CN103302214B - 一种难变形镍基高温合金超塑性成形方法 - Google Patents

一种难变形镍基高温合金超塑性成形方法 Download PDF

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姚志浩
于秋颖
董建新
张麦仓
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本发明一种难变形高温合金超塑性成形方法,它涉及一种难变形镍基高温合金超塑性成形工艺方法,本发明是要解决现有的制备高强化相含量的难变形镍基高温合金成形困难,变形抗力大、易开裂及再结晶困难等问题。本发明中一种实现难变形镍基高温合金超塑性成形方法通过如下步骤来实现:一、等温条件下进行锻造;二、亚固溶温度变形;三、应变速率为0.0001-0.005s-1范围。采用本发明方法可以将难变形高温合金热变形更加容易,进而达到超塑性成形。本发明可应用于航空航天领域镍基高温合金涡轮盘的制备和其他高温环境下使用的高温盘锻件制备。

Description

一种难变形镍基高温合金超塑性成形方法
技术领域
[0001] 本发明属于锻造技术领域,特别是提供了一种制备难变形高温合金饼坯盘件等超塑性成形方法。
背景技术
[0002] 提高涡轮部件的耐热能力是发展先进燃气涡轮发动机的重要基础。当前,可工程应用的变形高温合金中,使用温度最高的新型难变形镍基高温合金Al、Ti含量之和高达7.5%,加之其合金化程度高,致使锻造成形性能有待提高。发掘切实可行的科学方法与理论,优化其变形参数获得超塑性变形工艺并揭示其变形机理,实现准确的组织性能预报,一直是众多科研工作者追求的目标[于秋颖,董建新,张麦仓,郑磊.难变形高温合金GH4720Li平衡析出相的热力学计算.稀有金属材料与工程,2010, 39(5): 857~861;]。
[0003] GH4720Li合金(国外牌号Udimet720Li)是美国Special Metal公司于上世纪80年代中期通过降低Udimet720合金中Cr、C和B的含量减少有害σ相的析出及碳化物、硼化物和碳氮化合物的形成以提高组织稳定性而发展起来的,早期主要用作燃气涡轮叶片材料;随着高性能发动机及材料加工制备技术的发展,该合金因具有较高的高温强度、抗疲劳和抗蠕变性能以及良好的耐硫腐蚀和抗氧化性能而逐渐用作650~750°C长期使用或900°C短期使用的高性能涡轮盘材料。目前,美国等已将其广泛应用于先进的航空发动机中,如Rolls-Royce 公司的 BR700 涡扇发动机及 Allison 公司的 GMA2100、GMA3007、T406 和 T800等高性能航空发动机,其中T800发动机装配在美国RAH-66 “科曼奇”先进武装直升机上。
[0004] 该合金主要形成元素Al和Ti含量高达7.5wt%, Y 0相在服役状态下体积分数高达40%~50%,因此,Y 0相是提供GH4720Li合金强化的最主要途径,对合金性能以及热加工行为具有重要影响。该合金服役条件下(经1100°C /4h/0Q+650°C / 24h/AC+760°C /16h/AC标准热处理后)的Y 0相组织比较复杂,呈三种尺寸分布状态。一次¥0相是亚固溶处理后残存的不规则大块状Y彡相,尺寸一般在1~10 μ m,主要钉扎于晶界,起到阻碍晶粒长大的作用。因而在一次Y 0相大量存在的条件下,合金晶粒非常细小,晶粒度级别一般在ASTM8~12级。因此,在分析固溶处理对强化相影响时,应该在一次Y彡相完全回溶温度以上和以下分别考虑,以便控制合金的强化相与晶粒度。二次和三次¥0相在冷却过程中析出,并在时效过程中有所长大,主要分布于晶内,起到弥散强化的作用[Jackson M P, Reed RC.Heat treatment of UDIMET 720L1: the effect of microstructure on properties.Materials Science and Engineering A, 1999, 259: 85〜97]。
