CN108893689B

CN108893689B - Inconel718合金盘锻件均匀化制造方法

Info

Publication number: CN108893689B
Application number: CN201810636609.6A
Authority: CN
Inventors: 刘洋; 谢静; 袁士翀; 廖佳; 周文武
Original assignee: China National Erzhong Group Deyang Wanhang Die Forging Co ltd
Current assignee: China National Erzhong Group Deyang Wanhang Die Forging Co ltd
Priority date: 2018-06-20
Filing date: 2018-06-20
Publication date: 2020-09-04
Anticipated expiration: 2038-06-20
Also published as: CN108893689A

Abstract

本发明涉及锻造技术领域，提供了一种Inconel718合金盘锻件均匀化制造方法，包括如下步骤：将坯料加热至始锻温度，然后对坯料进行镦粗，镦粗变形量为30％～50％；将坯料回炉加热至始锻温度，然后对坯料进行拔长；拔长变形量为30％～50％；重复镦粗、拔长操作至少一次；然后将坯料锻造成型；对成型的锻件进行固溶+时效的方式进行热处理；每个火次的始锻温度为1000～1100℃，每个火次的终锻温度≥920℃。通过多次镦粗和拔长的均匀化锻造，不仅保证了坯料能充分锻透，破碎铸态组织、锻合内部孔隙性缺陷；而且能减小Laves相，提高了Inconel718合金的塑性；通过控制始锻温度、终锻温度和每个火次锻造的变形量，促使Inconel718合金中的δ相在晶界和晶内析出，使晶粒细化。

Description

Inconel718合金盘锻件均匀化制造方法

技术领域

本发明涉及锻造技术领域，特别涉及一种Inconel718合金盘锻件均匀化制造方法。

背景技术

燃气轮机是继蒸汽轮机和内燃机之后的新一代动力装置，是一个国家综合实力的体现，对保护国防与能源安全、改善能源结构和实现环境可持续发展具有重要意义。目前我国研制的燃气机组均采用国外设计，大部分关键部件均从国外进口，特别是机组转子和高温不锈钢锻件由于外方公司进行技术封锁，材料及关键锻件国产化和自主研究长期未有突破，成为我国燃气机组发展的严重瓶颈。

随着国民经济的发展，我国加大重型燃气轮机的研发力度和科技投入，启动“两机重大专项”。因此，尽快开发出燃气机组的关键材料及核心锻件，达到国际先进水平，替代进口，是目前的急需任务，也是重大机遇。

Inconel718合金是一种沉淀强化型镍基高温合金，具有良好的高温蠕变强度、抗疲劳性能、抗氧化和抗热腐蚀性能。由于其出色的机械性能，用于制造需要在高温、高强度环境下工作的零部件，广泛应用于航空航天、石油化工和核化工等高要求行业。Inconel718合金传统的成形方式主要有锻造和铸造，锻造Inconel718合金力学性能良好，但不易成形大尺寸零件，而大尺寸零件指的是外轮廓尺寸≥Φ800mm的锻件；大尺寸零件尽管可以采用铸造方法制造，但通常铸造的力学性能较低，特别是当铸锭尺寸较大时，容易产生元素Nb的偏析，导致Laves相的析出、白班和黑斑等严重问题。

目前，燃气轮机用的第一级轮盘就是采用Inconel718高温合金锻件进行制造的，精加工后的锻件重量达到了1.9吨，最大外轮廓尺寸约为Φ1200×240mm，高径比约为0.2，最大投影面积约1.1m²。而市场上不能直接采购到上述尺寸的锻件，因此就需要将一定尺寸的棒料锻造成上述尺寸的锻件，锻造上述尺寸锻件的棒料的下料尺寸为Φ450～Φ550mm，且高径比约为3.6，这种规格的棒料在市场上不能直接采购到锻态性棒料，锻态性棒料的晶粒度≥6.0级，市场上只能采购到铸锭性棒料，铸锭性棒料的晶粒度为0～1级。

