CN107245683A - 镍基合金径锻组织控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种镍基合金径锻组织控制方法，包括如下步骤：a)、制备镍基合金铸锭；b)、对制备得到的所述铸锭进行加热处理；c)、将加热处理后的所述铸锭进行多个道次的径锻，其中，对于前预设数目的道次的径锻，对锻件变形量控制按照如下公式进行：第n道次变形量(％)＝(T×ln(Q/m))/K，式中：n为道次数值，取值为1、2、……预设数目；T为第n道次锻造温度(℃)；Q为合金动态再结晶激活能(KJ/mol)；m为锻造频率(次)；K为无量纲系数(mol/(KJ·℃))，取值100。该镍基合金径锻组织控制方法，可以实现锻造过程中对镍基合金径锻组织有效控制。因此，利用镍基合金径锻组织控制方法，可根据不同钢种特性，快速的制定变形工艺制度，来有效解决锻不透、径锻组织混晶等问题。
Description
技术领域
本发明涉及冶金技术领域，尤其涉及一种镍基合金径锻组织控制方法。
背景技术
随着现代工业社会的发展，镍基高温合金因其优异的性能，在石油化工、航空航天、能源领域均有广泛的应用，对锻件的需求量也与日俱增。为满足工业发展的需求，镍基高温合金的生产量也在不断增加。镍基合金由于具有合金化元素含量高、热变形抗力大、可加工温度区间窄、锻造组织难以控制等一系列特点，在热加工方面一直是一大难题。
对于镍基合金锻件，普遍采用自由锻或者径锻方式进行生产。对于自由锻造，通常采用多次墩粗、拔长工艺，从而使其铸态组织完全破碎，晶粒细小而均匀。但是，自由锻造不能一火完成，并且锻件尺寸精度较差，对高径比有限制，表面易开裂，锻造过程人为因素较多，成材率及生产效率低。而对于径锻工艺，其最大优点是外形尺寸可以精确控制、准等温锻造、一火成材、生产效率高，是目前较为先进的锻造技术。但是，由于径锻只是类似于自由锻的拔长过程，因此其内部组织形态不容易控制，并且由于径锻机负荷限制，每道次变形量不能过大。但是，对于每个径锻道次，尤其是前几个影响锻件组织结构的关键的径锻道次的锻件变形量控制极难把握，所以锻件经常出现锻不透、混晶等现象，从而对后期热处理组织调整带来不利影响。
发明内容
有鉴如此，本发明提供一种镍基合金径锻组织控制方法，以解决锻不透、径锻组织混晶问题。
根据本发明提供一种镍基合金径锻组织控制方法，包括如下步骤：
a)、制备镍基合金铸锭；
b)、对制备得到的所述铸锭进行加热处理；
c)、将加热处理后的所述铸锭进行多个道次的径锻，其中，对于前预设数目的道次的径锻，对锻件变形量控制按照如下公式进行：
第n道次变形量(％)＝(T×ln(Q/m))/K，
式中：n为道次数值，取值为1、2、……预设数目；T为第n道次锻造温度(℃)；Q为合金动态再结晶激活能(KJ/mol)；m为锻造频率(次)；K为无量纲系数(mol/(KJ·℃))，取值100。
优选地，所述合金动态再结晶激活能的值Q通过对热压缩试样组织以及应力-应变曲线综合分析得到。
优选地，所述热压缩试样组织采集于所述步骤a)中制备得到的镍基合金铸锭的头部或者尾部。
优选地，所述为第n道次锻造温度(℃)的值经如下公式计算得出：
第n道次锻造温度T(℃)＝铸锭出炉温度(℃)-120℃-n×20℃；式中：n为道次数值，取值为1、2、……预设数目。
优选地，所述步骤a)中，采用真空感应冶炼+电渣重熔的工艺或者真空感应冶炼+真空自耗的工艺制备镍基合金铸锭。
优选地，所述b)中，对制备得到的所述铸锭进行加热处理的过程为：
将所述铸锭加热至预设温度，并在预设温度下保温预设时长。
优选地，所述步骤c)中，将加热处理后的所述铸锭进行多个道次的径锻，完成径锻过程后，总锻比大于2。
优选地，
所述步骤c)中，在对前预设数目的道次的径锻过程中，对各个道次的锻件变形量的控制范围为12％-30％。
