CN110016628A - 一种基于组织均匀所需最小应变的锻造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于组织均匀所需最小应变的锻造方法。所述方法基于GH4169合金锻造工艺，采用五种不同Nb含量的双锥试样，分别在五种预设温度下进行锻造实验，分析Nb含量、变形温度和应变量对晶粒均匀性的影响，获得五种不同Nb含量、五种不同变形温度下锻造后晶粒所需的最小应变。从而在锻件的实际生产中，可以根据材料的Nb成分含量选取最小应变和变形温度进行锻造工艺设计，能够避免因对材料施加过大载荷而所造成的成本浪费，提高锻造方法的适用性，并且提高锻件组织均匀性。

Description

一种基于组织均匀所需最小应变的锻造方法

技术领域

本发明涉及合金锻造制备技术领域，特别是涉及一种基于组织均匀所需最小应变的锻造方法。

背景技术

GH4169合金相当于美国Inconel718合金、法国NC19FeNb合金，是一种沉淀强化Ni基(镍基)变形高温合金，以奥氏体γ为基体，体心四方γ″(Ni₃Nb)和面心立方γ′(Ni₃(Al，Ti))作为强化相；在650℃以下具有较好的持久强度，加上优异的拉伸强度、疲劳强度和屈服强度，成为先进航空发动机优选的机匣材料，用于制作推重比为7的先进航空发动机涡轮盘件，与它成分相同的Inconel718合金在国外广泛用于制作不同型号的发动机涡轮机匣。

在生产应用过程中，对所需的GH4169合金锻件的基本要求为组织均匀，才能保证锻件各部位性能的一致性。但是，GH4169合金的组织对工艺参数十分敏感，GH4169合金的Nb成分波动使得GH4169合金锻件获得均匀组织所需的锻造温度和最小变形量存在差异，导致相同工艺条件下，锻件出现组织不均匀现象，不能满足锻件组织要求。

专利CNIO4732012A提供了一种基于亚尺寸双锥压缩实验的合金锻件晶粒度与锻造热力参数关系的建立方法，并基于该方法成功获得了满足要求的GH4169合金盘件。但是，该专利技术只对单一成分组合的GH4169合金进行了研究，因此仅针对单一成分组合的GH4169合金有效，不适用于多种不同成分的GH4169合金材料。将专利CNIO4732012A提供的方法应用于不同Nb成分的GH4169合金材料的锻造时，锻件组织均匀性不能满足锻件组织要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于组织均匀所需最小应变的锻造方法，以解决现有合金锻造方法不适用于多种不同成分的GH4169合金材料，导致锻件组织均匀性不能满足锻件组织要求的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于组织均匀所需最小应变的锻造方法，所述锻造方法包括：

准备预设Nb含量的双锥试样；所述双锥试样为GH4169合金的双锥形试样；

对所述预设Nb含量的双锥试样在预设温度下进行锻造实验，获得所述预设Nb含量的双锥试样在所述预设温度下的金相组织照片；

根据所述金相组织照片确定所述预设Nb含量的双锥试样在所述预设温度下的最小应变并存储于数据库中；

获取待锻造的GH4169合金锻件及变形温度；

根据所述待锻造的GH4169合金锻件的Nb含量以及所述变形温度，从所述数据库中提取所述待锻造的GH4169合金锻件及所述变形温度对应的最小应变；

根据所述变形温度及所述最小应变对所述GH4169合金锻件进行锻造，形成组织均匀的GH4169合金锻件。

可选的，所述准备预设Nb含量的双锥试样，具体包括：

准备预设Nb含量的双锥试样；所述预设Nb含量的范围为5.07％～5.15％、5.27％～5.29％、5.40％、5.41％～5.44％或5.42％～5.46％。

可选的，所述对所述预设Nb含量的双锥试样在预设温度下进行锻造实验，获得所述预设Nb含量的双锥试样在所述预设温度下的金相组织照片，具体包括：

对所述预设Nb含量的双锥试样涂抹润滑剂；

将涂抹润滑剂后的所述预设Nb含量的双锥试样在所述预设温度下保温1h，进行压缩实验；

对压缩后的双锥试样进行切割、研磨、腐蚀，形成处理后的双锥试样；

通过金相显微镜获得所述处理后的双锥试样的金相组织照片。

可选的，所述将涂抹润滑剂后的所述预设Nb含量的双锥试样在所述预设温度下保温1h，进行压缩实验，具体包括：

将涂抹润滑剂后的所述预设Nb含量的双锥试样在所述预设温度下保温1h，进行压缩实验；所述预设温度为960℃、980℃、1000℃、1020℃或1040℃。

可选的，所述根据所述金相组织照片确定所述预设Nb含量的双锥试样在所述预设温度下的最小应变并存储于数据库中，具体包括：

采用Image-Pro图像处理软件对所述金相组织照片中的晶粒直径大小进行统计，判断预设应变处的组织晶粒是否均匀，获得第一判断结果；

若所述第一判断结果为所述预设应变处的组织晶粒均匀，则确定所述预设应变为所述预设Nb含量的双锥试样在所述预设温度下的最小应变，并将所述预设Nb含量、所述预设温度与所述最小应变对应存储于数据库中；

