CN111235502B - 一种大规格镍基高温合金锻件的生产方法 - Google Patents

Abstract

一种大规格镍基高温合金锻件的生产方法，通过制备坯料、研磨下料、加热保温、等温锻造及机加工步骤，采用等温锻造技术，控制坯料高径比、锻造温度及变形速率等工艺参数，将模具温度控制在一定范围内，有效减少坯料温降，进而避免δ相过量析出，同时，在较大的变形量下，可以有效细化晶粒组织；生产出用于生产满足航天发动机、船舰汽轮机用规格为

的GH4169合金(国外称In718)锻件，兼具优异强度、持久性能和良好的韧性。

Description

一种大规格镍基高温合金锻件的生产方法

技术领域

本发明属于镍基合金的锻造领域，具体涉及一种大规格镍基高温合金锻件的生产方法。

背景技术

高温合金是现代航空航天发动机、船舰燃气轮机等领域所必需的关键金属结构材料，能够在高温环境(一般指600℃～1100℃)、氧化、燃气腐蚀条件下，承受较大应力并长期使用。由于使用工况的不同，不同部件的性能要求有很大差异，其中，尤其以发动机转动件服役环境最为苛刻，性能要求也最为严格。

以目前大推力航天发动机为例，涡轮盘材料选择GH4169合金。出于设计及使用工况方面考虑，要求发动机涡轮盘锻件兼具高强度、高持久性能和良好的冲击韧性。虽然GH4169合金已经广泛应用于航空发动机、燃气轮机等领域，但是，其考察性能主要偏重强度、持久及蠕变等指标，鲜有综合考核强度和韧性指标。因此，如何平衡和解决“强度”和“韧性”这两个指标是研制和开发该锻件的挑战之一。

另外，随着航天发动机技术的不断发展，推力不断提升，要求发动机部件尺寸不断增大，向大尺寸化发展。新一代发动机盘锻件尺寸较之前将增加1倍多，直径将达到φ300mm，厚度约130mm。随着锻件尺寸的增大，对于组织和性能控制提出了更高要求，制造难度更是成倍增加，因此，如何解决由于尺寸效应引起的制造难题，制备出组织和性能满足要求的锻件，已成为制约我国航天发动机发展的瓶颈之一。

研究表明，GH4169合金要实现高强度、高持久及良好冲击韧性，通常主要从以下两个方面进行控制：1)细晶组织：细化晶粒是一种提高材料室温和高温强度，改善材料韧性的有效手段，这对于高强度高韧性GH4169合金尤其重要；2)δ相控制：合金组织中析出一定量的δ相，可以改善合金缺口敏感性，提高合金持久性能。但是，δ相析出含量过多，不利于合金的冲击性能。因此，在实际生产中，务必控制终锻温度，避免δ相过多或者过少析出。目前，生产该合金锻件的传统工艺路线为自由锻或者空气锤锻造。生产工艺参数如下：坯料加热温度：1040～1060℃，压下量30～40mm，终锻温度≥900℃。

生产时，首先采用快锻机锻造出一定规格的坯料，然后定尺下料，坯料通过空气锤锻压成接近成品规格的毛坯锻件，然后再机加工至成品规格。采用该工艺路线，往往生产效率较低，材料收得率低，而且由于锻造时间较长，终锻温度低(往往终锻温度低于900℃)，经常出现锻件冲击性能不合问题。另外，受制于生产方式的限制，目前该锻件制造极限规格仍较小。因此，设计和开发出一种能够生产出满足性能要求的大规格锻件的工艺路线显得尤为重要。

中国发明专利CN101153360A介绍了一种大规格高温合金圆饼的制备方法。该方法将经过均匀化后的合金钢锭，定尺下料直接进行镦饼。但是该专利仅针对GH105等难变形合金，而且并未涉及饼件性能要求，因此不具有借鉴意义。

中国发明专利CN1165204A介绍了一种镍基高温合金锻件和棒材获得均匀超细晶晶粒的方法。该方法通过预先析出一定数量的δ相，然后通过热加工实现δ相球化同时，获得超细晶组织，但是，其实际上介绍了一种获得高强性能的方法，主要适用于直接时效和高强GH4169盘件的制备。若采用该方法制备盘件，其冲击性能不能满足要求，因此仍不具参考意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大规格镍基高温合金锻件的生产方法，适用于GH4169合金(国外称In718)，采用等温锻造技术，通过控制坯料高径比、锻造温度及变形速率等工艺参数，生产出兼具高强度、高持久性能和良好冲击韧性的大规格高性能锻件，主要应用于航天领域、大型船舰发动机转动件等涉及国防及民用等重点领域。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种大规格镍基高温合金锻件的生产方法，包括以下步骤：

1)制备坯料

采用快锻或径锻工艺制备出所需规格的坯料，坯料组织的晶粒度为4～6级；

2)研磨、下料

将坯料表面磨光，按照变形比要求进行定尺下料，坯料高径比控制在2.2～2.5；

3)加热保温

将坯料放入温度≤600℃的加热炉中，开始升温，从600℃升至950±10℃至少需要5h；炉温达到950±10℃后，至少保持2h以上；再升温至990～1050℃，至少需要1h，到温后，至少保持3h；

