CN108672980B - 一种gh4169合金焊丝短流程制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种GH4169合金焊丝短流程制备方法，其化学组分为，按重量百分比wt%计：Ni：50.0%～55.0%，Cr：17.0%～21.0%，Nb：5.00%～5.50%，Mo：2.80%～3.30%，Ti：0.75%～1.15%，Al：0.30%～0.70%，C：0.02%～0.06%，其余为Fe。该焊丝制备工艺流程主要为：配料→熔炼→铸锭→均匀化退火→棒材挤压→连续退火→多道次连续挤压等工序完成。本发明制备的合金焊丝具有优异的高温强度、抗氧化、抗蠕变、抗腐蚀能力和良好的疲劳特性及焊接性。特别是在650℃高温下，其力学性能具有很好的稳定性，在600℃～1200℃下能够承受一定的工作压力，可以广泛应用在在叶片、涡轮盘、燃烧室及长寿命航空航天发动机的焊接件上。
Description
技术领域
本发明属于高温合金焊丝制备工程技术领域，涉及高温合金焊丝，具体涉及一种GH4169合金焊丝短流程制备方法。
背景技术
GH4169合金是一种沉淀强化型的Ni-Cr-Fe基高温合金，在-253℃～650℃之间有较高的屈服强度、抗拉强度和塑性，同时具有良好的抗腐蚀、抗辐射及焊接性能，所以广泛应用在工作叶片、涡轮盘、燃烧室及长寿命航空航天发动机。而这些材料许多情况下都需要焊接，所使用的焊丝一般情况下都与母材成分相近或相同，但在实际生产过程中发现，现有工艺生产出的焊丝不能满足焊接设计指标要求，焊接后焊缝金属的微观组织粗大，有时会出现裂纹以及焊接接头的塑性韧性远低于母材等问题。
发明内容
本发明针对现有GH4169高温合金焊丝焊接后焊缝金属的组织不均匀、微观裂纹较多以及焊接接头的塑性韧性远低于母材的问题，提供了一种组织均匀性好，具有抗氧化、抗蠕变、抗腐蚀能力和优异的高温强度、及良好焊接性能的焊丝。
本发明所采用的技术方案为：该合金焊丝制造时所使用的原料按重量百分比计，由以下组份组成：Ni：50.0%～55.0%，Cr：17.0%～21.0%，Nb：5.00%～5.50%，Mo：2.80%～3.30%，Ti：0.75%～1.15%，Al：0.30%～0.70%，C：0.02%～0.06%，其余为Fe。
本发明的另一目的在于提供一种上述GH4169合金焊丝短流程制备方法，其包括以下步骤：
步骤（1）、配料；按照上述配比称取各组分，根据不同焊接件的性能要求微调合金的配料比；
步骤（2）、熔炼；采用真空感应电渣重熔炉对合金进行冶炼；
步骤（3）、铸锭；将脱硫、脱氧和脱磷后的金属液进行精炼，制成φ150mm的铸锭；
步骤（4）、均匀化退火；将得到的铸锭进行均匀化退火处理；
步骤（5）、棒材挤压；将步骤（4）均匀化退火后的φ150mm坯料进行挤压得到φ15mm坯料；
步骤（6）、连续退火；对φ15mm坯料进行连续退火；
步骤（7）、连续挤压；对φ15mm的坯料进行挤压，然后再进行连续退火，进行多道次循环，每次挤压前对坯料进行连续退火，最终得到φ2mm的丝材。
优选的，本发明所述步骤（2）中，熔炼：先将称量好的Ni、Cr、Nb、Mo、C、Fe原材料放入坩埚中，抽真空，通电加热至1320℃～1400℃全部熔化，停电通入氩气,然后重新通电继续加热至1260℃～1320℃，再加入称量好的高纯Ti、Al金属，最后加入精炼剂、脱氧剂后搅拌，再加入晶粒细化剂和变质剂，熔化5～20分钟后进行扒渣。