若所述第一判断结果为所述预设应变处的组织晶粒不均匀，则不进行存储。

可选的，所述判断预设应变处的组织晶粒是否均匀，获得第一判断结果，具体包括：

统计所述金相组织照片中所述预设应变处的晶粒直径，若所述预设应变处有90％以上的晶粒直径为同一级别，则确定所述第一判断结果为所述预设应变处的组织晶粒均匀；若所述预设应变处没有90％以上的晶粒为同一级别，则确定所述第一判断结果为所述预设应变处的组织晶粒不均匀。

可选的，所述预设应变处为所述金相组织照片中应变为0.3、0.5、0.7、0.9、1.1、1.3或1.5处的组织。

可选的，所述根据所述变形温度及所述最小应变对所述GH4169合金锻件进行锻造，形成组织均匀的GH4169合金锻件，具体包括：

对GH4169合金坯料在不同变形量下进行压缩实验，获得满足所述最小应变要求的应变区域；

根据所述应变区域确定所述GH4169合金锻件的锻件尺寸；

对具有所述锻件尺寸的所述GH4169合金锻件在所述变形温度下进行锻造，形成组织均匀的GH4169合金锻件。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供一种基于组织均匀所需最小应变的锻造方法，基于GH4169合金锻造工艺，本发明采用五种不同Nb含量的双锥试样，分别在960℃/980℃/1000℃/1020℃/1040℃五种预设温度下进行锻造实验，分析Nb含量、变形温度和应变量对晶粒均匀性的影响，获得五种不同Nb含量、五种不同变形温度下锻造后晶粒所需的最小应变。从而在锻件的实际生产中，可以根据材料的Nb成分含量选取最小应变和变形温度进行锻造工艺设计，能够避免因对材料施加过大载荷而所造成的成本浪费，提高锻造方法的适用性，并且提高锻件组织均匀性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据本发明提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的基于组织均匀所需最小应变的锻造方法的流程图；

图2为本发明提供的φ60×60双锥形试样的结构示意图；

图3为本发明提供的φ60×60双锥试样锻造后的应变分布图；

图4为本发明提供的一定Nb含量和一定温度下晶粒均匀所需的最小应变值分布图；

图5为本发明提供的GH4169合金锻件锻造前的组织照片图；

图6为采用本发明方法对GH4169合金锻件进行锻造后的组织照片图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于组织均匀所需最小应变的锻造方法，以解决现有合金锻造方法不适用于多种不同成分的GH4169合金材料，导致锻件组织均匀性不能满足锻件组织要求的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明提供的基于组织均匀所需最小应变的锻造方法的流程图。参见图1，本发明提供的基于组织均匀所需最小应变的锻造方法包括：

步骤101：准备预设Nb含量的双锥试样。

准备五种预设铌(Nb)含量的双锥试样，所述双锥试样剖面如图2所示，图2单位为mm。参见图2，本发明所述双锥试样为GH4169合金的φ60×60双锥形试样(本发明中简称试样)，φ60×60中第一个60指双锥的最大直径是60mm，第二个60指高度60mm。所述GH4169合金为美国牌号Inconel718合金，法国牌号NC19FeNb合金，是一种沉淀强化Ni基(镍基)变形高温合金，以奥氏体γ为基体，体心四方γ″相(Ni₃Nb)和面心立方γ′相(Ni₃(Al，Ti))作为强化相。

所述预设Nb含量的范围为5.07％～5.15％、5.27％～5.29％、5.40％、5.41％～5.44％或5.42％～5.46％。本发明对5.07％～5.15％、5.27％～5.29％、5.40％、5.41％～5.44％或5.42％～5.46％五种不同Nb含量的双锥试样在五种不同温度下进行锻造实验，从而获得不同Nb含量的双锥试样在不同温度下对应的最小应变。再根据Nb含量、变形温度与最小应变之间的对应关系进行锻造工艺设计，采用本发明设计的锻造工艺对GH4169合金进行锻造，即可获得满足组织均匀性要求的GH4169合金锻件。

本发明所述的最小应变是指，试样锻造后所要达到的最小应变，只要不小于该最小应变值，晶粒的均匀性就满足标准要求。锻造是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法。