优选地，所述预设数目为4。
根据本发明提供的镍基合金径锻组织控制方法，可以实现锻造过程中对镍基合金径锻组织有效控制。因此，利用镍基合金径锻组织控制方法，可根据不同钢种特性，快速的制定变形工艺制度，来有效解决锻不透、径锻组织混晶等问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1示出了根据本发明实施例一至实施例三的工艺流程图。
图2示出了根据现有的常规径锻工艺得到的径锻组织。
图3示出了根据本发明实施例的镍基合金径锻组织控制方法得到的径锻组织。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
参考图1，下面通过实施例一、实施例二和实施例三对镍基合金径锻组织控制方法进行详细说明。
实施例一
该实施例中，镍基合金径锻组织控制方法包括如下步骤：
S01)、制备镍基合金铸锭；
具体地，采用VIM+ESR工艺，即真空感应冶炼+电渣重熔工艺制备镍基合金铸锭。当然，也可采用VIM+VAR工艺，即真空感应冶炼+真空自耗制备镍基合金铸锭。该实施例中，制备的镍基合金铸锭的直径为φ360mm，即铸锭初始尺寸为φ360mm。该铸锭的主要成分质量百分配比为：Ni基、22％Cr、12％Co、9％Mo、1.2％Al、0.44％Ti。
S02)、对制备得到的所述铸锭进行加热处理；
具体地，将所述铸锭放入加热炉内加热至预设温度，并在预设温度下保温预设时长。该实施例中，预设温度为1200℃，预设时长为2小时。
S03)、将加热处理后的所述铸锭进行多个道次的径锻，其中，对于前预设数目的道次的径锻，对锻件变形量控制按照如下公式进行：
第n道次变形量(％)＝(T×ln(Q/m))/K，
式中：n为道次数值，取值为1、2、……预设数目；T为第n道次锻造温度(℃)；Q为合金动态再结晶激活能(KJ/mol)；m为锻造频率(次)；K为无量纲系数(mol/(KJ·℃))，取值100。
镍基合金在高温初始阶段的变形对最终成品组织具有决定性影响。因此，该实施例中，预设数目选取为4，即对前4个道次的径锻的锻件变形量进行控制。因此，为了实现对镍基合金径锻组织有效控制，前4道次的变形量由动态再结晶激活能、道次变形温度、锻造频率共同计算得出。同时需满足每道次变形量不小于12％，以确保铸态组织可以破碎，并且不大于30％，以免锻造开裂。
具体地，首先自制备得到的镍基合金铸锭的头部或者尾部采集铸锭试样，并对热压缩试样组织以及应力-应变曲线综合分析，得到所述合金动态再结晶激活能的值Q。动态再结晶激活能数值也可由目前公开发表的文献中获得。此处优选为对热压缩试样组织以及应力-应变曲线综合分析获得合金动态再结晶激活能的值Q。该实施例中，经计算其动态再结晶激活能为549KJ/mol。
计算第n道次锻造温度T(℃)的值，所述为第n道次锻造温度T(℃)的值经如下公式计算得出：
第n道次锻造温度T(℃)＝铸锭出炉温度(℃)-120℃-n×20℃；
式中：n为道次数值，取值为1、2、3、4。该式中，铸锭出炉温度的值与步骤S02)中的预设温度值相同，同为1200℃。
将通过上式求出的第1道次锻造温度、第2道次锻造温度、第3道次锻造温度、第4道次锻造温度，以及动态再结晶激活能的数值549KJ/mol分别带入如下公式：
第n道次变形量(％)＝(T×ln(Q/m))/K，
式中：n为道次数值，取值为1、2、……预设数目；T为第n道次锻造温度(℃)；Q为合金动态再结晶激活能(KJ/mol)；m为锻造频率(次)；K为无量纲系数(mol/(KJ·℃))，取值100。
根据上式计算出在径锻过程中，第一至第四道次的锻件变形量为：
第1道次变形量(％)＝((1200-120-1×20)×ln(549/160))/100＝13％；