4)等温锻造

将坯料转移至压机上，调整位置后开始下压，将坯料压制成盘锻件，变形速率控制在20～30mm/s，一火成材，锻后空冷；

5)机加工

对步骤4)获得的盘锻件进行机加工处理，获得表面状态及尺寸规格符合要求的镍基高温合金锻件。

优选地，步骤1)中所述坯料为GH4169合金。

进一步，步骤1)中，所述坯料的尺寸规格是φ200×(440～480)mm，所述镍基高温合金锻件的规格为

优选地，所述镍基高温合金锻件的室温拉伸强度Rm≥1360MPa，Rp0.2≥1120MPa，室温冲击功A_KU2≥42J；600℃拉伸强度Rm≥1140MPa，Rp0.2≥945MPa；组织均匀、细小，晶粒度为6～8级。

本发明在制备坯料时，采用常规快锻或径锻工艺制备出所需规格坯料，对坯料组织的要求为：确保晶粒度达到4～6级，对于坯料晶粒度的要求是必要的，若坯料晶粒组织不均匀或者粗大，会导致后续锻件晶粒粗大或者残余粗晶存在，进而影响锻件力学性能。

本发明中，坯料高径比控制在2.2～2.5，确保坯料有足够的变形比，实现锻件组织的充分细化；本发明将中间坯料表面通过研磨处理，去掉表面裂纹等缺陷，再按照变形比要求进行定尺下料，这样可有效避免模锻过程中表面开裂问题。

本发明在等温锻造压制盘件时，将变形速率控制在20～30mm/s，若压下过快，容易造成坯料内升温高，不利于获得细晶组织；若压下过慢，组织再结晶不易完成，不利于组织细化。

本发明中，通过坯料组织、高径比设计及变形速率三个方面进行优化控制，结合等温锻造技术，开创了一套稳定、高效、可行的大规格锻件生产工艺流程。在实际生产过程中，通过等温锻造技术，可以保证坯料中心到边缘温度的均匀性，特别是减少边缘温度散失；另外，整个锻造过程变形速率可控，结合较大的变形量设计，锻件内部组织发生充分的再结晶，从而实现细化晶粒的目的，同时，确保组织中析出适量的δ相，本发明对坯料组织、高径比设计及变形速率进行综合控制，确保了合金锻件的强度、冲击能指标。最终，生产出的锻件最大规格达到φ300×130mm，组织性能完全满足要求。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明采用等温锻造技术，通过控制坯料高径比、锻造温度及变形速率等工艺参数，将模具温度控制在一定范围内，可以有效减少坯料温降，进而避免δ相过量析出，同时，在较大的变形量下，可以有效细化晶粒组织；生产出用于生产满足航天发动机、船舰汽轮机用的GH4169合金锻件，兼具优异强度、持久性能和良好的韧性。

利用本发明获得的锻件，兼具高强度和高持久寿命，同时具有优异的冲击韧性，攻克了GH4169合金高强锻件冲击韧性偏低的问题；而且，开发的锻件尺寸达到φ300×130mm，达到国内航天领域最大规格，有力支撑我国航天发动机技术的发展。

附图说明

图1为本发明实施例1中中间坯料晶粒组织100倍视野图。

图2为本发明实施例1中中间坯料晶粒组织500倍视野图。

图3为本发明实施例1-4中坯料的加热工艺曲线。

图4为本发明实施例2和对比例锻件的1/4纵剖面取样示意图。

图5为本发明实施例2锻件中心组织照片。

图6为本发明实施例2锻件R/2组织照片。

图7为本发明实施例2锻件边缘组织照片。

图8为对比例锻件的中心组织照片。

图9为对比例锻件的R/2组织照片。

图10为对比例锻件的边缘组织照片。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1本发明的一种大规格镍基高温合金锻件的生产方法，包括以下步骤：

