CN105195541B - 超临界电站汽轮机叶片用gh4738合金细晶坯制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种超临界电站汽轮机叶片用GH4738合金细晶坯制备方法，针对GH4738合金铸锭自由锻制坯过程的温度场和变形速率难以满足该合金变形参数敏感程度高的要求、微观组织均匀化程度低的技术现状，用挤压方法制坯替代原有自由锻开坯方式。将GH4738合金铸锭加热到再结晶温度以上进行挤压变形，利用挤压变形的三向压应力状态提高铸锭的塑形，使其发挥最大的塑形变形，通过大挤压比的变形改善细化晶粒，采用包套技术减少铸锭转移及挤压变形时的温降，精确控制挤压速率，利用温升效应促使合金始终处于合适的温度场中进行热变形，制备出晶粒细小及微观组织均匀化程度高的合金挤压棒材。

Description

超临界电站汽轮机叶片用GH4738合金细晶坯制备方法

技术领域

本发明涉及冶金行业镍基变形高温合金的热加工开坯方法，尤其是指难变形高温合金的锻造开坯方法的超临界电站汽轮机叶片用GH4738合金细晶坯制备方法。

背景技术

中国经济的快速发展和人民生活水平的不断提高需要电力供应的持续增长来满足其需求。为了提高热效率，减少CO₂，SO_X和NO_X的排放，国家正大力发展超超临界机组来达到“高效低耗”的目的。12%Cr耐热钢常被用作汽轮机的各级转子及动叶，考虑到超超临界电厂的长期服役，12%Cr钢已不能满足这一严格要求，鉴于镍基高温合金具有良好的耐蚀性能和高温持久强度，在汽轮机行业中选用了GH80A镍基高温合金作为600℃超超临界汽轮机的叶片等重要部件材料。随着汽轮机蒸汽参数的提高，叶片使用温度提高到650℃以上，从而GH4738合金则作为叶片材料的首选。[赵志成.超临界与超超临界汽轮机耐热钢的研究进展[J].钢铁研究学报，2007，19(9)：1-4]

超超临界汽轮机叶片的技术要求非常严格。汽轮机叶片的传统制造工艺为铣削后直接作为叶片使用，而电力工业的飞速发展不仅要求叶片外观质量好，尺寸精确，而且还要求叶片的内部组织控制，金属流线分布合理，所以，为了提高合金材料利用率和叶片的使用性能，如何提高合金棒材显微组织均匀性并细化晶粒具有重要意义[黄瓯.我国超超临界汽轮机的发展方向[J].热力透平，2004，33(1)：4-6，45.]。

Waspaloy合金(我国称GH864合金或GH4738合金)是Special Metal公司于1952年在New Hartford第一次利用真空冶炼方法研制成功的高温合金，该合金具有良好的强韧化匹配，在760℃以下具有高的拉伸和持久强度，在870℃以下具有良好的抗氧化性能，广泛装备于航空航天、石油化工领域设备以及各种热端部件，如燃气/烟气轮机涡轮盘、环形件、叶片及紧固件等[Kumar V Siva, Kelekanjeri G, Moss Lewis K, et al. Quantificationof the coarsening kinetics of γ' precipitates in Waspaloy microstructureswith different prior homogenizing treatments[J]. Acta Materialia, 2009, 57:4658-4670].。

目前，铸锭开坯一般采用自由锻+径锻技术对合金棒材进行制坯，由于国外在基础理论水平和工艺过程控制的先进性，该制坯工艺已经取得了很大成功，有效降低了研制及生产成本。国内正在对超超临界汽轮机叶片材料生产展开研究，从技术上效仿地采用了铸锭在快锻机上进行自由锻开坯制备棒材，该工艺制得的坯料虽然具有较为均匀的晶粒度，但是在后续的锻造过程中，却很容易造成锻件开裂、晶粒不均匀分布及力学性能不达标等问题，这是由于GH4738合金的高合金化程度导致其对变形温度和变形速率及其敏感，导致温度场不均匀，锻造速率不一致等原因，造成制得的坯料存在大量微观组织不均匀现象，研制成本大幅度上升。

故而，本发明针对GH4738合金铸锭自由锻制坯过程的温度场和变形速率难以满足该合金变形参数敏感程度高的要求、微观组织均匀化程度低的技术现状，用挤压方法制坯替代原有自由锻开坯方式。本方法将GH4738合金铸锭加热到再结晶温度以上进行挤压变形，利用挤压变形的三向压应力状态提高铸锭的塑形，使其发挥最大的塑形变形，通过大挤压比的变形改善细化晶粒，采用包套技术减少铸锭转移及挤压变形时的温降，精确控制挤压速率，利用温升效应促使合金始终处于合适的温度场中进行热变形，制备出晶粒细小及微观组织均匀化程度高的合金挤压棒材。本发明可应用于生产GH4738合金细晶坯制备棒坯的方法。

