CN106929783B - 一种高温合金gh984g18热加工工艺的制定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及热加工工艺领域，具体为一种高温合金GH984G18热加工工艺的制定方法，可避免热加工后产生粗晶、混晶和裂纹等缺陷，为制定实际工件的锻造、轧制(挤压)工艺提供理论指导。将GH984G18合金试样以20℃/s的升温速率加热到1200℃保温3min；以10℃/s的速率冷却至800‑1200℃，在变形温度保温30s后以0.01‑10s‑1的变形速率进行热压缩，过程中温度保持恒定，当变形量达到20％‑70％后立即水淬，保留不同条件的高温变形组织。以热压缩得到的应力应变曲线为基础绘制不同应变的热加工图，根据各热加工图中的能量耗散值可判断热加工的最佳加工区域、安全区和失稳区域，从而得到不同变形程度时获得最佳变形组织的热加工条件，通过热加工图中的安全区域和危险区域描述得到具体的热加工工艺窗口。
Description
技术领域
本发明涉及热加工工艺领域，具体为一种高温合金GH984G18热加工工艺的制定方法，从而得到其在不同变形程度下获得最佳变形组织的热加工工艺。
背景技术
电力是当今社会使用的主要能源，是国民经济发展的支柱。然而，随着经济的发展，火力发电量的增加也给我国资源和环境带来巨大压力，资源枯竭和环境恶化成为制约我国经济发展的主要问题之一，造成难以解决的恶性循环。因此，提高火电厂的发电效率，减少煤耗，对节约能源、降低发电成本和污染物排放具有重大意义。因此，世界各国纷纷提出各自的先进超超临界火电机组(A-USC)，我国也提出建设700℃A-USC机组。火电机组效率主要取决于机组的参数，即蒸汽的压力和温度，而机组参数的提高，受制于耐高温材料的开发与制造。火电机组的关键材料是锅炉过热器和再热器管材，传统用于超超临界锅炉的铁素体和奥氏体钢已不能满足要求，开发满足700℃A-USC过热管和再热管材料成为目前的研究热点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高温合金GH984G18热加工工艺的制定方法，通过热模拟实验，确定材料在不同温度、应变速率下的可加工范围，分析不同的变形工艺参数对合金变形组织的影响，得到一种高温合金GH984G18热加工工艺窗口，为制定实际工件的锻造、轧制(挤压)工艺提供理论指导。
本发明的技术方案为：
一种高温合金GH984G18热加工工艺的制定方法，按重量百分含量计，该高温合金的化学成分为，C：0.04，B：0.006，P：0.02，Cr：22，Mo：2.2，Nb：1.2，Al：1.0，Ti：1.3，Fe：20，Ni：余量，较传统的GH984合金成分进行了较大的调整，增加了Ni、Cr、Al含量，降低了Fe含量。首先将GH984G18合金试样以20℃/s的升温速率加热到1200℃保温3min，然后以10℃/s的速率冷却至800-1200℃，在变形温度保温30s后以0.01-10s-1的变形速率进行热压缩，过程中温度保持恒定，当变形量达到20％-70％后立即水淬，将不同条件的高温组织保留下来。
以热压缩得到的应力应变曲线为基础绘制不同应变条件的热加工图，得到不同变形程度时获得最佳变形组织的热加工条件，从而得到具体的热加工工艺窗口为：
本发明的模型原理说明：
热加工图的建立主要基于动态材料模型绘制出来的图形，能够反映在各种变形温度和应变速率下材料变形时内部微观组织的变化机制，并且可对材料的可加工性进行评估。
模型认为，承受变形的零件是一个非线性能量耗散单元。外力对零件输入的能量主要贡献在两个方面：
1)塑性变形引起的能量耗散，大部分转化为热量；
2)微观组织演变所消耗的能量。由于塑性变形而耗散的能量用G表示，由微观组织演变而耗散的能量用J表示。热变形过程中，单位体积材料的瞬时吸收功率P可表示为：
式中，为应变速率，σ为流动应力。
而应变速率敏感性指数m可认为是两部分能量J与G的分配系数，即：