目前，我国还没有将铸锭性质的棒料锻造成大尺寸锻件的工艺，因此在原材料为铸锭性质坯料的情况下，获得组织性能良好、满足标准要求的Inconel718锻件是目前我国锻造领域急需解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：在原材料为铸锭性质坯料的情况下，提供一种能获得良好组织性能的Inconel718合金盘锻件均匀化制造方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：Inconel718合金盘锻件均匀化制造方法，包括如下步骤：

S1、将坯料加热至始锻温度，然后对坯料进行镦粗，镦粗变形量为30％～50％；

S2、步骤S1完成后，将坯料回炉加热至始锻温度，然后对坯料进行拔长；拔长变形量为30％～50％；

S3、步骤S2完成后，重复步骤S1、S2至少一次；然后将坯料锻造成型；

S4、步骤S3完成后，对成型的锻件进行固溶+时效的方式进行热处理；

步骤S1、S2和S3中，每个火次的始锻温度为1000～1100℃，每个火次的终锻温度≥920℃。

进一步的，步骤S4中，首先，将成型的锻件加热至960～980℃，炉内保温1～2h后，将锻件出炉后进行冷却；然后再将锻件加热至710～730℃，炉内保温7～9h后，将锻件随炉冷却至610～630℃，炉内保温7～9h后，将锻件出炉空冷。

进一步的，步骤S4中，锻件随炉冷却时以50～60℃/h的冷却速度冷却至610～630℃。

进一步的，步骤S1中，对坯料进行第一火次镦粗操作时，首先将坯料的下端插入下端盖的凹槽内；然后将坯料的上端插入上端盖的凹槽内；通过上端盖和下端盖对坯料进行镦粗。

进一步的，在进行第一火次镦粗操作时，所述上端盖和下端盖的温度≥350℃。

进一步的，步骤S1、S2和S3中，在对坯料进行镦粗和拔长操作时，与坯料直接接触的镦拔设备上零部件的温度≥350℃。

进一步的，步骤S4中，将锻件放在热处理工装上进行热处理；所述热处理工装包括料盘和固定在料盘上的支柱；所述锻件的一端放在料盘上；所述锻件的另一端支撑在支柱上。

进一步的，步骤S4中，所述锻件的下表面与料盘之间的夹角为15°～30°。

进一步的，步骤S4中，在进行热处理之前，锻件的所有拐角处圆弧过渡。

本发明的有益效果是：本发明的Inconel718合金盘锻件均匀化制造方法，通过多次镦粗和拔长的均匀化锻造，不仅保证了坯料能充分锻透，破碎铸态组织、锻合内部孔隙性缺陷；而且能减小Laves相，提高了Inconel718合金的塑性；通过控制始锻温度、终锻温度和每个火次锻造的变形量，促使Inconel718合金中的δ相在晶界和晶内析出，使晶粒细化；通过控制热处理工艺，进而改变了Inconel718合金中δ相的数量和分布，获得良好的组织性能，使成型后的Inconel718锻件满足标准要求。

附图说明

图1是本发明中上下端盖与坯料的安装结构示意图；

图2是本发明中成型后的锻件在热处理时的摆放图；

图3是本发明的实施例中锻件的结构图。

图中附图标记为：1-坯料，2-下端盖，3-上端盖，4-热处理工装，41-料盘，42-支柱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

如图1至图3所示，本发明所述的Inconel718合金盘锻件均匀化制造方法，包括如下步骤：

S1、将坯料1加热至始锻温度，然后对坯料1进行镦粗，镦粗变形量为30％～50％；

S2、步骤S1完成后，将坯料1回炉加热至始锻温度，然后对坯料1进行拔长；拔长变形量为30％～50％；

S3、步骤S2完成后，重复步骤S1、S2至少一次；然后将坯料1锻造成型；

步骤S1中，所述坯料1为铸锭性质的棒料，它的晶粒度为0～1级；将坯料1加热到始锻温度，有利于在整个锻造过程中，Inconel718合金始终处于塑性较好的状态，进而减少坯料1在锻造过程中出现裂纹。

