CN107523772B - 一种U720Li高温合金的均匀化工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高合金化高温合金热加工领域，尤其是一种U720Li高温合金的均匀化处理方法。首先将U720Li合金铸锭随炉升温至1080～1120℃，并保温20h或更长时间以溶解低熔点Ni5Zr相；然后将炉温升高至1160～1180℃，并保温3h或更长时间以溶解合金中残留的微量M3B2硼化物；再将炉温升高至1200～1220℃，并保温30h或更长时间以溶解残留的(γ+γ′)共晶并消除元素偏析；最后将处理后的铸锭以适当速度冷却到室温。本发明采用低温预处理加高温扩散的三步均匀化处理步骤，能够有效解决U720Li合金铸锭“过烧”、元素偏析以及铸态枝晶残留等问题，可以有效消除U720Li合金铸锭的元素偏析并提高其热加工塑性。
Description
技术领域
本发明属于高合金化高温合金热加工领域，尤其是一种U720Li高温合金的均匀化处理方法。
背景技术
U720Li合金是一种高强镍基高温合金，它具有优异的综合力学性能及良好的抗腐蚀抗氧化性能。该合金广泛应用于750℃以下工作的压气机盘和涡轮盘以及在短时间内900℃使用的涡轮盘，是新一代高性能航空航天发动机涡轮盘用关键材料之一。U720Li合金的合金化程度极高，元素偏析十分严重，枝晶间析出大量(γ+γ′)共晶，MC碳化物，η相，M3B2硼化物及Ni5Zr相等有害脆性相。尤其是凝固后期析出的(γ+γ′)共晶尺寸较大数量较多，在锻造开坯过程中容易成为裂纹源，控制不当极易导致开裂。因此，必须采用合理的均匀化处理工艺，以改善铸锭的组织。然而，如果均匀化工艺选择不当会导致枝晶间的低熔点相发生熔化而产生“过烧”。例如，在1140℃保温下Ni5Zr相已经熔化(图1a)，在1190℃保温下M3B2硼化物已经熔化(图1b)，在1230℃保温下(γ+γ′)共晶也发生了部分熔化(图1c)。显然，U720Li合金的均匀化工艺更加复杂，在设计铸锭均匀化工艺时必须避免这些析出相发生熔化。此外，还必须消除或降低元素偏析，否则会导致后续的热加工组织不均匀，严重降低合金的服役性能。对于涡轮盘来说，往往由于铸锭均匀化处理存在问题，导致锻造盘件出现裂纹、严重混晶及晶粒尺寸超标的现象，从而导致涡轮盘件报废，造成巨大浪费。因此，U720Li合金铸锭的均匀化处理制度显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种U720Li高温合金的均匀化处理方法，能够有效解决U720Li合金铸锭“过烧”、元素偏析及存在大量枝晶等问题，提高了该合金铸锭的热加工塑性，有利于棒材的锻造并使盘锻件获得均匀的再结晶组织。
为实现上述技术目标，本发明所提出的技术方案是：
一种U720Li高温合金的均匀化工艺，包括如下步骤：
(1)将U720Li合金铸锭随炉升温至1080～1120℃，并保温20h或更长时间以溶解低熔点Ni5Zr相；
(2)将炉温升高至1160～1180℃，并保温3h或更长时间以溶解合金中残留的微量M3B2硼化物；
(3)将炉温升高至1200～1220℃，并保温30h或更长时间以溶解残留的(γ+γ′)共晶并消除元素偏析；
(4)将处理后的铸锭先随炉冷却到700℃以下，再空冷到室温。
所述的U720Li高温合金的均匀化工艺，优选的，步骤(1)中，将U720Li合金铸锭随炉升温至1120℃，平均升温速度为400℃/h，并保温45h以溶解低熔点Ni5Zr相。
所述的U720Li高温合金的均匀化工艺，优选的，步骤(2)中，将炉温升高至1180℃，平均升温速度为2℃/min，并保温3h以溶解合金中残留的微量M3B2硼化物。
所述的U720Li高温合金的均匀化工艺，优选的，步骤(3)中，将炉温升高至1200℃，平均升温速度为2℃/min，并保温72h以溶解残留的(γ+γ′)共晶和消除元素偏析。
所述的U720Li高温合金的均匀化工艺，优选的，步骤(4)中，将处理后的铸锭以160℃/h的平均降温速度炉冷到500～600℃，取出空冷到室温。
结合U720Li合金铸锭未经均匀化处理和经本发明提出的均匀化工艺处理后的组织及偏析程度对比，以及铸锭未经均匀化处理和经本发明的工艺处理后进行变形温度为1100℃，应变速度为1/s，变形程度为35％的热压缩模拟变形来说明本发明的优点及有益效果是：