优选的，所述步骤（3）中，精炼后调整金属液温度至1260℃～1320℃，匀速浇注成φ150mm的铸锭。
优选的，所述步骤（4）中的均匀化退火：将φ150mm的铸锭加热至1180℃，保温20h后进行空冷，抑制过程中产生δ相和Nb元素的偏析。
优选的，所述步骤（5）中，将φ150mm的坯料放入挤压筒，950℃下进行正向挤压，得到所述的φ15mm坯料。
优选的，所述步骤（7）中，采用不等通道转角连续挤压设备，将φ15mm坯料进行多道次连续挤压，利用挤压变形和摩擦热，在无外加热源的情况下促使材料连续升温，坯料尺寸变化为：φ15mm→φ12mm→φ9mm→φ7.5mm→φ6mm→φ4.5mm→φ3mm→φ2mm。
本发明的有益效果为：
1.本发明对现有GH4169高温合金焊丝制备工艺进行了改进，解决了焊缝金属组织粗大，容易产生微观裂纹以及焊接接头的力学性能远低于母材等问题。采用本发明GH4169合金焊丝短流程制备方法所生产的焊丝具有优异的高温强度、抗氧化、抗蠕变、抗腐蚀能力和良好的疲劳特性及焊接性。特别是在650℃高温下，具有与母材良好的力学性能匹配性和组织稳定性，在600℃～1200℃温度范围内能够承受一定的工作压力，可广泛应用在工作叶片、涡轮盘、燃烧室及长寿命航空航天发动机得焊接件上。
2.本发明所提供的GH4169合金焊丝短流程制备方法，在焊丝化学组分区间配料时根据不同焊接件的技术要求通过微调合金的化学成分，确定配料比，通过改善合金的熔炼方法，优化并完善焊丝制备工艺，通过设计连续挤压工艺消除了材料组织中的内部缺陷，使焊丝制备工艺得到了简化，降低了生产成本，制得的GH4169高温合金焊丝成分组织均匀。经力学性能检测发现，焊接接头强度高、韧性好，解决了焊接接头塑性低于母材等问题，减少了焊接热裂纹和时效裂纹，较大幅度提高了焊缝组织均匀性和焊缝的力学性能。
3.本发明采用对化学成分合格的GH4169棒材正向挤压—等通道转角连续挤压—连续退火—等通道转角连续挤压，满足使用要求的不同直径的焊丝，是一种全新的高温合金焊丝制备工艺，解决了采用轧制—拉拔工艺制备焊丝过程中焊丝组织均匀性差、工艺复杂以及生产效率相对较低等一系列问题，所制备的GH4169合金焊丝不仅组织均匀性良好，且生产成本相对较低，焊接性能良好，解决了焊缝容易产生微观裂纹及其力学性能远低于母材等问题。
4.本发明将坯料进行多道次连续挤压，利用挤压变形和摩擦热，在无外加热源的情况下促使材料连续升温，保证挤压可靠进行。挤压过程中坯料尺寸变化控制为：φ15mm→φ12mm→φ9mm→φ7.5mm→φ6mm→φ4.5mm→φ3mm→φ2mm，且每次挤压前都要对坯料进行连续退火，以恢复坯料的塑性，防止产生加工硬化。
5.本发明步骤（7）中，坯料在挤压过程中会因摩擦而使热量升高，整个挤压过程中不需要加热 ，同时也不需要酸洗、切边等其他辅助设备。通过连续挤压可以使坯料自身温度升高，在高温状态下进行挤压可完全消除坯料本身的内部缺陷，同时还可以使晶粒细化组织均匀。采用不等通道转角连续挤压装置可以实现连续生产，所生产的线材一般可达数千米以上。最终挤压得到φ2mm的丝材不进行退火处理，保证焊丝的强度。
附图说明
图1.是本发明GH4169合金焊丝短流程制备工艺流程图；
图2.是本发明棒材挤压工艺过程示意图；
图3.是本发明连续挤压工艺过程示意图。
图中：1.φ15mm坯料；2.挤压凹模；3.φ150mm坯料；4.挤压衬套；5.挤压杆；6.压轮； 7.连续退火装置； 8.挤压轮；9.挤压靴。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做进一步解释和说明；
