CN109097711A - 一种改善合金开坯组织性能的部分均匀化直接缓冷工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种改善合金开坯组织性能的部分均匀化直接缓冷工艺，该工艺将加热炉升温至400℃，将难变形镍基高温GH4720Li合金铸锭放入加热炉中，随炉升温至1160～1180℃，平均升温速率为100～300℃/h，并保温20～70h；然后将热处理后铸锭随炉以10～30℃/h冷却速率缓冷至1050～900℃；最后将铸锭炉冷到500℃以下，取出空冷到室温；冷却后的铸锭表面打磨光滑后，在锻锤上进行后续的锻造开坯。该工艺采用部分均匀化加直接缓冷的处理方法，以提高GH4720Li合金铸锭的开坯塑性和开坯效率，降低开坯变形抗力，提高合金的再结晶程度和晶粒组织的均匀性，从而有效改善GH4720Li合金铸锭的开坯组织性能。

Description

一种改善合金开坯组织性能的部分均匀化直接缓冷工艺
技术领域
本发明是一种改善合金开坯组织性能的部分均匀化直接缓冷工艺，属于高合金化镍基变形高温合金的热加工工艺。
背景技术
GH4720Li合金是一种具有高强度、耐腐蚀和时效强化的镍基变形高温合金，主要用作650～750℃长期使用或900℃短期使用的压气机盘和涡轮盘材料[Vaunois J R,Cormier J,Villechanise P,et al.Influence of bothγ'distribution and grainsize on the tensile properties of Udimet 720Li at room temperature[C].In:OttE A,Groh J R,Banik A,eds.7th International Symposium on Superalloy 718andDerivatives,Superalloy 718,625,706 and various derivatives,TMS,Warrendale,PA,2010,199-213.]，在高性能发动机中发挥着十分重要的作用。该合金的合金化程度很高，强化相γ′的体积分数高达40％～50％，导致合金铸锭不可避免地存在元素偏析和枝晶间共晶析出相。严重的元素偏析导致铸锭析出相分布不均匀，进而影响棒坯及锻件组织的均匀性；枝晶间的大尺寸共晶相对合金开坯性能非常不利，且影响锻件的力学性能。此外，合金铸锭更高温均匀化时，会有低熔点硼化物熔化，从而降低合金的开坯性能。因此，必须采取合理的均匀化处理方法，有效降低或消除元素偏析和枝晶间共晶析出相，同时避免低熔点相熔化，以改善开坯性能和开坯组织均匀性，为最终获得均匀细晶盘锻件做好开坯前的铸锭组织准备。
目前，国外将镍基变形高温合金的均匀化工艺作为技术秘密严格保密。国内针对其他镍基变形高温合金的均匀化工艺进行了系统报道，如对于Ф406锭型的GH169合金，均匀化工艺为1160℃×20h，空冷+1190℃×30h，空冷；对于Ф280mm锭型的GH742合金，均匀化工艺为1160×16h，空冷。但只报道了GH4720Li合金铸锭适宜的均匀化温度[杜金辉，曲敬龙，邓群，等.GH720Li合金的铸态组织和均匀化工艺[J].钢铁研究学报，2005，17(3):60～64.]，针对该合金铸锭的均匀化工艺未见明确报道。
国内现有GH4720Li合金铸锭均匀化工艺的制定以Ti元素残余偏析指数小于0.2作为依据。该依据也被作为合金完全均匀化的指标。这种提高合金均匀化程度得到的完全均匀化空冷技术虽然会使得γ′相元素分布均匀，但高温和长时间保温导致该合金铸锭晶粒组织过于粗大，增加了铸锭开坯时开裂的几率、开坯变形抗力以及开坯次数，严重影响了开坯塑性和开坯效率，极易造成开坯组织分布不均匀。因此，改进完全均匀化空冷处理的开坯前处理方法，以经济高效地提高后续开坯组织的均匀性，就显得十分重要。
