專利名稱：一種高溫合金細(xì)晶棒材的鍛制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鍛造技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種高溫合金細(xì)晶棒材的鍛制方法，適用于冶金行業(yè)的GH4169合金的熱加工鍛造，用于變形溫度區(qū)間狹窄、熱加工工藝參數(shù)敏感型高溫合金的開坯。
背景技術(shù)：
高溫合金由于具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能和抗氧化、耐腐蝕能力而成為石化、核能、 航空、航天等工業(yè)領(lǐng)域承受高溫、腐蝕、載荷等惡劣使用環(huán)境關(guān)鍵部件不可或缺的材料。高溫合金一般都有較高的合金元素含量，如Ni、Cr、Mo、W、Co等。此類合金元素大多是我國的戰(zhàn)略合金資源，原料價(jià)格較高。加入該類元素之后給合金的冶煉和熱加工帶來很大困難，致使高溫合金產(chǎn)品成材率很低。^1718(國內(nèi)牌號(hào)GH4169)合金由于具有較高的熱強(qiáng)性和良好的綜合力學(xué)性能以及較好的熱加工塑性，成為美國應(yīng)用最為廣泛的航空發(fā)動(dòng)機(jī)用變形高溫合金。用其制備的零件包括渦輪盤、壓氣機(jī)盤、篦齒盤、葉片、軸、螺栓和螺母等，是一種典型的一材多用合金， 其產(chǎn)量已達(dá)變形高溫合金年總產(chǎn)量的45%。這種合金最大特點(diǎn)在于采用不同的熱變形工藝可以得到組織和性能差異較大的材料，換句話說，GH4169合金是一種熱加工工藝敏感型合
^^ ο目前國內(nèi)采用快鍛機(jī)單向拔長的開坯工藝生產(chǎn)的GH4169合金棒材，變形方向單一，碳化物破碎不充分且沿流線呈串狀分布，很容易成為疲勞裂紋源。另外，由于多火次鍛造回爐空燒導(dǎo)致棒材晶粒長大，不易得到均勻的細(xì)晶組織。以上原因成為制約我國高溫合金棒材質(zhì)量提高的瓶頸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高溫合金細(xì)晶棒材的鍛制方法，采用鐓拔加徑鍛聯(lián)合開坯的生產(chǎn)方式，變形量很大且變形方向交替變換，碳化物破碎充分且彌散分布，提高了合金的疲勞性能。棒材最終通過徑鍛一火成形，避免了回爐空燒導(dǎo)致的晶粒長大，且對(duì)棒材外圓變形非常有利，得到晶粒級(jí)差小于2級(jí)的細(xì)晶棒材。因此，這是一種很有前途的適用于高溫合金細(xì)晶棒材生產(chǎn)的新方法，推廣之后必將產(chǎn)生很好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。本發(fā)明能節(jié)約戰(zhàn)略合金資源、細(xì)化高溫合金棒材晶粒度、提高棒材組織均勻性；使變形高溫合金GH4169具有良好的熱強(qiáng)性和優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，同時(shí)具備較好的熱加工能力和焊接性能，被廣泛選作航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵轉(zhuǎn)動(dòng)件-渦輪盤的制備材料。然而，由于該合金對(duì)熱加工工藝參數(shù)非常敏感，變形溫度區(qū)間只有100°C，熱加工過程難以控制，熱變形組織均勻性無法保證。目前采用快鍛機(jī)單向拔長方式生產(chǎn)的棒材中心和邊緣處晶粒度級(jí)差大于4級(jí)，且由于棒材外圓溫降嚴(yán)重導(dǎo)致相析出過多，出現(xiàn)大面積的黑晶組織，只能在其后的機(jī)加工過程加以去除，這極大地浪費(fèi)了我國較為匱乏的戰(zhàn)略合金資源。
根據(jù)上述目的，本發(fā)明整體的技術(shù)方案為本發(fā)明針對(duì)一種高溫合金細(xì)晶棒材的鍛制方法，特別適用于組織對(duì)熱變形工藝敏感型合金。采用鐓拔加徑鍛聯(lián)合成形的方式，其徑鍛低溫加熱，加熱溫度為1000 1010°C， 一火成形；所制棒材晶粒度大于ASTM 7級(jí)。具體工藝步驟如下首先將經(jīng)過真空感應(yīng)熔煉(VIM) +真空自耗重熔(VAR)的GH41690 508mm合金鑄錠在1160 1190°C高溫均勻化處理，然后在2000噸快鍛機(jī)鐓拔開坯，鐓粗變形量為30%， 接著回爐加熱到1100 1120°C，拔長至1. 6米。經(jīng)過一到三次鐓拔(鐓拔次數(shù)根據(jù)棒材技術(shù)條件確定)再回爐加熱到1100 1120°C，拔長至6.4米、直徑ΦΜΟπιπι。利用高溫粘結(jié)劑將棒坯均勻覆蓋保溫毯，再加熱到1000 1010°C，利用1300噸徑鍛機(jī)一火鍛制成形。