在一定的变形温度和应变下，热变形过程中的流动应力为J可以表示成：
对于理想的线性耗散过程，对于非线性耗散过程，能量消耗效率可表示为：
式中：m为应变速率敏感指数；η为功率耗散因子。
η值越高，对应的动态再结晶更有利于热变形，使得材料的工艺塑性好，且加工完后还会得到较好的组织。能量消耗效率取决于热变形温度T及应变速率的变化规律即为能量耗散图。
Kumar基于Zeigler的最大熵产生率原理，提出如下关于流动稳定性的判据：
式中，为稳定性函数，在满足(5)式的情况下将发生不稳定的流动过程。把参数作为变形温度和应变速率的函数，计算出各变形温度和应变速率对应的值，即构成非稳定图。同时，将能量耗散图和非稳定图进行叠加，就构成了材料的热加工图。
热加工图是近20多年来发展起来的用于研究金属热变形行为的一种方法，采用热加工图与金相组织相结合的方法能够很好地描述金属在高温变形时的组织演变同塑性变形参数之间的关系。热加工图描绘了塑性加工的安全区和危险区。安全区一般为动态再结晶区、超塑性区、球化区及动态回复区；加工中应避免的区域是空洞区、楔形区、晶界裂纹区、绝热剪切带形成区及局部变形区；最佳加工区域则为完全动态再结晶区。利用加工图可获得优化的热加工参数，获得良好的加工性。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明基于热压缩应力应变曲线，根据动态材料模型建立该合金不同应变时的热加工图，确定不同变形程度的热加工温度范围和应变速率范围，分析不同的变形工艺参数对合金动态再结晶行为的影响，避免出现粗晶、混晶和裂纹缺陷组织，得到获得最佳变形组织的热加工工艺条件。
2、本发明给出了GH984G18高温合金在不同变形程度下的热加工温度范围和应变速率范围，从而可以为实际工件在不同变形程度下的锻造和轧制(挤压)工艺提供理论指导。
3、本发明给出了工件在不同热加工条件下的“安全区”和“非安全区”，可用于挽救由于粗晶、混晶和裂纹缺陷等原因而导致工件判废，减少经济损失。
附图说明
图1(a)-图1(j)分别对应本发明GH984G18合金在应变为ε＝0.1、ε＝0.2、ε＝0.3、ε＝0.4、ε＝0.5、ε＝0.6、ε＝0.7、ε＝0.8、ε＝0.9和ε＝1的热加工图(虚线内部为失稳区)。其中，图1(a)为ε＝0.1；图1(b)为ε＝0.2；图1(c)为ε＝0.3；图1(d)为ε＝0.4；图1(e)为ε＝0.5；图1(f)为ε＝0.6；图1(g)为ε＝0.7；图1(h)为ε＝0.8；图1(i)为ε＝0.9；图1(j)为ε＝1。
图2(a)-图2(e)为本发明应变速率为0.1s-1的变形组织图。其中，图2(a)1000℃、30％、0.1s-1；图2(b)1000℃、60％、0.1s-1；图2(c)1100℃、60％、0.1s-1；图2(d)800℃、60％、0.1s-1；图2(e)900℃、60％、0.1s-1。
具体实施方式
在具体实施过程中，GH984G18合金是Ni-Fe-Cr型高温合金，其优点是高温力学性能和组织稳定性较好，并且合金成本较Inconel617和Inconel740成本低，是未来应用于700℃超超临界火电机组的重要候选材料。为了满足更高的使用温度，当前GH984G18合金的成分较传统的GH984合金成分进行了较大的调整，增加了Ni、Cr、Al含量，降低了Fe含量，采用Ni-Fe-Cr型高温合金常规的方法生产。相应地，材料的热变形行为也发生了变化。热加工图能够很好地描述金属的热变形，以流变失稳准则为函数，在变形温度T和应变速率所构成的区域称为流变失稳图。如果将功率耗散图与流变失稳图叠加就可以得到加工图。在加工图上可以直接显示加工安全区和流变失稳与开裂区域，根据其可对材料的工艺参数进行评估，预测热加工的“安全区”和“非安全区”，进而避免在失稳区域对材料进行热加工。目前，热加工图被广泛用于设计材料的热加工工艺及描述材料的热加工性能。为了更好地制定GH984G18合金的热加工工艺，本发明将通过热模拟实验，确定材料在不同温度、应变速率下的可加工范围，分析不同的变形工艺参数对合金变形组织的影响，为制定实际工件的锻造、轧制(挤压)工艺提供理论指导。具体如下：