步骤S1、S2和S3中,每次镦粗或拔长操作之前，都将坯料1加热到始锻温度，首先，保证了坯料1在锻造时的塑性，其次，能起到使坯料1的组织均匀化以及缺陷修复的效果。

由于铸锭性质的Inconel718合金中存在大量的脆性Laves相，会大大降低合金的塑性，因此，在步骤S1、S2和S3中,通过多次镦粗和拔长操作，不仅保证了坯料1能充分锻透，破碎铸态组织、锻合内部孔隙性缺陷；而且能减小Inconel718合金中的Laves相，提高了Inconel718合金的塑性。

Inconel718合金是一种镍基高温合金，它是以γ″相为主要强化相并辅以γ′相强化的，大量细小、弥散，均匀化的γ″、γ′相与基体共格产生的应变能以及第二相粒子的细小析出使合金得以强化。由于铸锭性质的Inconel718合金中存在大量的δ相，δ相与基体不存在共格关系，对合金没有强化作用，同时，δ相对合金强度的不利影响在于它的形成较少了γ″强化相的数量。

发明人通过大量试验得出，Inconel718合金锻件的δ相与始锻温度、终锻温度和每个火次锻造的变形量有关。发明人通过大量试验，在始锻温度为1000～1100℃、终锻温度为≥920℃和每个火次的锻造变形量为30％～50％范围，能促使Inconel718合金中的δ相在晶界和晶内析出，使晶粒细化，同时增加起强化作用的γ″相，获得较好综合性能的Inconel718合金锻件。

锻件锻造成型后，通过步骤S4对锻件进行固溶+时效的方式进行热处理，通过热处理，进一步改善锻件内的组织结构，提高锻件的综合性能。

由于Inconel718合金的金相组织复杂，合金成分偏析和热加工控制存在一定的难度，在热处理中，难免会出现组织状态不佳的现象，作为优选方案，步骤S4中，首先，将成型的锻件加热至960～980℃，炉内保温1～2h后，将锻件出炉后进行冷却；然后再将锻件加热至710～730℃，炉内保温7～9h后，将锻件随炉冷却至610～630℃，炉内保温7～9h后，将锻件出炉空冷。

锻件在960～980℃保温过程中，随着时间延长，合金中各个相在不同的变化：晶体内部的δ相由于溶解点低，回溶到基体中；而晶界的δ相则继续保持模锻时的形态，起到钉扎作用，阻止晶粒长大。同时，γ′相和γ″相在锻造时存在析出不均匀、尺寸偏大的现象，在此过程中也可将部分γ′相和γ″相固溶入基体中，使其尺寸均匀、尺寸合理。在时效阶段，通过试验发现在710～730℃、610～630℃两个阶段的时效可以得到均匀、细小、呈现球状的纳米级别的强化相、γ′相和γ″相，此时的性能匹配最优。

作为优选方案，步骤S4中，锻件随炉冷却时以50～60℃/h的冷却速度冷却至610～630℃。

炉冷冷速在50～60℃/h，一是可以降低锻件的内应力，避免内应力过高给后续加工带来困难；二是避免锻件内外温差过大，使其在可接受的程度范围内。

Inconel718合金在镦粗时的最大高径比要求是2.5，而本发明中的坯料1的高径比高达3.6，因此，采用本发明中的坯料1进行锻造时，坯料1在第一次火镦粗时，存在失稳、弯曲、双鼓等风险，为了解决该问题，作为优选方案，步骤S1中，对坯料1进行第一火次镦粗操作时，首先将坯料1的下端插入下端盖2的凹槽内；然后将坯料1的上端插入上端盖3的凹槽内；通过上端盖3和下端盖2对坯料1进行镦粗。

锻造时，将坯料1安装在上端盖3和下端盖2上，通过上端盖3和下端盖2的作用，增大了镦粗设备与坯料1的接触面积，避免了坯料1在第一次镦粗过程中出现失稳、弯曲、双鼓等风险。

