CN103225050A - 一种细晶高强度gh4169合金的热轧生产方法 - Google Patents

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隋凤利
徐丽霞
朱国辉
陈其伟
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Abstract

本发明公开了一种细晶高强度GH4169合金的热轧生产方法，属于航天航空用高温合金棒材的生产工艺技术领域。该方法利用粗轧坯料，通过加热、轧制和冷却等常规生产过程生产直径为20到45毫米的热轧棒材，其技术关键在于通过控制热连轧机组的轧制速度，即控制轧制过程的动态与亚动态再结晶实现晶粒的细化及其晶粒尺寸控制，并通过在线固溶处理工艺利用形变诱导第二相析出缩短合金的加热与保温时间达到抑制晶粒长大和固溶强化的目的。该方法降低了高温合金热轧棒材的制造成本，而且还提升了合金的强度指标，为航天航空用热轧高温合金的生产提供了一种新的工艺技术。

Description

一种细晶高强度GH4169合金的热轧生产方法
技术领域
本发明属于航天航空用合金材料制备领域，具体涉及一种细晶高强度高温合金的热轧生产方法。
背景技术
高温合金是航空、航天及其它工业中的重要结构材料。在已经发展的100多个高温合金牌号中，GH4169合金是最重要的一个变形合金（其成分为：Ni：50～55%；Cr：17～21%；Nb：5～5.5%；Ti：0.75～1.15%；Mo：2.80～3.30%；Al：0.30～0.70%；C：0.02～0.06%；其余为Fe）。该合金自1959年成功推出以来，经过近五十年的不断改进和发展，目前已成为产量最大、使用面最宽的一个镍基变形合金，并对合金的晶粒尺寸和强度提出更高的要求。在传统的横列式轧机生产条件下，主要是通过低温轧制和第二相约束晶粒长大来实现晶粒细化，成材率低、生产效率低、质量不稳定是其主要特点(庄景云,杜金辉,邓群,曲敬龙,吕旭东.变形高温合金GH4169.北京:冶金工业出版社,2006.)。通过热连轧生产可以有效提高合金的成材率、生产效率，但这一生产方式必须在较高的温度(1050～1100℃)下完成以降低工具的力能消耗。在上述温度下进行合金的热连轧必须解决两个问题：1)控制合理的加热温度和轧制速度，以使合金借助轧制过程和道次间歇的动态与亚动态再结晶来完成晶粒的细化(L.X.Zhou,T.N.Baker,Effect of dynamic and metadynamic recrystallization on microstructures ofwrought IN-718due to hot deformation,Mater.Sci.Eng.A196(1-2)(1995)89.)；2)上述温度范围内抑制晶粒长大的第二相完全溶解会导致合金在轧后降温、后续固溶加热与保温时发生晶粒长大(Cai D Y,Zhang W H,Nie P L,Liu W C,Yao M.Dissolution kinetics and behavior ofδphase in Inconel718[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2003,13(6):1338-1341.)。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种生产效率高且能提升GH4169合金强度指标的热轧生产方法。
为了解决以上技术问题，本发明是通过以下技术方案予以实现的。
本发明一种细晶高强度GH4169合金的热轧生产方法，利用粗轧坯料，通过加热、轧制和冷却过程生产直径为20到45毫米的热轧棒材，该方法基于高温轧制过程的动态再结晶和亚动态再结晶通过控制轧制速度来细化晶粒，利用轧后余温直接进行温度补偿加热完成在线固溶处理，并利用轧制过程的累积形变促使第二相快速析出缩短固溶时间抑制加热和保温过程的晶粒长大，进而获得细晶高强度高温合金，其技术的关键在于：(1)粗轧热坯补偿加热温度控制在1050±10℃，保温时间控制在10min；(2)轧机的轧制速度以第一机架入口速度为基准控制在0.14～0.4m·s-1，并通过调整轧制速度来调整最终产品的组织性能；(3)在线固溶的温度控制为950～980℃，保温时间为30min。
本发明采用有限元法对合金的热连轧过程进行数值计算，采取如下措施：
1)粗轧热坯进行1050±10℃，保温10min的补偿加热，热连轧机组的轧制速度以第一机架入口温度为基准进行合理控制，充分利用轧制过程及道次间歇的动态与亚动态再结晶来细化晶粒，并通过轧制速度的改变获得尺寸不同的晶粒组织，以满足不同性能的需求，晶粒尺寸按文献(Na Y S,Yeom J T,Park N K,Lee J Y.Simulation of microstructures for Alloy718blade forging using3D FEM simulator[J].Journal of Materials Processing Technology,2003,141(3):337-342)所提供的数学模型进行计算，获得的晶粒尺寸d(μm)、成品直径D(mm)与第一机架入口速度v(m·s-1)之间的关系为：