首先将GH984G18合金试样以20℃/s的升温速率加热到1200℃保温3min，然后以10℃/s的速率冷却至800-1200℃，在变形温度保温30s后以0.01-10s-1的变形速率进行热压缩，过程中温度保持恒定，当变形量达到20％-70％后立即水淬，获得不同程度再结晶组织。按重量百分含量计，本发明高温合金GH984G18的化学成分为，C：0.04，B：0.006，P：0.02，Cr：22，Mo：2.2，Nb：1.2，Al：1.0，Ti：1.3，Fe：20，Ni：余量。
然后，以热压缩得到的应力应变曲线为基础绘制不同应变条件的热加工图，如图1(a)-图1(j)所示，根据各热加工图中的能量耗散值可判断热加工的最佳加工区域、安全区和失稳区域，从而得到不同变形程度时获得最佳变形组织的热加工条件。通过热加工图中的安全区域和危险区域描述得到具体的热加工工艺窗口为：
下面通过附图和实施例对本发明进一步补充说明。
实施例1
将GH984G18合金试样以20℃/s的升温速率加热到1200℃保温3min，然后以10℃/s的速率冷却至800-1100℃，在变形温度保温30s后以0.1s-1的变形速率进行热压缩，过程中温度保持恒定，当变形量达到20％-60％后立即水淬，使得高温变形组织保留下来。随后将变形后的试样利用线切割沿着平行于压缩方向的中心截面剖开，对截面进行抛光处理，并将试样放入煮沸的9ml浓硫酸+2gKMnO4+90ml水溶液中，保持沸腾20min左右后，利用金相显微镜观察其组织性貌。
如图2(a)-图2(e)所示，分别为应变速率为0.1s-1的变形组织图，它很好地描述了该应变速率下，变形温度和应变量对变形组织的影响。合金以0.1s-1的应变速率热变形，当变形温度和应变量分别达到1000℃和30％时，晶粒度增加，此变形条件下合金开始发生部分动态再结晶，其组织多为混晶组织，如图2(a)所示，混晶现象使材料性能不均匀，力学性能下降。当变形温度为1000℃，应变量为60％时，动态再结晶程度逐渐增大，平均晶粒尺寸减小，但依然存在混晶现象，晶粒尺寸分布不均，存在超大晶粒，对材料的性能产生极大的影响，如图2(b)所示。随着温度继续升高，当温度达到1100℃，变形量为60％时，发生完全动态再结晶，如图2(c)所示，平均晶粒尺寸显著减小，获得大小均匀的再结晶组织。而当温度小于900℃时，随应变量增加，晶粒度大小几乎未发生变化，即在此温度范围内进行热加工时，应变量增加也不能引起动态再结晶，仅使得晶粒发生拉长变形，如图2(d)和图2(e)所示。
综上可知，不同变形条件会对材料的热加工组织性能产生极大的影响，因此只有在具体的热加工工艺窗口的指导下进行热加工才能保证锻造、轧制(挤压)等工艺过程的顺利进行及良好的组织性能要求。
Claims (3)
1.一种高温合金GH984G18热加工工艺的制定方法，其特征在于，首先将GH984G18合金试样以20℃/s的升温速率加热到1200℃保温3min，然后以10℃/s的速率冷却至800-1200℃，在变形温度保温30s后以0.01-10s-1的变形速率进行热压缩，过程中温度保持恒定，当变形量达到20%-70%后立即水淬，获得不同条件的变形组织；
按重量百分含量计，该高温合金的化学成分为，C：0.04，B：0.006，P：0.02，Cr：22，Mo：2.2，Nb：1.2，Al：1.0，Ti：1.3，Fe：20，Ni：余量。
2.按照权利要求1所述的高温合金GH984G18热加工工艺的制定方法，其特征在于：通过热模拟实验，确定材料在不同温度、应变速率下的可加工范围，分析不同的变形工艺参数对合金变形组织的影响，以热压缩得到的应力应变曲线为基础绘制不同应变条件的热加工图，根据各热加工图中的能量耗散值可判断热加工的最佳加工区域、安全区和失稳区域，通过热加工图中的安全区域和危险区域描述得到具体的热加工工艺窗口；