第2道次变形量(％)＝((1200-120-2×20)×ln(549/120))/100＝16％；
第3道次变形量(％)＝((1200-120-3×20)×ln(549/80))/100＝20％；
第4道次变形量(％)＝((1200-120-4×20)×ln(549/100))/100＝17％；
通过上述计算结果可知，对于第一至第四道次的径锻，锻件变形量控制在12％—30％的范围内，符合锻件变形量的总体控制要求。
根据上述计算得到的锻件变形量控制值对待锻件，即铸锭进行第一至第四道次的径锻，而后按照后续的正常工艺执行，进行后续多个道次的锻造以及热处理等工序。其中，终锻尺寸为φ230mm，锻比为2.44。所得锻锭组织均匀，消除了锻不透、径锻组织混晶等问题，并在一定程度上可对锻造组织晶粒度进行了控制。该锻锭既无铸态组织破碎，也无锻造开裂现象，从而实现了锻造过程中对镍基合金径锻组织有效控制。
实施例二
该实施例中，镍基合金径锻组织控制方法包括如下步骤：
S01)、制备镍基合金铸锭；
具体地，采用VIM+ESR工艺，即真空感应冶炼+电渣重熔工艺制备镍基合金铸锭。当然，也可采用VIM+VAR工艺，即真空感应冶炼+真空自耗工艺制备镍基合金铸锭。该实施例中，制备的镍基合金铸锭的直径为φ360mm，即铸锭初始尺寸为φ360mm。该铸锭的主要成分质量百分配比为：Ni基、22％Cr、9％Mo、5％Nb、0.2％Ti。
S02)、对制备得到的所述铸锭进行加热处理；
具体地，将所述铸锭放入加热炉内加热至预设温度，并在预设温度下保温预设时长。该实施例中，预设温度为1200℃，预设时长为2.5小时。
S03)、将加热处理后的所述铸锭进行多个道次的径锻，其中，对于前预设数目的道次的径锻，对锻件变形量控制按照如下公式进行：
第n道次变形量(％)＝(T×ln(Q/m))/K，
式中：n为道次数值，取值为1、2、……预设数目；T为第n道次锻造温度(℃)；Q为合金动态再结晶激活能(KJ/mol)；m为锻造频率(次)；K为无量纲系数(mol/(KJ·℃))，取值100。
镍基合金在高温初始阶段的变形对最终成品组织具有决定性影响。因此，该实施例中，预设数目选取为4，即对前4个道次的径锻的锻件变形量进行控制。因此，为了实现对镍基合金径锻组织有效控制，前4道次的变形量由动态再结晶激活能、道次变形温度、锻造频率共同计算得出。同时需满足每道次变形量不小于12％，以确保铸态组织可以破碎，并且不大于30％，以免锻造开裂。
具体地，首先自制备得到的镍基合金铸锭的头部或者尾部采集铸锭试样，并对热压缩试样组织以及应力-应变曲线综合分析，得到所述合金动态再结晶激活能的值Q。动态再结晶激活能数值也可由目前公开发表的文献中获得。此处优选为对热压缩试样组织以及应力-应变曲线综合分析获得合金动态再结晶激活能的值Q。该实施例中，经计算其动态再结晶激活能为522KJ/mol。
计算第n道次锻造温度T(℃)的值，所述为第n道次锻造温度T(℃)的值经如下公式计算得出：
第n道次锻造温度T(℃)＝铸锭出炉温度(℃)-120℃-n×20℃；
式中：n为道次数值，取值为1、2、3、4。该式中，铸锭出炉温度的值与步骤S02)中的预设温度值相同，同为1200℃。
将通过上式求出的第1道次锻造温度、第2道次锻造温度、第3道次锻造温度、第4道次锻造温度，以及动态再结晶激活能的数值522KJ/mol分别带入如下公式：
第n道次变形量(％)＝(T×ln(Q/m))/K，
式中：n为道次数值，取值为1、2、……预设数目；T为第n道次锻造温度(℃)；Q为合金动态再结晶激活能(KJ/mol)；m为锻造频率(次)；K为无量纲系数(mol/(KJ·℃))，取值100。
计算出的在径锻过程中，第一至第四道次的锻件变形量为：
第1道次变形量(％)＝((1200-120-1×20)×ln(522/120))/100＝16％；