一种GH4169合金焊丝短流程制备方法，该该合金焊丝制造时所使用的原料按重量百分比计，由以下组份组成：Ni：50.0%～55.0%，Cr：17.0%～21.0%，Nb：5.00%～5.50%，Mo：2.80%～3.30%，Ti：0.75%～1.15%，Al：0.30%～0.70%，C：0.02%～0.06%，其余为Fe及少量杂质，制备工艺如图1所示，包括以下步骤：
步骤（1）、配料；在焊丝化学组分区间配料时，对不同焊接件的技术要求确定配料比，即：在焊丝化学组分区间配料时，对不同焊接件的性能要求微调（±0.3-0.5%）合金的配料比；
步骤（2）、熔炼；采用真空感应电渣重熔炉对合金进行冶，将按配料比称量好的Ni、Cr、Nb、Mo、C、Fe等原材料放入坩埚中，然后抽真空，再加热至1320℃～1400℃将原料全部熔化，停电通入氩气,然后继续加热至1260℃～1320℃，再按配料比加入Ti和Al，搅拌均匀后再加入精炼剂和脱氧剂并连续搅拌，然后加入细化剂和变质剂，静置15～20分钟后扒渣；
步骤（3）、铸锭；将脱硫、脱氧和脱磷后的金属液进行精炼，保持金属液温度在1260℃～1320℃，在水冷钢模中大流量匀速浇注成φ150mm的铸锭，以减少浇注过程中产生的δ相和Nb等元素的偏析；再将铸锭加热至1180℃后保温20h，然后空冷；
步骤（4）、均匀化退火；将得到的铸锭进行均匀化退火处理；即：将φ150mm的铸锭加热至1180℃保温20h后，进行空冷，抑制δ相和Nb等元素的偏析。
步骤（5）、棒材挤压；将φ150mm的坯料放入挤压筒，950℃下进行正向挤压，得到φ15mm的坯料；如图2所示。
步骤（6）、连续退火；对φ15mm坯料进行连续退火，消除应力；
步骤（7）、连续挤压；采用不等通道转角连续挤压装置，将φ15mm的坯料进行多道次连续挤压，坯料尺寸变化为：φ15mm→φ12mm→φ9mm→φ7.5mm→φ6mm→φ4.5mm→φ3mm→φ2mm。每次挤压前都要对坯料进行连续退火，以恢复坯料的塑性，防止产生加工硬化，最终得到φ2mm的丝材。利用挤压变形和摩擦热，在无外加热源的情况下促使材料连续升温，保证挤压可靠进行。
上述步骤（5）中，将φ150mm的坯料均匀化退火后进行挤压，具体过程：如图2所示，得到φ15mm的坯料，再将D1为φ15mm的坯料放在挤压装置的入口端，D1为φ15mm的坯料会随着压轮1和挤压轮3的转动进入挤压靴4，整个过程的动力都由摩擦力提供，这个过程中就会产生大量热量，使挤压容易进行，如图2所示，挤压之后的坯料会进入连续退火装置2进行连续退火，以恢复坯料的塑性，防止因产生加工硬化使坯料挤断。此时所得到的坯料D2为φ12mm，紧接着会进入下一个挤压装置，挤压之后坯料的直径变为D3为φ9mm，然后进入连续退火装置2。经过多道次连续挤压，得到D8为φ2mm的丝材。最终制得具有优良力学性能和焊接性能的GH4169高温合金焊丝。
上述步骤（7）中，具体过程：如图3所示，坯料直径为D1随着压轮6和挤压轮8的转动进入挤压靴9，由摩擦力和张力驱动材料不断进入变形通道，同时由于坯料在挤压靴9内直接成型，不需要酸洗、切边等辅助设备。坯料在通过模具通道交截面时，晶粒被细化，并且促使微观组织和化学成分分布均匀，最终得到机械性能良好的焊丝。连续挤压后的坯料进入连续退火装置7进行连续退火，然后再进入连续挤压装置，如此多道次循环变形，最终得到φ2mm的焊丝。各道次挤压前对坯料进行连续退火，挤压装置之间采用连续退火装置对变形后的材料进行连续退火，以恢复杆料的塑性，防止挤压失败。