安全区为动态再结晶区、超塑性区、球化区及动态回复区；加工中应避免的失稳区域是空洞区、楔形区、晶界裂纹区、绝热剪切带形成区及局部变形区；最佳加工区域则为完全动态再结晶区。
3.按照权利要求2所述的高温合金GH984G18热加工工艺的制定方法，其特征在于：通过热加工工艺窗口，得到不同变形程度时获得最佳变形组织的热加工条件，其具体的热加工工艺窗口为：
当应变量为0.1时，最佳工艺参数：变形温度1030-1090℃，应变速率0.05-0.18s-1；合适工艺参数：变形温度1030-1200℃，应变速率0.01-6.3s-1；非稳定工艺参数：变形温度800-1030℃，应变速率0.01-2s-1；或者，变形温度1090-1200℃，应变速率6.3-10s-1；
当应变量为0.2时，最佳工艺参数：变形温度980-1000℃，应变速率0.01-0.016s-1；合适工艺参数：变形温度830-1170℃，应变速率0.01-0.18s-1；非稳定工艺参数：变形温度800-830℃，应变速率0.01-0.022s-1；或者，变形温度820-980℃，应变速率0.18-2s-1；或者，变形温度1170-1200℃，应变速率0.01-10s-1；
当应变量为0.3时，最佳工艺参数：变形温度1130-1200℃，应变速率0.032-0.2s-1；合适工艺参数：变形温度800-1200℃，应变速率0.01-1.58s-1；非稳定工艺参数：变形温度800-890℃，应变速率1.58-10s-1；或者，变形温度1030-1080℃，应变速率5.62-10s-1；或者，变形温度1110-1195℃，应变速率3.98-10s-1；
当应变量为0.4时，最佳工艺参数：变形温度1180-1200℃，应变速率0.056-0.25s-1；合适工艺参数：变形温度800-1200℃，应变速率0.01-1.78s-1；非稳定工艺参数：变形温度1160-1200℃，应变速率1.78-10；
当应变量为0.5时，最佳工艺参数：变形温度1175-1200℃，应变速率0.063-0.178s-1；合适工艺参数：变形温度800-1200℃，应变速率0.01-1.58s-1；非稳定工艺参数：变形温度970-1180℃，应变速率1.58-10；
当应变量为0.6时，最佳工艺参数：变形温度1180-1200℃，应变速率0.063-0.2s-1；合适工艺参数：变形温度1140-1200℃，应变速率0.01-2s-1；非稳定工艺参数：变形温度800-1140℃，应变速率0.01-1.58s-1；或者，变形温度1090-1165℃，应变速率5.01-10s-1；
当应变量为0.7时，最佳工艺参数：变形温度1180-1200℃，应变速率0.1-0.56s-1；合适工艺参数：变形温度800-1160℃，应变速率0.01-10s-1；非稳定工艺参数：变形温度1160-1200℃，应变速率0.01-0.05；
当应变量为0.8时，最佳工艺参数：变形温度1180-1200℃，应变速率0.079-0.178s-1；合适工艺参数：变形温度800-1170℃，应变速率0.01-10s-1；非稳定工艺参数：变形温度1170-1200℃，应变速率0.01-0.05；
当应变量为0.9时，最佳工艺参数：变形温度1185-1200℃，应变速率0.08-0.14s-1；合适工艺参数：变形温度890-1170℃，应变速率0.01-10s-1；非稳定工艺参数：变形温度800-890℃，应变速率0.2-1.33s-1；或者，变形温度1160-1200℃，应变速率0.01-0.05s-1；
当应变量为1时，最佳工艺参数：变形温度1185-1200℃，应变速率0.08-0.13s-1；合适工艺参数：变形温度875-1175℃，应变速率0.01-10s-1；非稳定工艺参数：变形温度800-875℃，应变速率0.28-1.78s-1；或者，变形温度1175-1200℃，应变速率0.01-0.05s-1。
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