为保证坯料1在锻造过程中的温度，作为优选方案，在进行第一火次镦粗操作时，所述上端盖3和下端盖2的温度≥350℃。通过控制上端盖3和下端盖2的温度，减小了坯料1与上端盖3和下端盖2的温度差，降低了坯料1在单位时间内的温度减小量，提高了锻造质量。进一步，所述坯料1在每次加热完成后，坯料1出炉后，在坯料1的上下端面处进行保温处理，例如在坯料1的上下端面包裹保温棉。进一步，步骤S1、S2和S3中，在对坯料1进行镦粗和拔长操作时，与坯料1直接接触的镦拔设备上零部件的温度≥350℃。

为了保证成型后锻件的淬透性，作为优选方案，步骤S4中，将锻件放在热处理工装4上进行热处理；所述热处理工装4包括料盘41和固定在料盘41上的支柱42；所述锻件的一端放在料盘41上；所述锻件的另一端支撑在支柱42上。通过将锻件放在热处理工装4上，使锻件在热处理工装4上倾斜放置，当对锻件进行加热或冷却时，增大了锻件与外界的接触面积，保证了锻件各个表面的加热或冷却速度的一致性，提高了锻件的淬透性。

作为优选，步骤S4中，所述锻件的下表面与料盘41之间的夹角为15°～30°，进一步，所述锻件的下表面与料盘41之间的夹角为25°。

步骤S4中，在进行热处理之前，锻件的所有拐角处圆弧过渡。通过将锻件的拐角处圆弧设置，避免了锻件上相邻截面之间的剧烈过渡，减小了零件的变形，降低了锻件相邻截面处的残余应力。

实施例：

某厂根据本发明的均匀化制造方法设计进行了工程试验，坯料1为铸锭性质的棒料，棒料规格为Φ420×1600mm，最终锻造成最大轮廓尺寸为Φ1200×240mm的Inconel718锻件。

实施例1：

1、坯料1的始锻温度为1000℃，终锻温度为920℃；镦粗和拔长变形量为30％～50％；

2、热处理：首先，将成型后的锻件加热至960℃，炉内保温1～2h后，锻件出炉后空冷至室温，然后将锻件加热至710℃，炉内保温7～9h后，将锻件以50℃/h的冷却速度随炉冷却至610℃，炉内保温7～9h后，锻件出炉空冷。

将锻件的外表面加工成图3所示的结构，图中A～M指的是锻件不同位置的检测表面，对图3中的A～M表面进行接触法超声检测，检测结果如下：

检测面B～L；杂波水平：φ0.5-16dB；达到了φ0.5探伤水平，满足标准要求。

检测面A；杂波水平：φ0.5-12dB；达到了φ0.5探伤水平，满足标准要求。

检测面M；杂波水平：φ0.5-12dB；达到了φ0.5探伤水平，满足标准要求。

对热处理后的锻件进行理化检测，整体晶粒度为7.0～9.5级。

实施例2：

1、坯料1的始锻温度为1050℃，终锻温度为930℃；镦粗和拔长变形量为30％～50％；

2、热处理：首先，将成型后的锻件加热至970℃，炉内保温1～2h后，锻件出炉后空冷至室温，然后将锻件加热至720℃，炉内保温7～9h后，将锻件以55℃/h的冷却速度随炉冷却至620℃，炉内保温7～9h后，锻件出炉空冷。

对热处理后的锻件进行理化检测，整体晶粒度为7.0～9.5级。

实施例3：

1、坯料1的始锻温度为1100℃，终锻温度为920℃；镦粗和拔长变形量为30％～50％；

2、热处理：首先，将成型后的锻件加热至980℃，炉内保温1～2h后，锻件出炉后空冷至室温，然后将锻件加热至730℃，炉内保温7～9h后，将锻件以60℃/h的冷却速度随炉冷却至630℃，炉内保温7～9h后，锻件出炉空冷。