采用常规快锻工艺制备GH4169合金坯料，坯料晶粒组织达到5级或更细，中间坯料的晶粒组织照片见图1-2。

对坯料表面研磨，之后定尺下料，坯料尺寸为φ200×440mm，高径比为2.2。

坯料放入加热炉加热，加热工艺见图3，保温温度1040℃。

坯料到温后，快速转移至压机，调整后坯料位置，务必确保其上下端面平行；以20mm/s变形速率压制盘件，按照高度控制变形量，变形后的锻件立即取出，空冷。

锻好的毛坯件表面状态较差，而且尺寸规格不满足使用要求，对其表面进行机加工处理，车光后成品尺寸为：φ300×130mm。

实施例2本发明的一种大规格镍基高温合金锻件的生产方法，包括以下步骤：

采用径锻工艺制备GH4169合金坯料，坯料晶粒组织达到5级或更细。

对坯料表面研磨，之后定尺下料，坯料尺寸为φ200×480mm，高径比为2.4。

坯料放入加热炉加热，加热工艺见图3，保温温度1000℃。

坯料到温后，快速转移至压机，调整后坯料位置，务必确保其上下端面平行；以20mm/s变形速率压制盘件，按照高度控制变形量。变形后的锻件立即取出，空冷。

锻好的毛坯件表面状态较差，而且尺寸规格不满足使用要求，对其表面进行机加工处理，车光后成品尺寸为：φ300×130mm。

实施例3本发明的一种大规格镍基高温合金锻件的生产方法，包括以下步骤：

采用快锻工艺制备GH4169合金坯料，中间坯料晶粒组织达到5级或更细。

对坯料表面研磨，之后定尺下料，坯料尺寸为φ200×440mm，高径比为2.2。

坯料放入加热炉加热，加热工艺见图3，保温温度1000℃。

坯料到温后，快速转移至压机，调整后坯料位置，务必确保其上下端面平行。以30mm/s变形速率压制盘件，按照高度控制变形量。变形后的锻件立即取出，空冷。

锻好的毛坯件表面状态较差，而且尺寸规格不满足使用要求，对其表面进行机加工处理，车光后成品尺寸为：φ300×130mm。

实施例4本发明的一种大规格镍基高温合金锻件的生产方法，包括以下步骤：

采用快锻或径锻工艺制备GH4169合金坯料，中间坯料晶粒组织达到5级或更细，对坯料表面研磨，之后定尺下料，坯料尺寸为φ200×480mm，高径比为2.4。

坯料放入加热炉加热，加热工艺见图3，保温温度1020℃。

坯料到温后，快速转移至压机，调整后坯料位置，务必确保其上下端面平行，以20mm/s变形速率压制盘件，按照高度控制变形量。变形后的锻件立即取出，空冷。

锻好的毛坯件表面状态较差，而且尺寸规格不满足使用要求，对其表面进行机加工处理，车光后成品尺寸为：φ300×130mm。

对比例

按照传统工艺路线生产GH4169合金锻件，

传统工艺路线为自由锻或者空气锤锻造，生产时，首先采用快锻机锻造出一定规格的坯料，然后定尺下料，坯料通过空气锤锻压成接近成品规格的毛坯锻件，然后再机加工至成品规格。

生产工艺参数：坯料加热温度：1040～1060℃，压下量30～40mm，终锻温度≥900℃。

将本发明实施例2和对比例生产的锻件，按照图4所示位置进行组织分析，实施例2结果参见图5-7，结果表明，采用本工发明艺路线压制的锻件，组织均匀、细小，晶粒度均达到6～8级；按照传统工艺生产锻件组织情况见图8-10，由图8-10可见，锻件晶粒度偏粗，约为4～5级，而且靠近边缘存在大量未再结晶的组织。

将本发明实施例1-4和对比例中按照传统工艺生的锻件，按照标准热处理后，其性能对比结果见表1，其中，持久试验的条件为：600℃/883MPa，当试验时间达到26h(超过25h)时，直接卸载停止试验。

由表1可见，传统工艺生产锻件强度、塑性指标较新工艺偏低，冲击性能较差，而按照本发明的工艺路线制备的锻件性能均达到要求，合金锻件实现兼具高强度、高持久寿命和良好冲击韧性。

Claims (4)

1.一种大规格镍基高温合金锻件的生产方法，包括以下步骤：

1)制备坯料

采用快锻或径锻工艺制备出所需规格的坯料，所述坯料为GH4169合金，坯料组织的晶粒度为4～6级；

2)研磨、下料

将坯料表面磨光，按照变形比要求进行定尺下料，坯料高径比控制在2.2～2.5；

3)加热保温

将坯料放入温度≤600℃的加热炉中，开始升温，从600℃升至950±10℃至少需要5h；炉温达到950±10℃后，至少保持2h以上；再升温至990～1050℃，至少需要1h，到温后，至少保持3h；

4)等温锻造

将坯料转移至压机上，调整位置后开始下压，将坯料压制成盘锻件，变形速率控制在20～30mm/s，一火成材，锻后空冷；

5)机加工

对步骤4)获得的盘锻件进行机加工处理，获得表面状态及尺寸规格符合要求的镍基高温合金锻件。

2.根据权利要求1所述大规格镍基高温合金锻件的生产方法，其特征在于，步骤1)中，所述坯料的尺寸规格是φ200×(440～480)mm。

3.根据权利要求1所述大规格镍基高温合金锻件的生产方法，其特征在于，所述镍基高温合金锻件的室温拉伸强度Rm≥1360MPa，Rp0.2≥1120MPa，室温冲击功A_KU2≥42J；600℃拉伸强度Rm≥1140MPa，Rp0.2≥945MPa；组织均匀、细小，晶粒度为6～8级。

4.根据权利要求1所述大规格镍基高温合金锻件的生产方法，其特征在于，所述镍基高温合金锻件的规格为φ300×130mm。

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