第2道次变形量(％)＝((1200-120-2×20)×ln(522/80))/100＝19.5％；
第3道次变形量(％)＝((1200-120-3×20)×ln(522/80))/100＝19％；
第4道次变形量(％)＝((1200-120-4×20)×ln(522/100))/100＝16.5％；
通过上述计算结果可知，对于第一至第四道次的径锻，锻件变形量控制在12％—30％的范围内，符合锻件变形量的总体控制要求。
根据上述计算得到的锻件变形量控制值对待锻件，即铸锭进行第一至第四道次的径锻，而后按照后续的正常工艺执行，进行后续多个道次的锻造以及热处理等工序。其中，终锻尺寸为φ210mm，锻比为2.90。所得锻锭组织均匀，消除了锻不透、径锻组织混晶等问题，并在一定程度上可对锻造组织晶粒度进行控制。该锻锭既无铸态组织破碎，也无锻造开裂现象，从而实现了锻造过程中对镍基合金径锻组织有效控制。
实施例三
该实施例中，镍基合金径锻组织控制方法包括如下步骤：
S01)、制备镍基合金铸锭；
具体地，采用VIM+ESR工艺，即真空感应冶炼+电渣重熔工艺制备镍基合金铸锭。当然，也可采用VIM+VAR工艺，即真空感应冶炼+真空自耗工艺制备镍基合金铸锭。该实施例中，制备的镍基合金铸锭的直径为φ360mm，即铸锭初始尺寸为φ360mm。该铸锭的主要成分质量百分配比为：Ni基、25％Cr、20％Co、0.5％Mo、1.5％Nb、1.3％Ti、1.3％Al。
S02)、对制备得到的所述铸锭进行加热处理；
具体地，将所述铸锭放入加热炉内加热至预设温度，并在预设温度下保温预设时长。该实施例中，预设温度为1220℃，预设时长为2小时。
S03)、将加热处理后的所述铸锭进行多个道次的径锻，其中，对于前预设数目的道次的径锻，对锻件变形量控制按照如下公式进行：
第n道次变形量(％)＝(T×ln(Q/m))/K，
式中：n为道次数值，取值为1、2、……预设数目；T为第n道次锻造温度(℃)；Q为合金动态再结晶激活能(KJ/mol)；m为锻造频率(次)；K为无量纲系数(mol/(KJ·℃))，取值100。
镍基合金在高温初始阶段的变形对最终成品组织具有决定性影响。因此，该实施例中，预设数目选取为4，即对前4个道次的径锻的锻件变形量进行控制。因此，为了实现镍基合金径锻组织有效控制，前4道次的变形量由动态再结晶激活能、道次变形温度、锻造频率共同计算得出。同时需满足每道次变形量不小于12％，以确保铸态组织可以破碎，并且不大于30％，以免锻造开裂。
具体地，首先自制备得到的镍基合金铸锭的头部或者尾部采集铸锭试样，并对热压缩试样组织以及应力-应变曲线综合分析，得到所述合金动态再结晶激活能的值Q。动态再结晶激活能数值也可由目前公开发表的文献中获得。此处优选为对热压缩试样组织以及应力-应变曲线综合分析获得合金动态再结晶激活能的值Q。该实施例中，经计算其动态再结晶激活能为537KJ/mol。
计算第n道次锻造温度T(℃)的值，所述为第n道次锻造温度T(℃)的值经如下公式计算得出：
第n道次锻造温度T(℃)＝铸锭出炉温度(℃)-120℃-n×20℃；
式中：n为道次数值，取值为1、2、3、4。该式中，铸锭出炉温度的值与步骤S02)中的预设温度值相同，同为1220℃。
将通过上式求出的第1道次锻造温度、第2道次锻造温度、第3道次锻造温度、第4道次锻造温度，以及动态再结晶激活能的数值537KJ/mol分别带入如下公式：
第n道次变形量(％)＝(T×ln(Q/m))/K，
式中：n为道次数值，取值为1、2、……预设数目；T为第n道次锻造温度(℃)；Q为合金动态再结晶激活能(KJ/mol)；m为锻造频率(次)；K为无量纲系数(mol/(KJ·℃))，取值100。
计算出的在径锻过程中，第一至第四道次的锻件变形量为：