对热处理后的锻件进行理化检测，整体晶粒度为7.0～9.5级。

实施例4：

2、热处理：首先，将成型后的锻件加热至960℃，炉内保温1～2h后，锻件出炉后空冷至室温，然后将锻件加热至730℃，炉内保温7～9h后，将锻件以55℃/h的冷却速度随炉冷却至630℃，炉内保温7～9h后，锻件出炉空冷。

对热处理后的锻件进行理化检测，整体晶粒度为7.0～9.5级。

实施例5：

2、热处理：首先，将成型后的锻件加热至980℃，炉内保温1～2h后，锻件出炉后空冷至室温，然后将锻件加热至710℃，炉内保温7～9h后，将锻件以60℃/h的冷却速度随炉冷却至610℃，炉内保温7～9h后，锻件出炉空冷。

对热处理后的锻件进行理化检测，整体晶粒度为7.0～9.5级。

分别在实施例1～5的锻件中选取试样进行室温力学性能检测和高温力学性能检测：在每个实施例中的锻件不同部位选取了4个试样进行室温力学性能检测、4个试样进行高温力学性能检测，检测结果如下表所述：

由上表可知，本发明的制造方法制造的锻件的室温抗拉强度、室温屈服强度、650℃抗拉强度和650℃屈服强度都满足标准要求。

Claims

1.Inconel718合金盘锻件均匀化制造方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、将坯料（1）加热至始锻温度，然后对坯料（1）进行镦粗，镦粗变形量为30%～50%，所述坯料（1）为铸锭性质的棒料；

S2、步骤S1完成后，将坯料（1）回炉加热至始锻温度，然后对坯料（1）进行拔长；拔长变形量为30%～50%；

S3、步骤S2完成后，重复步骤S1、S2至少一次；然后将坯料（1）锻造成型；

S4、步骤S3完成后，对成型的锻件进行固溶+时效的方式进行热处理；将锻件放在热处理工装（4）上进行热处理；所述热处理工装（4）包括料盘（41）和固定在料盘（41）上的支柱（42）；所述锻件的一端放在料盘（41）上；所述锻件的另一端支撑在支柱（42）上；

步骤S1、S2和S3中，每个火次的始锻温度为1000～1100℃，每个火次的终锻温度≥920℃；

步骤S1中，对坯料（1）进行第一火次镦粗操作时，上端盖（3）和下端盖（2）的温度≥350℃，首先将坯料（1）的下端插入下端盖（2）的凹槽内；然后将坯料（1）的上端插入上端盖（3）的凹槽内；通过上端盖（3）和下端盖（2）对坯料（1）进行镦粗。

2.根据权利要求1所述的Inconel718合金盘锻件均匀化制造方法，其特征在于：步骤S4中，首先，将成型的锻件加热至960～980℃，炉内保温1～2h后，将锻件出炉后进行冷却；然后再将锻件加热至710～730℃，炉内保温7～9h后，将锻件随炉冷却至610～630℃，炉内保温7～9h后，将锻件出炉空冷。

3.根据权利要求2所述的Inconel718合金盘锻件均匀化制造方法，其特征在于：步骤S4中，锻件随炉冷却时以50～60℃/h的冷却速度冷却至610～630℃。

4.根据权利要求1、2或3所述的Inconel718合金盘锻件均匀化制造方法，其特征在于：步骤S1、S2和S3中，在对坯料（1）进行镦粗和拔长操作时，与坯料（1）直接接触的镦拔设备上零部件的温度≥350℃。

5.根据权利要求1所述的Inconel718合金盘锻件均匀化制造方法，其特征在于：步骤S4中，所述锻件的下表面与料盘（41）之间的夹角为15°～30°。

6.根据权利要求1、2或3所述的Inconel718合金盘锻件均匀化制造方法，其特征在于：步骤S4中，在进行热处理之前，锻件的所有拐角处圆弧过渡。