发明内容
针对以上不足，本发明提供了一种改善GH4720Li合金开坯组织性能的部分均匀化直接缓冷工艺，该工艺采用降低均匀化程度的部分均匀化加直接缓冷的处理方法，解决了完全均匀化处理导致的铸锭开坯性能差、开坯组织均匀差和开坯效率低的问题，提高了铸锭开坯塑性和开坯效率，降低了开坯变形抗力，实现了GH4720Li合金开坯组织均匀性的有效控制。
为了达到以上目的，本发明采用以下技术方案：
该种改善合金开坯组织性能的部分均匀化直接缓冷工艺，所述合金为GH4720Li，其特征在于：该工艺的步骤如下：
步骤一、将加热炉升温至400℃，将GH4720Li合金铸锭放入加热炉中，随炉升温至1160～1180℃，平均升温速率为100～300℃/h，并保温20～70h；
步骤二、将GH4720Li合金铸锭随炉以10～30℃/h的冷却速率缓冷至1050～900℃；
步骤三、关断加热炉电源，使GH4720Li合金铸锭随炉冷却到500℃时，取出空冷到室温；
步骤四、将冷却后的GH4720Li合金铸锭表面打磨光滑后，在锻锤上进行后续的锻造开坯。
进一步，步骤一中的加热温度为1170℃。
进一步，步骤一中的平均升温速率为200℃/h。
进一步，步骤一中的保温时间为40h。
进一步，步骤二中的冷却速率为20℃/h。
进一步，步骤二中的冷却温度为950℃。
通过对比已有的完全均匀化空冷工艺和本发明提出的部分均匀化加直接缓冷两种工艺下GH4720Li铸态合金在变形温度1130℃、应变速率0.1s-1、变形程度20％和50％条件下的热压缩结果，说明本发明的优势：
(1)降低变形抗力。经本发明处理的试样在变形过程中的流变应力明显降低，如图1所示，其峰值应力比现有完全均匀化空冷试样降低了21％。
(2)获得良好的开坯前组织。本发明实现不完全均匀化的手段是将测定的Ti元素残余偏析指数控制在0.4～0.6的范围内，可获得良好的部分均匀化效果，既可保证铸态GH4720Li合金的枝晶偏析有80％以上的消减程度，如图2(a)所示，又能保证铸锭平均晶粒尺寸小于0.5mm，为降低铸锭开坯时开裂的几率、开坯变形抗力以及开坯次数作好了前期准备，提高了合金开坯塑性和开坯效率。在此基础上再结合直接缓冷工艺，将GH4720Li合金铸锭随炉以10～30℃/h的冷却速率缓冷至1050～900℃，该项技术措施使合金晶界弯曲现象明显，且枝晶间形成粗大的γ′相(见图3)，为开坯过程均匀细小动态再结晶组织的快速形成做好了组织准备。而完全均匀化空冷工艺处理后，铸态GH4720Li合金的枝晶偏析基本完全消除，但形成了非常粗大的晶粒组织(部分晶粒尺寸超过1mm)，如图2(b)，给后续开坯塑性和组织均匀性控制带来极大的困难。
(3)热加工后的再结晶组织充分均匀且细小。经本发明处理后的试样变形过程再结晶比较充分，形成的动态再结晶组织细小均匀，如图4(a)所示；而经完全均匀化空冷工艺处理后，试样变形后再结晶程度很低，需要很大的开坯变形量才能实现开坯组织的均匀。
附图说明
图1中上方曲线为完全均匀化空冷工艺处理后的试样在变形过程中的真应力-真应变曲线；下方曲线为本发明部分均匀化加直接缓冷工艺处理后的试样在变形过程中的真应力-真应变曲线；
图2中(a)为本发明部分均匀化加直接缓冷工艺处理后试样的晶粒组织照片，(b)为完全均匀化空冷工艺处理后的试样晶粒组织照片；
图3为经本发明部分均匀化加直接缓冷工艺处理后试样的γ′相组织照片
图4中(a)为经本发明部分均匀化加直接缓冷工艺处理后的试样变形后的再结晶组织照片，(b)为完全均匀化空冷工艺处理后的试样变形后的再结晶组织照片