d=(1.18987-0.016625D+3.6339×10-4D2)(10.65676-31.9807v+108.7395v2)；
2)利用轧制过程的应变累计，利用轧后余温直接进行在线固溶处理促使δ相提前析出，使固溶时间由原来的1h减少为30min，避免因高温长时停留引起的晶粒长大。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
1、该项技术使最终产品性能在满足国家标准的基础上强度有所提高；
2、产品的组织性能可通过轧制工艺参数的控制进行合理调整，其中：最终产品的晶粒尺寸在10～13μm之间通过轧制速度的改变得到有效控制，具有独特的创新性；
3、产品的生产周期有所降低，仅固溶处理可节省时间2h(其中加热环节因利用轧后余温节省1h，保温时间因形变诱导下快速析出节省1h)；
4、降低了高温合金热轧棒材的制造成本，具有显著的经济效益。
附图说明
图1为直径23mmGH4169圆钢的金相组织图。
图2为直径45mmGH4169圆钢的金相组织图。
具体实施方式
以下结合具体实施例详述本发明，但本发明不局限于下述实施例。
实施例一
以直径为23毫米规格的GH4169圆钢为例，合金的化学成分如表1所示，粗轧80mm×80mm热坯经隧道式加热炉进行1050±10℃×10min的温度补偿加热，以0.35m·s-1的第一机架入口速度进入连轧机组，经过14个道次的连续轧制，其晶粒尺寸如图1所示约13μm，在线固溶+时效处理后，其性能如表2的第2组所示。表2数据表明，GH4169合金棒材在空冷(第1组)和在线固溶两种冷却方式下的各项性能都满足标准《转动部件用高温合金热轧棒材GB/T14993.1994》，棒材在在线固溶方式下的室温拉伸性能、布氏硬度和高温(650℃)拉伸性能明显高于空冷方式下的检测结果；材料在650℃和690MPa的拉应力下的持久时间(τ)达到90h以上，低于空冷条件下的，但明显高于标准要求。
表1GH4169合金化学成分
表2GH4169合金力学性能
Figure BDA00003217547000032
实施例二
以直径为45毫米规格的GH4169圆钢为例，合金的化学成分如表1所示，粗轧80mm×80mm热坯经隧道式加热炉进行1050±10℃×10min的温度补偿加热，以0.25m·s-1的第一机架入口速度进入连轧机组，经过6个道次的连续轧制，其晶粒尺寸如图2所示约11μm，在线固溶+时效处理后，其性能如表3所示。表3各项指标与表2中第2组指标接近，表明采用该项技术，产品的性能可得到有效控制；同时，由于晶粒尺寸的进一步细化(13μm→11μm)，其各项强度指标略高于表2中第2组指标，表明产品的组织性能可通过轧制速度的改变进行有效调整。
表3GH4169合金力学性能
Figure BDA00003217547000033
Figure BDA00003217547000041
表2与表3表明：经过本发明的工艺技术生产的GH4169合金棒材，断面晶粒均匀细小、第二相在晶界弥散析出，产品在室温下的抗拉强度(Rm)、屈服强度(Rp0.2)、断面收缩率(A)和延伸率(Z)分别介于1400～1500MPa、1250～1350MPa、20～25%、45～50%，650℃下的抗拉强度、屈服强度、断面收缩率和延伸率分别高于1150MPa、1000MPa、20%、40%，明显高于普通空冷方式下的检测结果。
本发明根据国家标准《转动部件用高温合金热轧棒材GB/T14993.1994》对热轧GH4169合金棒材的技术要求，提出与传统横列式轧机低温慢速轧制以第二相晶界析出抑制晶粒长大不同的新工艺，即利用高温轧制过程的动态再结晶和轧制间歇的亚动态再结晶来细化晶粒，利用轧后余温直接进行温度补偿加热完成在线固溶处理，并利用轧制过程的累积形变促使第二相快速析出，即通过减少加热和保温时间来防止晶粒长大的生产技术。对比现有GH4169合金棒材的热轧工艺技术，本发明提出的工艺综合了控制轧制技术和控制冷却技术来实现轧制及其轧后热处理过程的晶粒细化与尺寸控制，在满足新国家标准要求的基础上提高了产品的高低温强度，同时提高了产品的生产效率，降低了生产成本，具有显著的经济效益。本发明为航天航空用热轧高温合金的生产提供了一种新的工艺技术。

Claims (1)

1.一种细晶高强度GH4169合金的热轧生产方法，利用粗轧坯料，通过加热、轧制和冷却过程生产直径为20到45毫米的热轧棒材，其特征在于，该方法通过控制热连轧机组的轧制速度即控制轧制过程的动态与亚动态再结晶实现晶粒的细化及其晶粒尺寸控制，利用轧后余温直接进行温度补偿加热完成在线固溶处理，并利用轧制过程的累积形变促使第二相快速析出缩短固溶时间抑制加热和保温过程的晶粒长大，进而获得细晶高强度高温合金，其中：
a、粗轧热坯补偿加热温度控制在1050±10℃，保温时间控制在10min；
b、轧机的轧制速度以第一机架入口速度为基准控制在0.14～0.4m·s-1；
c、在线固溶的温度控制为950～980℃，保温时间为30min。
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