实施例1
一种GH4169合金焊丝短流程制备方法，该该合金焊丝制造时所使用的原料按重量百分比计，由以下组份组成：Ni：50.0%，Cr：17.0%，Nb：5.00%，Mo：2.80%，Ti：1.15%，Al：0.70%，C：0.06%，其余为Fe及少量杂质，制备工艺如图1所示，包括以下步骤：
步骤（1）、配料；称取各组分配料时，对不同焊接件的性能要求微调±0.5合金的配料比；
步骤（2）、熔炼；采用真空感应电渣重熔炉对合金进行冶，将按配料比称量好的Ni、Cr、Nb、Mo、C、Fe等原材料放入坩埚中，然后抽真空，再加热至1320℃将原料全部熔化，停电通入氩气,然后继续加热至1320℃，再按配料比加入Ti和Al，搅拌均匀后再加入精炼剂和脱氧剂并连续搅拌，然后加入细化剂和变质剂，静置15分钟后扒渣；
步骤（3）、铸锭；将脱硫、脱氧和脱磷后的金属液进行精炼，保持金属液温度在1260℃，在水冷钢模中大流量匀速浇注成φ150mm的铸锭，以减少浇注过程中产生的δ相和Nb等元素的偏析；再将铸锭加热至1180℃后保温20h，然后空冷；
步骤（4）、均匀化退火；将得到的铸锭进行均匀化退火处理；即：将φ150mm的铸锭加热至1180℃保温20h后，进行空冷，抑制δ相和Nb等元素的偏析。
步骤（5）、棒材挤压；将φ150mm的坯料放入挤压筒，950℃下进行正向挤压，得到φ15mm的坯料；如图2所示。
步骤（6）、连续退火；对φ15mm坯料进行连续退火，消除应力；
步骤（7）、连续挤压；采用不等通道转角连续挤压装置，将φ15mm的坯料进行多道次连续挤压，坯料尺寸变化为：φ15mm→φ12mm→φ9mm→φ7.5mm→φ6mm→φ4.5mm→φ3mm→φ2mm。每次挤压前都要对坯料进行连续退火，以恢复坯料的塑性，防止产生加工硬化，最终得到φ2mm的丝材。利用挤压变形和摩擦热，在无外加热源的情况下促使材料连续升温，保证挤压可靠进行。
实施例2
一种GH4169合金焊丝短流程制备方法，该合金焊丝制造时所使用的原料按重量百分比计，由以下组份组成：Ni：55.0%，Cr：21.0%，Nb：5.50%，Mo：3.30%，Ti：0.75%，Al：0.30%，C：0.02%，其余为Fe及少量杂质，制备工艺如图1所示，包括以下步骤：
步骤（1）、配料；称取各组分配料时，对不同焊接件的性能要求微调±0.3合金的配料比；
步骤（2）、熔炼；采用真空感应电渣重熔炉对合金进行冶，将按配料比称量好的Ni、Cr、Nb、Mo、C、Fe等原材料放入坩埚中，然后抽真空，再加热至1400℃将原料全部熔化，停电通入氩气,然后继续加热至1320℃，再按配料比加入Ti和Al，搅拌均匀后再加入精炼剂和脱氧剂并连续搅拌，然后加入细化剂和变质剂，静置20分钟后扒渣；
步骤（3）、铸锭；将脱硫、脱氧和脱磷后的金属液进行精炼，保持金属液温度在1320℃，在水冷钢模中大流量匀速浇注成φ150mm的铸锭，以减少浇注过程中产生的δ相和Nb等元素的偏析；再将铸锭加热至1180℃后保温20h，然后空冷；
步骤（4）、均匀化退火；将得到的铸锭进行均匀化退火处理；即：将φ150mm的铸锭加热至1180℃保温20h后，进行空冷，抑制δ相和Nb等元素的偏析。
步骤（5）、棒材挤压；将φ150mm的坯料放入挤压筒，950℃下进行正向挤压，得到φ15mm的坯料；如图2所示。
步骤（6）、连续退火；对φ15mm坯料进行连续退火，消除应力；