[0005] 然而,由于该合金作为一种典型的难变形高温合金,其合金化程度高,变形抗力大,可变形温度窄,因此热加工时成型难度很大;对涡轮盘件来说,往往因为锻造原因造成锻造盘件出现裂纹、严重混晶及晶粒尺寸超标的现象,从而造成涡轮盘件报废,造成巨大的经济损失,甚至造成运转设备及人员的重大损失。锻造温度过低,则造成合金盘件产生锻造裂纹。温度的控制不当,势必对组织性能造成较大影响。与此同时,变形速率、变形量及保温措施等对合金组织也可产生重要影响[Lindsley B, Pierron X.Sub-solvus recrystallizat1n mechanisms in UDIMET alloy 720L1.1n: Pollock T M,Kissinger R D, Bowman R R, eds.Proceeding of the 9th Internat1nal Symposiumon superalloy, Superalloy 2000, TMSj Warrendalej PA, 2000, 59〜68; Matsui T,Takizawa H,Kikuchi H.The microstructure predict1n of alloy720Li for turbinedisk applicat1n.1n: Pollock T M, Kissinger R D, Bowman R R, eds.Proceedingof the 9th Internat1nal Symposium on superalloy, Superalloy 2000, TMSjWarrendalej PA, 2000, 59〜68]。
[0006] 因此,综合考虑合金变形过程中的变形工艺参数,实现难变形合金易变形化,较为必要和重要。在各种加工成形方法中,超塑性成形以塑性高、变形抗力小、可一次精密成形、模具寿命长、成形零件质量好等优点受到关注,该成形技术已在IN100、Inconel718、Waspaloy等多种高温合金上得到成功应用。因此,借助超塑成形工艺实现新型难变形镍基高温合金的易成型能力,是本发明要解决的目标之一。由于超塑性材料应力对应变速率的高敏感性,才有效抑制了超塑变形中的变形失稳,从而使超塑变形材料具有较大的变形能力。研究显示,一般细晶超塑变形的实现需要等轴微细晶粒、适当的温度(T>
0.5Tm, Tm为熔化温度)和特定的变形速率范围(m > 0.3) [Sczerzenie F E, Maurer GE.Development of Udimet 720 for high strength disk applicat1n[C].1n: GellM, Kortovich C S, Brickmell R H, eds.Proceeding of the 5th Internat1nalSymposium on Superalloy, Superalloy 1984, TMS, Warrendale, PA, 1984, 573-580]„
[0007] 为此,该难变形高温合金超塑性成形方法变成了当前研究的重点,也是本发明中的重要内容。该方法的发明,可实现难变形合金超塑性成形,对航空航天750°C高温涡轮盘的快速发展将起到巨大作用。
发明内容
[0008] 本发明的目的是要解决现有的制备一种难变形高温合金锻件工艺复杂、效率低和难于获得质量好、晶粒度分布均匀、无表面裂纹的问题。从而提出了一种实现难变形高温合金超塑性成形控制工艺。
[0009] 本发明的技术方案是:一种难变形镍基高温合金超塑性成形方法,具体包括以下步骤:
[0010] I)预先准备锻造合金坯料,合金坯料初始晶粒度小于10 μ m,且成近等轴晶状态存在,备用;
[0011] 2)选用锻压设备和锻压模具,所选用模具材料须能够在1150°c和锻造变形时蠕变强度高于所述锻造合金坯料强度;
[0012] 3)利用保温棉和不锈钢对所述锻造合金坯料进行包套;
[0013] 4)将包套好的合金坯料加热至1040-1120°C,保温时间控制在1_16小时;