第1道次变形量(％)＝((1220-120-1×20)×ln(537/100))/100＝18％；
第2道次变形量(％)＝((1220-120-2×20)×ln(537/140))/100＝14％；
第3道次变形量(％)＝((1220-120-3×20)×ln(537/80))/100＝20％；
第4道次变形量(％)＝((1220-120-4×20)×ln(537/80))/100＝19.5％；
通过上述计算结果可知，对于第一至第四道次的径锻，锻件变形量控制在12％—30％的范围内，符合锻件变形量的总体控制要求。
根据上述计算得到的锻件变形量控制值对待锻件，即铸锭进行第一至第四道次的径锻，而后按照后续的正常工艺执行，进行后续多个道次的锻造以及热处理等工序。其中，终锻尺寸为φ230mm，锻比为2.44。所得锻锭组织均匀，消除了锻不透、径锻组织混晶等问题，并在一定程度上可对锻造组织晶粒度进行控制。该锻锭既无铸态组织破碎，也无锻造开裂现象，从而实现了锻造过程中对镍基合金径锻组织有效控制。
常规径锻与本发明径锻技术得到的径锻组织对比图如下，其中图2为常规径锻方法，图3位根据本发明实施例的镍基合金径锻组织控制方法。通过实对比可以发现，采用该镍基合金径锻组织控制方法，可以实现锻造过程中对镍基合金径锻组织有效控制。因此，利用镍基合金径锻组织控制方法，可根据不同钢种特性，快速的制定变形工艺制度，来有效消除锻不透、径锻组织混晶等问题。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (9)
1.一种镍基合金径锻组织控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)、制备镍基合金铸锭；
b)、对制备得到的所述铸锭进行加热处理；
c)、将加热处理后的所述铸锭进行多个道次的径锻，其中，对于前预设数目的道次的径锻，对锻件变形量控制按照如下公式进行：
第n道次变形量(％)＝(T×ln(Q/m))/K，
式中：n为道次数值，取值为1、2、……预设数目；T为第n道次锻造温度(℃)；Q为合金动态再结晶激活能(KJ/mol)；m为锻造频率(次)；K为无量纲系数(mol/(KJ·℃))，取值100。
2.根据权利要求1所述的镍基合金径锻组织控制方法，其特征在于，所述合金动态再结晶激活能的值Q通过对热压缩试样组织以及应力-应变曲线综合分析得到。
3.根据权利要求2所述的镍基合金径锻组织控制方法，其特征在于，所述热压缩试样组织采集于所述步骤a)中制备得到的镍基合金铸锭的头部或者尾部。
4.根据权利要求1所述的镍基合金径锻组织控制方法，其特征在于，所述为第n道次锻造温度(℃)的值经如下公式计算得出：
第n道次锻造温度T(℃)＝铸锭出炉温度(℃)-120℃-n×20℃；式中：n为道次数值，取值为1、2、……预设数目。
5.根据权利要求1所述的镍基合金径锻组织控制方法，其特征在于，所述步骤a)中，采用真空感应冶炼+电渣重熔的工艺或者真空感应冶炼+真空自耗的工艺制备镍基合金铸锭。
6.根据权利要求1所述的镍基合金径锻组织控制方法，其特征在于，所述b)中，对制备得到的所述铸锭进行加热处理的过程为：
将所述铸锭加热至预设温度，并在预设温度下保温预设时长。
7.根据权利要求1所述的镍基合金径锻组织控制方法，其特征在于，所述步骤c)中，将加热处理后的所述铸锭进行多个道次的径锻，完成径锻过程后，总锻比大于2。
8.根据权利要求1所述的镍基合金径锻组织控制方法，其特征在于，
所述步骤c)中，在对前预设数目的道次的径锻过程中，对各个道次的锻件变形量的控制范围为12％-30％。
9.根据权利要求1-8任一项所述的镍基合金径锻组织控制方法，其特征在于，所述预设数目为4。
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