发明内容

为了弥补这样的缺陷，本发明利用铸锭热挤压技术对GH4738铸锻高温合金的制坯工艺开展了研究和探索，设计了提供了一种GH4738合金铸锭热挤压制坯方法，其目的是提供一种晶粒组织细小，微观组织均匀化程度高的合金材料，以便于后续切削GH4738合金叶片。

本发明的技术方案是：一种超临界电站汽轮机叶片用GH4738合金细晶坯制备方法，该细晶坯制备方法步骤如下：

步骤1：首先对经过均匀化处理后的GH4738合金铸锭进行包套，铸锭经过吹砂、表面涂覆玻璃润滑剂后装入钢包套内，焊合后形成预制挤压坯；

步骤2：将步骤1处理得到的预制挤压坯加热到1060 ℃ ~ 1090 ℃，进行保温，保温时间为t_保温时间， 备用；

步骤3：模具加热：

将模具加热到500 ℃，进行保温，模具保温时间不小于6h；并在热挤压前在模具型腔内表面均匀涂抹石墨润滑剂，备用；

步骤4：将步骤2得到预制挤压坯放入步骤3加热后模具型腔中，预制挤压坯转移时间该控制在1min之内，放入挤压垫后进行热挤压，挤压速度为100~120mm/s，挤压比为6-9；将挤压后的棒材置于空气中自然冷却；挤压棒材冷却后，吹砂，并采用机加工方法去除包套得到坯料。

进一步，所述步骤2中的预制坯保温时间通过以下公式计算得到，公式如下：

t_保温时间=d_{预制挤压坯直径}×1.6 min/mm ，

式中：t_保温时间=为铸锭保温时间，min；d_{预制挤压坯直径}=为铸锭直径，mm。

进一步，所述的包套由08F碳钢制成成，其壁厚为10-15mm；所述GH4738合金铸锭的直径尺寸小于包套直径1mm。

上述方法中，所述的铸锭热挤压工艺，与现有技术相比，本发明具有特点和有益效果是：

本发明主要针对GH4738合金铸锭自由锻制坯过程中温度场和变形速率难以满足合金对变形参数敏感程度高的要求、微观组织均匀程度低等技术现状，用热挤压方法制坯以代替原有的自由锻制坯方式，回避了国内在自由锻制坯工艺技术的不足。

本发明方法的基本原理是将GH4738合金铸锭加热到再结晶温度以上进行热挤压变形，利用热挤压变形的三向压应力状态提高铸锭的塑形，使其发挥最大的塑形变形以细化晶粒。采用包套技术减少铸锭转移及挤压变形时的温降，精确控制挤压速率，利用温升效应促使GH4738合金始终处于合适的温度场中进行变形，制备出外观质量完整、晶粒细小及微观组织均匀程度高的GH4738合金挤压棒材。

与国内铸锭在快锻机上进行自由锻开坯制备棒材的工艺方法相比，其优点主要体现在：

第一，热挤压变形时，模腔内铸锭温度较高并且处于强烈三向压应力状态，可有效提高合金塑形，变形的宏观均匀化程度高；

第二，通过热挤压变形，以达到改善材料组织，细化晶粒，制备出外观质量完整的GH4738合金热挤压棒材；

第三，由于热挤压速率和温度均可以精确控制，制得的GH4738合金坯料的微观组织均匀化程度高。

附图说明

图1为本发明实施例1中挤压温度1060℃棒材横截面晶粒度组织。

图2为本发明实施例1中挤压棒材强化相分布规律。

图3为本发明实施例2中挤压温度1090℃棒材横截面晶粒度组织。

图4为本发明实施例2中挤压温度1150℃棒材横截面晶粒度组织。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

一种超超临界电站汽轮机叶片用GH4738合金细晶坯制备方法步骤如下：

（1）. 对经过均匀化处理后的GH4738合金铸锭进行包套：

将均匀化后的Φ200mm铸锭经过吹砂、表面涂覆玻璃润滑剂后装入08F钢包套内，焊合后形成预制挤压坯；

（2）. 预制挤压坯加热：

预制挤压坯加热到1060 ℃，进行保温320min，预制坯保温时间按以下公式计算：

t_保温时间=d_{预制挤压坯直径}（200mm）×1.6 min/mm = 320 min

式中：t_保温时间=为铸锭保温时间，min；d_{预制挤压坯直径}=为铸锭直径，mm；

（3）模具加热：

将模具加热到500 ℃，进行保温，模具保温时间为6h；并热挤压前在模具型腔内表面均匀涂抹石墨润滑剂；

（4）将预制挤压坯快速放入模具型腔中，预制挤压坯转移时间控制在1min之内，放入挤压垫后进行热挤压，挤压速度为100mm/s，挤压比为6；将挤压后的棒材置于空气中自然冷却；挤压棒材冷却后，吹砂，并采用机加工方法去除包套得到坯料。