步骤（7）、连续挤压；采用不等通道转角连续挤压装置，将φ15mm的坯料进行多道次连续挤压，坯料尺寸变化为：φ15mm→φ12mm→φ9mm→φ7.5mm→φ6mm→φ4.5mm→φ3mm→φ2mm。每次挤压前都要对坯料进行连续退火，以恢复坯料的塑性，防止产生加工硬化，最终得到φ2mm的丝材。利用挤压变形和摩擦热，在无外加热源的情况下促使材料连续升温，保证挤压可靠进行。
本发明不局限于上述实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种GH4169合金焊丝短流程制备方法，其特征在于：该合金焊丝制造时所使用的原料按重量百分比计，由以下组份组成：Ni：50.0%～55.0%，Cr：17.0%～21.0%，Nb：5.00%～5.50%，Mo：2.80%～3.30%，Ti：0.75%～1.15%，Al：0.30%～0.70%，C：0.02%～0.06%，其余为Fe，其制备方法包括以下步骤：
步骤（1）、配料；按照上述配比称取各组分，根据不同焊接件的性能要求微调合金的配料比；
步骤（2）、熔炼；采用真空感应电渣重熔炉对合金进行冶炼；
步骤（3）、铸锭；将脱硫、脱氧和脱磷后的金属液进行精炼，制成φ150mm的铸锭；
步骤（4）、均匀化退火；将得到的铸锭进行均匀化退火处理；
步骤（5）、棒材挤压；将步骤（4）均匀化退火后的φ150mm坯料进行挤压得到φ15mm坯料；
步骤（6）、连续退火；对φ15mm坯料进行连续退火；
步骤（7）、连续挤压；对φ15mm的坯料进行挤压，然后再进行连续退火，进行多道次循环，每次挤压前对坯料进行连续退火，最终得到φ2mm的丝材。
2.根据权利要求1所述的一种GH4169合金焊丝短流程制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，熔炼：先将称量好的Ni、Cr、Nb、Mo、C、Fe原材料放入坩埚中，抽真空，通电加热至1320℃～1400℃全部熔化，停电通入氩气,然后重新通电继续加热至1260℃～1320℃，再加入称量好的高纯Ti、Al金属，最后加入精炼剂、脱氧剂后搅拌，再加入晶粒细化剂和变质剂，熔化5～20分钟后进行扒渣。
3.根据权利要求1或2所述的一种GH4169合金焊丝短流程制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中，精炼后调整金属液温度至1260℃～1320℃，匀速浇注成φ150mm的铸锭。
4.根据权利要求3所述的一种GH4169合金焊丝短流程制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中的均匀化退火：将φ150mm的铸锭加热至1180℃，保温20h后进行空冷，抑制过程中产生δ相和Nb元素的偏析。
5.根据权利要求1、 2 或4所述的一种GH4169合金焊丝短流程制备方法，其特征在于：所述步骤（5）中，将φ150mm的坯料放入挤压筒，950℃下进行正向挤压，得到所述的φ15mm坯料。
6.根据权利要求5所述的一种GH4169合金焊丝短流程制备方法，其特征在于：所述步骤（7）中，采用不等通道转角连续挤压设备，将φ15mm坯料进行多道次连续挤压，利用挤压变形和摩擦热，在无外加热源的情况下促使材料连续升温，坯料尺寸变化为：φ15mm→φ12mm→φ9mm→φ7.5mm→φ6mm→φ4.5mm→φ3mm→φ2mm。
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