[0014] 5)将坯料在锻压设备上进行等温锻造,确定锻压温度在1040-112(TC (合金一般在Y 0相全溶温度以下进行,以防止晶粒长大过快),同时,变形速率在0.0001-0.ΟΟδίΓ1范围内,变形量大于50%进行锻压,锻压完成后空冷。
[0015] 进一步,所述难变形镍基高温合金材料的成分按照质量百分比为:C:0.01-0.02 ;Al:2.25-2.75 ;T1:4.75-5.25 ;Co:14.0-15.5 ;Cr:15.5-16.5 ;Mo:2.75-3.25 ;ff:1.0-l.5 ;Fe ^ 0.5 ;B:0.01-0.02 ;Zr:0.025-0.05 ;S ( 0.002 ;P ( 0.015 ;Ni 余量。
[0016] 经过上述方法锻造可实现难变形镍基高温合金超塑性成形,适用于制造航空航天发动机涡轮盘件、环形件及叶片等高温热端部件的超塑性成形。
[0017] 本发明提供了一种难变形高温合金超塑性成形方法,利用该技术工艺方法可超塑性制备各种尺寸的难变形高温合金部件。本发明其他的特点将在后面对实例的详细介绍中体现,但本发明的范围不局限于此优选实施例。
附图说明
[0018] 图1为本发明实施例1中难变形高温合金初始组织形貌(a)晶粒组织;(b)强化相形貌。
[0019] 图2为本发明实施例1中超塑性成形与非超塑性成形应力对比。
[0020] 图3为实施例1中难变形高温合金超塑性变形后晶粒组织形貌。
具体实施方式
[0021] 下面将结合附图和实施例对本发明进一步的详细说明。
[0022] 实施例1:以锻造Φ180_饼坯为例,本实施例提出一种实现难变形高温合金超塑性成形工艺方法,其特征在于具体包括以下步骤:
[0023]步骤 1:
[0024] I)锻造坯料的准备,坯料是由Y 0相或与其相关强化的变形镍基高温合金。本优选实施例采用GH4720Li合金,将规则的Φ 10mmX 240mm圆柱型棒坯料进行硬包套,其初始晶粒尺寸为 8 μ m,且主要化学成分为 C:0.01 ;A1:2.35 ;T1:4.95 ;Co:15.0 ;Cr:16.0 ;Mo:3.05 ;ff:1.2 ;Fe:0.2 ;B:0.015 ;Zr:0.035 ;S:0.001 ;P:0.01 ;Ni 余量;
[0025] 2)选用液压机设备和锻压模具,所选用模具材料(高温合金C:0.01,Cr:16.LAl:6.2,Mo:9.1, W:6.2,Ta:3.1,Hf:3.2,Ti:2.9,B:0.15,S:0.001,Ni 余量)能够在 1150。。以下和锻造变形下强度高于本镍基高温合金;
[0026] 3)利用保温棉及不锈钢对锻压坯料进行包套;a.首先采用保温棉将棒料牢固地包裹好棒料;b.然后用裁剪好的不锈钢板(厚度0.8mm)在保温棉外侧进行硬包套,并将连接处焊牢;
[0027] 4)将包套好的坯料加热至锻造规定温度,根据锻压合金的成分和坯料尺寸确定保温时间,以上实施例中坯料加热为15小时;
[0028] 5)将坯料在锻压设备上进行等温锻造,确定锻压温度在1050°C,同时,变形速率在
0.001s—1,变形量55%进行锻压,获得了超塑性成形的饼坯,锻压完成后空冷。
[0029] 锻压完成后,其他后续加工工作包括清理,机加工等为下一步模锻盘件做好准备。
[0030] 实施例2:以锻造Φ180πιπι饼坯为例,本实施例提出一种实现难变形高温合金超塑性成形工艺方法,其特征在于具体包括以下步骤:
[0031]步骤 1:
[0032] 6)锻造坯料的准备,坯料是由Y 0相或与其相关强化的变形镍基高温合金。本优选实施例采用GH4720Li合金,将规则的Φ 10mmX 240mm圆柱型棒坯料进行硬包套,其初始晶粒尺寸为 8 μ m,且主要化学成分为 C:0.0125 ;A1:2.25 ;T1:5.25 ;Co:15.5 ;Cr:16.5 ;Mo:2.75 ;ff:1.5 ;Fe:0.2 ;B:0.015 ;Zr:0.035 ;S:0.001 ;P:0.01 ;Ni 余量;
[0033] 7)选用液压机设备和锻压模具,所选用模具材料(高温合金C:0.01,Cr:16.LAl:
6.2,Mo:9.1, W:6.2,Ta:3.1,Hf:3.2,Ti:2.9,B:0.15,S:0.001,Ni 余量)能够在 1150。。以下和锻造变形下强度高于本镍基高温合金;
