上的条件才能顺利进行坯料的完全动态再结晶，因此变形量不是越大越好，而是必须同时满足上述两种条件，即建议多火次变形。
最后，控制锻造及热处理后的冷却速度，根据析出相的特点制定具体温度区间的冷却方式，从而达到均匀化组织的目的。众所周知，GH4698合金的主要强化相γ′在约1020～1000℃大量析出，在此温度附近进行适当缓冷有利于增加γ′相的析出数量，阻碍锻件冷却过程中的静态回复进程，同时使得锻件心部与外层温度更加趋于一致，提高组织均匀性，最终有利于提高锻件的高温持久性能。而碳化物特别是二次碳化物(M23C6)在785℃以上温度保温会发生不同程度的偏聚，因此无论是锻造后冷却还是热处理固溶后冷却，都应该避免碳化物的大量析出并聚集，即应该从850℃附近开始适当快冷，碳化物应主要在700℃补充时效过程中弥散析出。
本发明采用GH4698成分选择控制、变形火次控制及冷却速度控制制造方法，可有效提高大型GH4698涡轮盘锻件的高温持久性能。
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种提高大型GH4698涡轮盘锻件高温持久性能的方法，其特征在于，包括：
选择Fe(wt％)≤0.45％，1.45％≤Al(wt％)≤1.65％，2.4％≤Ti(wt％)≤2.6％的棒材；
对棒材进行锻造得到锻件；
对锻件进行锻后冷却；
对冷却后的锻件进行热处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对棒材进行锻造得到锻件，具体包括：
锻造过程每火次变形量为30～50％，终锻温度≥950℃。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对锻件进行锻后冷却，具体包括：
终锻后加盖硅酸铝保温棉冷却到850℃，之后去除硅酸铝保温棉进行风冷。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对冷却后的锻件进行热处理，具体包括：第一固溶冷却、第二固溶冷却以及时效。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，第一固溶冷却，具体包括：
对冷却后的锻件在第一固溶温度下保温8小时；
自然空冷至1030℃；
加盖硅酸铝保温棉冷却到850℃，之后去除硅酸铝保温棉进行风冷。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，第一固溶温度为1100～1120℃
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，第二固溶冷却，具体包括：
对第一固溶冷却后的锻件在第二固溶温度下保温4小时；
出炉并加盖硅酸铝保温棉冷却到850℃，之后去除硅酸铝保温棉进行风冷。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，第二固溶温度为1000℃。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，时效具体包括：
将第二固溶冷却后的锻件在775℃下保温16小时；
出炉自然空冷。
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