本發(fā)明鍛制的高溫合金細(xì)晶棒材晶粒組織均勻細(xì)小，達(dá)到ASTM7級(jí)以上，中心和外圓的晶粒度級(jí)差小于2級(jí)；δ相數(shù)量適中，呈短棒狀或顆粒狀分布于晶界；碳化物細(xì)小， 且彌散分布。本發(fā)明所述高溫粘結(jié)劑的各組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為35 40% Al203、48 52% SiO2 和9 15% Fe2O3的混合物。本發(fā)明所述的高溫合金GH4169的化學(xué)組成成分重量百分比為C彡0. 08%, Cr 17. O 21. O %，Mo :2. 80 3. 30 %，Al :0. 30 0. 70 %，Ti :0. 75 1. 15 %，Nb :5. O 5. 5%, Co ^ 1. 0%, Ni 50 55%，F(xiàn)e 余量。采用本發(fā)明細(xì)晶棒材鍛制方法，棒材晶粒度大于ASTM 7級(jí)。根據(jù)上述目的和工作原理，本發(fā)明具體的技術(shù)方案為本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有節(jié)約能源，節(jié)省合金資源，所制棒材組織均勻、細(xì)小且具有良好的綜合力學(xué)性能的特點(diǎn)。上述具體優(yōu)點(diǎn)為本發(fā)明采用快鍛加徑鍛聯(lián)合成形的方式鍛制高溫合金棒材，極大地改善棒材組織均勻性，避免快鍛開坯多火次回爐空燒導(dǎo)致晶粒長大和棒材外圓溫降導(dǎo)致黑晶組織的出現(xiàn)，有效地提高了成材率，降低了原材料成本；且最終采用徑鍛一火成形，降低了能源消耗。因此，這是一種很有前途的適用于高溫合金鍛制棒材的方法，推廣之后必將產(chǎn)生很好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。


圖1為鐓拔開坯示意圖。
圖2為單向拔長與鐓拔加拔長變形量對(duì)比。
圖3為單向拔長碳化物分布。
圖4為鐓拔加拔長碳化物分布。
圖5為快鍛應(yīng)變場分布。
圖6為徑鍛應(yīng)變場分布。
圖7為徑鍛棒材外圓晶粒度。
圖8為徑鍛棒材半徑晶粒度。
圖9為徑鍛棒材心部晶粒度。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明采用鐓拔加徑鍛聯(lián)合成形的方式制備GH4169合金細(xì)晶棒材，鐓拔開坯工藝流程示意圖如圖1所示。采用單向拔長開坯的棒材，經(jīng)真空感應(yīng)熔煉(VIM) +真空自耗重熔(VAR)的Φ508πιπι GH4169合金錠，表面車光至Φ480mm，在快鍛機(jī)拔長至ΦΜΟπιπι棒材； 采用鐓拔工藝開坯的棒材，經(jīng)VIM+VAR的Φ508πιπι GH4169合金錠，表面車光至Φ480πιπι，經(jīng) 30%變形量的一次鐓粗，拔長至原長。再經(jīng)30%變形量的二次鐓粗，拔長至原長。然后繼續(xù)單向拔長至ΦΜΟπιπι棒材。圖2為多次鐓拔與變形量關(guān)系的有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果，表明單向拔長、一次鐓拔加拔長、二次鐓拔加拔長、三次鐓拔加拔長三種開坯方式的名義變形量依次遞增，分別為73. 6%、86. 7%、92. 9%和96. 3%?？梢姡S鐓拔次數(shù)的增加，變形量明顯增大，碳化物得到充分破碎；另外，鐓拔過程變形方向發(fā)生交替變換，促進(jìn)碳化物由串狀排列變?yōu)閺浬⒎植?。單向拔長與鐓拔加拔長對(duì)碳化物分布的影響見圖3和圖4。以上變化對(duì)于延長GH4169合金的疲勞壽命有積極的作用。本發(fā)明采用鐓拔加徑鍛聯(lián)合成形的方式制備GH4169合金細(xì)晶棒材，鐓拔開坯之后低溫徑鍛成形(加熱溫度IOl(TC)?？戾懪c徑鍛的區(qū)別在于快鍛棒材心部的等效應(yīng)變最大，而徑鍛棒材外圓等效應(yīng)變最大，見圖5和圖6?？戾懪c徑鍛結(jié)合，既保證棒材心部有足夠的變形量，心部鑄態(tài)組織得到充分破碎，再結(jié)晶完全，也能通過最終的整根棒料一火次徑鍛成形，避免了快鍛多火次成形回爐空燒導(dǎo)致的晶粒長大，而且徑鍛過程的局部返熱能夠使棒坯的外圓溫度保持在930°C以上，避免了棒材外圓因δ相過度析出導(dǎo)致的黑晶組織。本發(fā)明采用鐓拔加徑鍛聯(lián)合成形的方式制備GH4169合金細(xì)晶棒材，外圓晶粒度為9級(jí)，中心晶粒度為7級(jí)，整根棒材組織均勻，δ相成短棒狀或顆粒狀分布于晶界，碳化物彌散分布，具有良好的綜合力學(xué)性能，見圖7、圖8、圖9和表1。國內(nèi)某鋼廠采用鐓拔工藝開坯的棒材，經(jīng)VIM+VAR的Φ 508mm GH4169合金錠，表面車光至Φ 480mm，經(jīng)30 %變形量的一次鐓粗，拔長至1. 