将获得的开坯棒料进行金相分析，其棒材横截面晶粒组织如图1所示，结果表明：该棒坯的晶粒组织均匀细小，晶粒度尺寸为20μm；其强化相分布均匀细小，如图2所示，总之，该棒材经过挤压后获得了均匀细小组织的棒坯，为最终超超临界汽轮机组叶片的加工提供了保证。

实施例2

一种GH4738镍基高温合金大锭型开坯方法步骤如下：

（1）. 对经过均匀化处理后的GH4738合金铸锭进行包套：

将均匀化后的Φ200mm铸锭经过吹砂、表面涂覆玻璃润滑剂后装入08F钢包套内，焊合后形成预制挤压坯；

（2）. 预制挤压坯加热：

预制挤压坯加热到 1090 ℃，进行保温，预制坯保温时间按以下公式计算：

t_保温时间=d_{预制挤压坯直径}（200mm）×1.6 min/mm = 320 min

式中：t_保温时间=为铸锭保温时间，min；d_{预制挤压坯直径}=为铸锭直径，mm；

（3）模具加热：

将模具加热到500 ℃，进行保温，模具保温时间为6h；并热挤压前在模具型腔内表面均匀涂抹石墨润滑剂；

（4）将预制挤压坯快速放入模具型腔中，预制挤压坯转移时间应该控制在1min之内，放入挤压垫后进行热挤压，挤压速度为100mm/s，挤压比为6；将挤压后的棒材置于空气中自然冷却；挤压棒材冷却后，吹砂，并采用机加工方法去除包套得到坯料。

将经过挤压开坯后的棒料进行金相分析，其棒材横截面处晶粒组织，如图3所示。该棒坯的晶粒组织均匀，晶粒度尺寸为50μm，较之实施例1中挤压温度提高30 ℃，晶粒尺寸有所增加，但整个界面保持均匀，同样，可为超超临界汽轮机用叶片提供合格的棒料产品。

实施例3

一种超超临界电站汽轮机叶片用GH4738合金细晶坯制备方法步骤如下：：

（1）. 对经过均匀化处理后的GH4738合金铸锭进行包套：

将均匀化后的Φ200mm铸锭经过吹砂、表面涂覆玻璃润滑剂后装入08F钢包套内，焊合后形成预制挤压坯；

（2）. 预制挤压坯加热：

预制挤压坯加热到1150 ℃，进行保温，预制坯保温时间按以下公式计算：

t_保温时间=d_{预制挤压坯直径}×1.6 min/mm= 320 min

式中：t_保温时间=为铸锭保温时间，min；d_{预制挤压坯直径}=为铸锭直径，mm；

（3）模具加热：

将模具加热到500 ℃，进行保温，模具保温时间6h；并热挤压前在模具型腔内表面均匀涂抹石墨润滑剂；

（4）将预制挤压坯快速放入模具型腔中，预制挤压坯转移时间应该控制在1min之内，放入挤压垫后进行热挤压，挤压速度为100mm/s，挤压比为6；将挤压后的棒材置于空气中自然冷却；挤压棒材冷却后，吹砂，并采用机加工方法去除包套得到坯料。

经过以上工艺挤压后的合金显微组织如图4所示，可以发现挤压温度提高后，合金晶粒尺寸明显提高，其晶粒尺寸约为100μm，虽然晶粒尺寸分布均匀，但不适于汽轮机叶片用合金材料的晶粒级别。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效形成的技术方法，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种超临界电站汽轮机叶片用GH4738合金细晶坯制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：首先对经过均匀化处理后的GH4738合金铸锭进行包套，铸锭经过吹砂、表面涂覆玻璃润滑剂后装入钢包套内，焊合后形成预制挤压坯；

步骤2：将步骤1处理得到的预制挤压坯加热到1060 ℃ ~ 1090 ℃，进行保温，保温时间为t_保温时间， 备用；

步骤3：模具加热：

将模具加热到500 ℃，进行保温，模具保温时间不小于6h；并在热挤压前在模具型腔内表面均匀涂抹石墨润滑剂，备用；

步骤4：将步骤2得到预制挤压坯放入步骤3加热后模具型腔中，预制挤压坯转移时间控制在1min之内，放入挤压垫后进行热挤压，挤压速度为100~120mm/s，挤压比为6-9；将挤压后的棒材置于空气中自然冷却；挤压棒材冷却后，吹砂，并采用机加工方法去除包套得到坯料。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中的预制挤压坯保温时间通过以下公式计算得到，公式如下：

t_保温时间=d_{预制挤压坯直径}×1.6 min/mm ，

式中：t_保温时间=为铸锭保温时间，min；d_{预制挤压坯直径}=为铸锭直径，mm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的包套由08F碳钢制成，其壁厚为10-15mm；所述GH4738合金铸锭的直径尺寸小于包套直径1mm。