1、获得了良好的开坯前组织。采用本发明的工艺不发生“过烧”，消除了U720Li合金铸锭的有害析出相和元素偏析，从而得到均匀的、无偏析的组织(图4)。
2、最大程度地降低合金的元素偏析。此设定偏析程度的表示方法为偏析比k(铸锭中心处取样，采用EDS随机打点分析铸态和均匀化态成分，枝晶间与枝晶干成分的比值为k)。如表1为铸锭未经均匀化处理的偏析情况，表2为铸锭经本发明中优选均匀化工艺处理后的偏析比。可见采用本发明的均匀化工艺处理后，U720Li合金的元素偏析程度得到了显著的降低。
3、提高了铸锭的热加工塑性。未经均匀化处理的试样出现了较多的表面裂纹(图5a)和内部微裂纹(图5b)，而经本发明处理的试样变形更加均匀，且未出现明显表面裂纹(图5c)和内部微裂纹。此外，本发明处理对变形抗力无显著影响(图6)。
4、热加工后的再结晶组织均匀。未经均匀化处理的试样变形后再结晶组织不均匀，只在(γ+γ′)共晶周围出现少量再结晶(图7a)，而经本发明处理的试样变形后再结晶组织均匀(图7b)。
表1 U720Li合金铸锭的偏析比
| 元素 | 枝晶干 | 枝晶间 | 偏析比k |
| Al | 2.89 | 3.16 | 1.09 |
| Ti | 4.08 | 7.76 | 1.90 |
| Cr | 14.90 | 12.23 | 0.82 |
| Co | 15.27 | 13.25 | 0.88 |
| Mo | 3.10 | 2.98 | 0.96 |
| W | 2.19 | 1.10 | 0.50 |
表2 U720Li合金铸锭经本研究中优选均匀化工艺处理后的偏析比
| 元素 | 枝晶干 | 枝晶间 | 偏析比k |
| Al | 2.70 | 2.82 | 1.04 |
| Ti | 5.32 | 5.39 | 1.01 |
| Cr | 14.96 | 14.71 | 0.98 |
| Co | 15.19 | 14.92 | 0.98 |
| Mo | 3.52 | 3.56 | 1.01 |
| W | 1.94 | 1.66 | 0.86 |
附图说明
图1a-c分别为Ni5Zr相在1140℃、M3B2硼化物在1190℃和(γ+γ′)共晶在1230℃时发生熔化的形貌。
图2为U720Li合金在1120℃保温45h后水淬组织。
图3为U720Li合金经1120℃×45h+1180℃×3h均匀化处理后的水淬组织。
图4a-b分别为未经均匀化处理和经本发明提出的均匀化工艺处理后的组织。
图5a-c分别为未经均匀化处理试样变形后的表面形貌和内部微裂纹及经本发明工艺处理后试样变形后的表面形貌。
图6为未经均匀化处理和经本发明工艺处理后试样变形过程中的真应力-真应变曲线。
图7a-b分别为未经均匀化处理和经本发明工艺处理后试样变形后的再结晶组织。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明U720Li高温合金的均匀化处理工艺，包括如下步骤：
(1)将U720Li合金铸锭随炉升温至1080～1120℃(优选为1120℃)，平均升温速度为400～800℃/h(优选为400℃/h)，并保温20～60h(优选为45h)以溶解低熔点Ni5Zr相。图2为U720Li合金在1120℃保温45h后水淬组织，可见Ni5Zr相和η相已经完全溶解，但仍残留大量(γ+γ′)共晶和微量M3B2硼化物。
(2)将炉温升高至1160～1180℃(优选为1180℃)，平均升温速度为2～8℃/min(优选为2℃/min)，并保温3～10h(优选为3h)以溶解合金中残留的微量M3B2硼化物。图3为U720Li合金经1120℃×45h+1180℃×3h均匀化处理后的水淬组织，可见M3B2硼化物已经完全溶解，而仍有部分(γ+γ′)共晶在枝晶间残留。
(3)将炉温升高至1200～1220℃(优选为1200℃)，平均升温速度为2～8℃/min(优选为2℃/min)，并保温30～72h(优选为72h)以溶解残留的(γ+γ′)共晶和消除元素偏析。
(4)将处理后的铸锭以160℃/h的平均降温速度炉冷到700℃以下，取出空冷到室温，为后续锻造开坯提供良好的原始组织。
下面结合实施例对本发明进一步说明，但并不因此限制本发明。
实施例1
本实施例中，U720Li合金铸锭的化学成分如下(质量百分比)：
| Cr | Co | W | Mo | Al | Ti | B | Zr | C | Ni |
| 16.16 | 14.50 | 1.21 | 3.11 | 2.49 | 5.00 | 0.012 | 0.041 | 0.014 | 余量 |