6米。再經(jīng)30 %變形量的二次鐓粗， 拔長至原長。然后繼續(xù)單向拔長至6. 4米(直徑Φ240πιπι)。經(jīng)打磨、表面車光至Φ205πιπι。利用徑鍛機(jī)生產(chǎn)GH4169合金Φ95πιπι和Φ80πιπι棒材，最終成形過程中不需要回爐加熱，一火即可完成整根棒材的鍛造。本發(fā)明采用低溫加熱技術(shù)及程序控制徑鍛過程技術(shù)可以有效避免棒材鍛制成形過程的心部升溫和外圓降溫。以下為Φ95πιπι和Φ80πιπι棒材具體徑鍛工藝先將Φ205πιπι棒材利用高溫粘結(jié)劑均勻包覆保溫毯，入爐升溫至1010°C保溫3小時(shí)。Φ95mm棒材徑鍛工藝加熱溫度1010°C，終鍛溫度930°C。共八道次205.O — 192. 8 — 174. 9 — 158. 7 — 143. 9 — 130. 5 — 118. 4 — 109. O — 109. Omm (熱態(tài))，表面車光至Φ 95mm。Φ80mm棒材徑鍛工藝；加熱溫度1010°C，終鍛溫度930°C。共九道次205.O — 192. O — 172. 9 — 155. 8 — 140. 3 — 126. 4 — 113. 8 — 102. 5 — 94. O —94. Omm (熱態(tài))，表面車光至Φ 80mm。上述GH4169合金Φ 95mm細(xì)晶棒材，可直接加工成石化行業(yè)廣泛使用的鉆頭，在腐蝕環(huán)境下承受磨損和冷熱疲勞作用，壽命超過現(xiàn)有的硬質(zhì)合金鉆頭。而Φ80πιπι細(xì)晶棒材， 可加工成機(jī)械行業(yè)的各種模具，如擠壓模、鍛模等，其使用溫度可達(dá)650°C，承受高溫、大載荷和冷熱疲勞的交互作用，比模具鋼5CrMMo具有更好的熱強(qiáng)性和更長的使用壽命。表1Φ 95mm和Φ 80mm徑鍛棒材的力學(xué)性能
Φ95πιπι棒材力學(xué)性能
權(quán)利要求
1.一種高溫合金細(xì)晶棒材的鍛制方法，其特征在于，工藝步驟如下首先將經(jīng)過真空感應(yīng)熔煉+真空自耗重熔的GH41690508mm合金鑄錠在1160 1190°C均勻化處理，然后在2000噸快鍛機(jī)鐓拔開坯，鐓粗變形量為30%，接著回爐加熱到 1100 1120°C，拔長至錠坯1.6米；經(jīng)過一到三次鐓拔，再回爐加熱到1100 1120°C， 拔長至6. 4米、直徑Φ MOmm ；利用高溫粘結(jié)劑將棒坯均勻覆蓋保溫毯，再加熱到1000 1010°C，利用1300噸徑鍛機(jī)一火鍛制成形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫合金細(xì)晶棒材的鍛制方法，其特征在于，鍛制的高溫合金細(xì)晶棒材晶粒組織均勻細(xì)小，達(dá)到ASTM7級(jí)以上，中心和外圓的晶粒度級(jí)差小于2級(jí)；δ 相數(shù)量適中，呈短棒狀或顆粒狀分布于晶界；碳化物細(xì)小，且彌散分布。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫合金細(xì)晶棒材的鍛制方法，其特征在于，所述高溫粘結(jié)劑的各組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為35 40% Al203、48 52% SiO2和9 15% Fe2O3的混合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫合金細(xì)晶棒材的鍛制方法，其特征在于，所述的高溫合金GH4169的化學(xué)組成成分重量百分比為C彡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 彡 1. 0%，Ni 50 55%, Fe 余量。
全文摘要
一種高溫合金細(xì)晶棒材的鍛制方法，屬于鍛造技術(shù)領(lǐng)域。采用鐓拔加徑鍛聯(lián)合開坯的生產(chǎn)方式，變形量很大且變形方向交替變換，碳化物破碎充分且彌散分布，提高了合金的疲勞性能。棒材最終通過徑鍛一火成形，避免了回爐空燒導(dǎo)致的晶粒長大，且對(duì)棒材外圓變形非常有利，得到晶粒級(jí)差小于2級(jí)的細(xì)晶棒材。因此，這是一種很有前途的適用于高溫合金細(xì)晶棒材生產(chǎn)的新方法，推廣之后必將產(chǎn)生很好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號(hào)C22F1/10GK102492906SQ20111044958
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月29日
發(fā)明者呂旭東, 曲敬龍, 杜金輝, 畢中南, 王慶增, 王民慶, 鄧群, 陳國勝 申請(qǐng)人:鋼鐵研究總院