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的说明：
实施例1
本发明所述的改善合金开坯组织性能的部分均匀化直接缓冷工艺的步骤如下：
(1)将加热炉升温至400℃，将GH4720Li合金铸锭放入加热炉中，随炉升温至1160℃，平均升温速率为300℃/h，并保温60h以溶解合金中的析出相和部分消除Ti元素偏析；
(2)将GH4720Li合金铸锭随炉以10℃/h冷却速率缓冷至950℃；
(3)关断加热炉电源，使GH4720Li合金铸锭随炉冷却到500℃时，取出空冷到室温；
(4)将冷却后的铸锭表面打磨光滑后，在锻锤上进行后续的锻造开坯。
经过本实施例工艺中最小的缓冷速度处理后，合金铸锭晶界弯曲现象更加明显，枝晶γ′相更加粗大，使得开坯后再结晶晶粒尺寸更加细小。
实施例2
本发明所述的改善合金开坯组织性能的部分均匀化直接缓冷工艺的步骤如下：
(1)将加热炉升温至400℃，将GH4720Li合金铸锭放入加热炉中，随炉升温至1170℃，平均升温速率为200℃/h，并保温40h以溶解合金中的析出相和部分消除Ti元素偏析；
(2)将GH4720Li合金铸锭随炉以20℃/h冷却速率缓冷至950℃；
(3)关断加热炉电源，使GH4720Li合金铸锭随炉冷却到500℃时，取出空冷到室温；
(4)将冷却后的铸锭表面打磨光滑后，在锻锤上进行后续的锻造开坯。
经过本实施例工艺处理的合金铸锭均匀化程度较高，偏析情况明显改善，在通过适当的缓冷速度处理，保证了开坯后再结晶晶粒组织更加均匀细小。
实施例3
本发明所述的改善合金开坯组织性能的部分均匀化直接缓冷工艺的步骤如下：
(1)将加热炉升温至400℃，将GH4720Li合金铸锭放入加热炉中，随炉升温至1180℃，平均升温速率为200℃/h，并保温20h以溶解合金中的析出相和部分消除Ti元素偏析；
(2)将GH4720Li合金铸锭随炉以25℃/h冷却速率缓冷至1000℃；
(3)关断加热炉电源，使GH4720Li合金铸锭随炉冷却到500℃时，取出空冷到室温；
(4)将冷却后的铸锭表面打磨光滑后，在锻锤上进行后续的锻造开坯。
经过本实施例工艺处理的合金铸锭经济高效地实现合金铸锭均匀化过程，开坯后再结晶晶粒组织也比较均匀细小。

Claims (6)

1.一种改善合金开坯组织性能的部分均匀化直接缓冷工艺，所述合金为GH4720Li，其特征在于：该工艺的步骤如下：
步骤一、将加热炉升温至400℃，将GH4720Li合金铸锭放入加热炉中，随炉升温至1160～1180℃，平均升温速率为100～300℃/h，并保温20～70h；
步骤二、将GH4720Li合金铸锭随炉以10～30℃/h的冷却速率缓冷至1050～900℃；
步骤三、关断加热炉电源，使GH4720Li合金铸锭随炉冷却到500℃时，取出空冷到室温；
步骤四、将冷却后的GH4720Li合金铸锭表面打磨光滑后，在锻锤上进行后续的锻造开坯。
2.根据权利要求1所述的改善合金开坯组织性能的部分均匀化直接缓冷工艺，其特征在于：步骤一中的加热温度为1170℃。
3.根据权利要求1所述的改善合金开坯组织性能的部分均匀化直接缓冷工艺，其特征在于：步骤一中的平均升温速率为200℃/h。
4.根据权利要求1所述的改善合金开坯组织性能的部分均匀化直接缓冷工艺，其特征在于：步骤一中的保温时间为40h。
5.根据权利要求1所述的改善合金开坯组织性能的部分均匀化直接缓冷工艺，其特征在于：步骤二中的冷却速率为20℃/h。
6.根据权利要求1所述的改善合金开坯组织性能的部分均匀化直接缓冷工艺，其特征在于：步骤二中的冷却温度为950℃。
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