所述U720Li高温合金的均匀化处理工艺，具体步骤如下：
1)将U720Li合金铸锭随炉升温至1120℃，平均升温速度为400℃/h并保温45h以溶解Ni5Zr等低熔点相；
2)将炉温升高至1180℃，平均升温速度为2℃/min，并保温3h以溶解M3B2硼化物；
3)将炉温升高至1200℃，平均升温速度为2℃/min，并保温72h以溶解残留的(γ+γ′)共晶和消除元素偏析。
4)将处理后的铸锭以160℃/h的平均速度冷却至550℃，取出空冷到室温，为后续锻造开坯提供良好的原始组织。
实施例2
本实施例中，U720Li合金铸锭的化学成分如下(质量百分比)：
| Cr | Co | W | Mo | Al | Ti | B | Zr | C | Ni |
| 16.16 | 14.50 | 1.21 | 3.11 | 2.49 | 5.00 | 0.012 | 0.041 | 0.014 | 余量 |
所述U720Li高温合金的均匀化处理工艺，具体步骤如下：
1)将U720Li合金铸锭随炉升温至1100℃，平均升温速度为600℃/h并保温60h以溶解Ni5Zr等低熔点相；
2)将炉温升高至1160℃，平均升温速度为5℃/min，并保温10h以溶解M3B2硼化物；
3)将炉温升高至1200℃，平均升温速度为5℃/min，并保温72h以溶解残留的(γ+γ′)共晶和消除元素偏析。
4)将处理后的铸锭以160℃/h的平均速度冷却至500℃，取出空冷到室温，为后续锻造开坯提供良好的原始组织。
实施例3
本实施例中，U720Li合金铸锭的化学成分如下(质量百分比)：
| Cr | Co | W | Mo | Al | Ti | B | Zr | C | Ni |
| 16.16 | 14.50 | 1.21 | 3.11 | 2.49 | 5.00 | 0.012 | 0.041 | 0.014 | 余量 |
所述U720Li高温合金的均匀化处理工艺，具体步骤如下：
1)将U720Li合金铸锭随炉升温至1110℃，平均升温速度为800℃/h并保温50h以溶解Ni5Zr等低熔点相；
2)将炉温升高至1170℃，平均升温速度为8℃/min，并保温7h以溶解M3B2硼化物；
3)将炉温升高至1200℃，平均升温速度为8℃/min，并保温72h以溶解残留的(γ+γ′)共晶和消除元素偏析。
4)将处理后的铸锭以160℃/h的平均速度冷却至600℃，取出空冷到室温，为后续锻造开坯提供良好的原始组织。
实施例结果表明，本发明工艺采用两段低温预处理消除低熔点相加高温扩散消除元素偏析的三步均匀化处理步骤，为U720Li合金铸锭锻造开坯提供无“过烧”的均匀组织，提高合金的热加工塑性，从而使锻坯获得均匀的再结晶组织。
Claims (5)
1.一种U720Li高温合金的均匀化工艺，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将U720Li合金铸锭随炉升温至1080～1120℃，并保温20h或更长时间以溶解低熔点Ni5Zr相；
(2)将炉温升高至1160～1180℃，并保温3h或更长时间以溶解合金中残留的微量M3B2硼化物；
(3)将炉温升高至1200～1220℃，并保温30h或更长时间以溶解残留的(γ+γ′)共晶并消除元素偏析；
(4)将处理后的铸锭先随炉冷却到700℃以下，再空冷到室温。
2.按照权利要求1所述的U720Li高温合金的均匀化工艺，其特征在于，优选的，步骤(1)中，将U720Li合金铸锭随炉升温至1120℃，平均升温速度为400℃/h，并保温45h以溶解低熔点Ni5Zr相。
3.按照权利要求1所述的U720Li高温合金的均匀化工艺，其特征在于，优选的，步骤(2)中，将炉温升高至1180℃，平均升温速度为2℃/min，并保温3h以溶解合金中残留的微量M3B2硼化物。
4.按照权利要求1所述的U720Li高温合金的均匀化工艺，其特征在于，优选的，步骤(3)中，将炉温升高至1200℃，平均升温速度为2℃/min，并保温72h以溶解残留的(γ+γ′)共晶和消除元素偏析。
5.按照权利要求1所述的U720Li高温合金的均匀化工艺，其特征在于，优选的，步骤(4)中，将处理后的铸锭以160℃/h的平均降温速度炉冷到500～600℃，取出空冷到室温。
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