[0034] 8)利用保温棉及不锈钢对锻压坯料进行包套;a.首先采用保温棉将棒料牢固地包裹好棒料;b.然后用裁剪好的不锈钢板(厚度0.8mm)在保温棉外侧进行硬包套,并将连接处焊牢;
[0035] 9)将包套好的坯料加热至锻造规定温度,根据锻压合金的成分和坯料尺寸确定保温时间,以上实施例中坯料加热为15小时;
[0036] 10)将坯料在锻压设备上进行等温锻造,确定锻压温度在1100°C,同时,变形速率在0.0025^,变形量65%进行锻压,获得了超塑性成形的饼坯,锻压完成后空冷。
[0037] 锻压完成后,其他后续加工工作包括清理,机加工等为下一步模锻盘件做好准备。
[0038] 实施例3:以锻造Φ180πιπι饼坯为例,本实施例提出一种实现难变形高温合金超塑性成形工艺方法,其特征在于具体包括以下步骤:
[0039]步骤 1:
[0040] 11)锻造坯料的准备,坯料是由Y 0相或与其相关强化的变形镍基高温合金。本优选实施例采用GH4720Li合金,将规则的Φ 10mmX 240mm圆柱型棒坯料进行硬包套,其初始晶粒尺寸为 8 μ m,且主要化学成分为 C:0.015 ;A1:2.75 ;T1:4.75 ;Co:14.0 ;Cr:15.5 ;Mo:3.25 ;ff:1 ;Fe:0.2 ;B:0.015 ;Zr:0.035 ;S:0.001 ;P:0.01 ;Ni 余量;
[0041] 12)选用液压机设备和锻压模具,所选用模具材料(高温合金C:0.01,Cr:16.1,Al:6.2,Mo:9.1,W:6.2,Ta:3.1,Hf:3.2,Ti:2.9,B:0.15,S:0.001,Ni 余量)能够在1150°C以下和锻造变形下强度高于本镍基高温合金;
[0042] 13)利用保温棉及不锈钢对锻压坯料进行包套;a.首先采用保温棉将棒料牢固地包裹好棒料;b.然后用裁剪好的不锈钢板(厚度0.8mm)在保温棉外侧进行硬包套,并将连接处焊牢;
[0043] 14)将包套好的坯料加热至锻造规定温度,根据锻压合金的成分和坯料尺寸确定保温时间,以上实施例中坯料加热为15小时;
[0044] 15)将坯料在锻压设备上进行等温锻造,确定锻压温度在1120°C,同时,变形速率在0.005s—1,变形量75%进行锻压,获得了超塑性成形的饼坯,锻压完成后空冷。
[0045] 锻压完成后,其他后续加工工作包括清理,机加工等为下一步模锻盘件做好准备。
[0046] 本发明不局限于本说明书中所列的特殊具体实施例,可以进行各种改变和修正,而不背离所附权利要求书中定义新概念的宗旨和范围。

Claims (1)

1.一种难变形镍基高温合金超塑性成形方法,其特征在于,该方法通过等温锻造在一定变形速率下可实现难变形镍基高温合金成形,同时促进合金变形再结晶过程及降低合金裂纹开裂敏感性,具体步骤如下: 预先准备锻造难变形镍基高温合金坯料,难变形镍基高温合金的坯料初始晶粒度小于.10 μ m,且成近等轴晶状态存在,备用; 选用锻压设备和锻压模具,所选用模具材料须能够在1150°C和锻造变形时蠕变强度高于所述难变形镍基高温合金的坯料强度; 利用保温棉和不锈钢对所述难变形镍基高温合金的坯料进行包套; 将包套好的难变形镍基高温合金的坯料加热至1040-1120°C,保温时间控制在1-16小时; 再将难变形镍基高温合金的坯料置于锻压设备上的锻压模具内,在温度为.1040-1120°C进行等温锻造,控制变形速率在0.001-0.005s_1,变形量大于50%进行锻压,锻压完成后空冷;其中,所述难变形镍基高温合金的各个成分的质量百分比为:C:0.01-0.015 ;A1:2.25-2.75 ;T1:4.75-5.25 ;Co:14.0-15.5 ;Cr:15.5-16.5 ;Mo:.2.75-3.25 ;ff:1.0-1.5 ;Fe ^ 0.5 ;B:0.01-0.02 ;Zr:0.025-0.05 ;S ( 0.002 ;P ( 0.015 ;Ni余量。
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