步骤102：对所述预设Nb含量的双锥试样在预设温度下进行锻造实验，获得所述预设Nb含量的双锥试样在所述预设温度下的金相组织照片。

本发明需要对五种不同Nb含量的双锥试样分别在五种不同温度下进行锻造实验，所述步骤102的锻造实验过程具体包括：

步骤2.1：对所述预设Nb含量的双锥试样涂抹润滑剂；优选涂抹玻璃润滑剂。

步骤2.2：将涂抹润滑剂后的所述预设Nb含量的双锥试样在所述预设温度下保温1h，进行压缩实验。

对不同Nb含量的φ60×60双锥试样分别在960℃、980℃、1000℃、1020℃和1040℃下保温1h，进行压缩实验。压缩实验中模具温度900℃，下压速度7mm/s，下压量36mm。

步骤2.3：对压缩后的双锥试样进行切割、研磨、腐蚀，形成处理后的双锥试样。

步骤2.4：通过金相显微镜获得所述处理后的双锥试样的金相组织照片。

通过观察分析所述金相组织照片中的显微组织，可以获得晶粒均匀所需最小应变。

步骤103：根据所述金相组织照片确定所述预设Nb含量的双锥试样在所述预设温度下的最小应变并存储于数据库中。

为了确定试样不同位置处的具体应变数值，通过有限元分析软件Deform-3D(有限元的工艺仿真系统)进行数值模拟，获得应变分布如图3所示，图3中Max代表最大应变；min代表最小应变；strain-effective代表等效应变。通过观察分析应变分别为0.3、0.5、0.7、0.9、1.1、1.3、1.5的7种预设应变处的组织，确定晶粒均匀的位置，从而确定最小应变。

通过分析研究每一种Nb含量下7种应变处的金相组织照片，采用Image-Pro图像处理软件对晶粒大小进行统计，通过面积法(参考GB/T6394-2017)获得晶粒直径，若有90％以上的晶粒直径为同一级别(级别评定参考ASTM(American Society forTestingMaterials，美国材料与试验协会))标准，可以判定为该应变处晶粒均匀，从而确定该应变为所述预设Nb含量的试样在所述预设温度下所对应的最小应变；若没有90％的晶粒为同一级别，则判定为该应变处晶粒不均匀。

在确定所述预设Nb含量的双锥试样在所述预设温度下的最小应变后，将所述预设Nb含量、所述预设温度与所述最小应变对应存储于数据库中。数据库中存储的预设Nb含量的双锥试样在预设温度下对应的最小应变值如图4所示。图4中的头和尾代表锻件的两端，横坐标为Nb含量，纵坐标为温度，线条上标注的数字为一定Nb含量和一定温度下晶粒均匀所需的应变值，即所述最小应变值。当需要对一定Nb成分和一定变形温度的锻件进行锻造时，根据本发明数据库中存储的数据可以确定所需的最小应变。

步骤104：获取待锻造的GH4169合金锻件及变形温度。

根据待锻造的GH4169合金锻件的Nb元素含量，结合实验设备条件，选取设备所能满足的最优变形温度作为所述变形温度，若满足多个变形温度，选最低温度为最优的所述变形温度。

步骤105：根据所述待锻造的GH4169合金锻件的Nb含量以及所述变形温度，从所述数据库中提取所述待锻造的GH4169合金锻件及所述变形温度对应的最小应变。

根据原材料(待锻造的GH4169合金锻件，本发明简称锻件)的Nb含量，结合实验设备条件，确定变形温度；再根据Nb含量、变形温度和最小应变之间的对应关系确定最小应变，例如：Nb含量5.27％～5.29％，变形温度选择为1000℃，对应的最小应变值为0.98。然后设计锻件尺寸使得锻件最小应变满足要求。

步骤106：根据所述变形温度及所述最小应变对所述GH4169合金锻件进行锻造，形成组织均匀的GH4169合金锻件。

根据获得的最小应变进行GH4169合金锻件成形工艺设计，锻造工艺设计是根据实际生产原材料的Nb元素含量，选取最优变形温度，设计锻件尺寸使得锻件最小应变满足要求。本发明通过对坯料(待锻造的GH4169合金锻件)在不同变形量下进行压缩实验，获取满足最小应变要求的应变区域，在该应变区域确定锻件尺寸。

所述步骤106根据所述变形温度及所述最小应变对所述GH4169合金锻件进行锻造，形成组织均匀的GH4169合金锻件，具体包括：

步骤6.1：对GH4169合金坯料在不同变形量下进行压缩实验，获得满足所述最小应变要求的应变区域；

步骤6.2：将所述满足最小应变要求的应变区域作为所述GH4169合金锻件的锻件尺寸；

步骤6.3：对具有所述锻件尺寸的所述GH4169合金锻件在所述变形温度下进行锻造，形成组织均匀的GH4169合金锻件。

对所获得的具有所述锻件尺寸的所述GH4169合金锻件进行锻造，将所述变形温度作为锻件加热温度，例如加热温度为1000℃，下压速度7mm/s，模具温度300℃，将所述GH4169合金锻件锻造成形。锻造前和锻造后的组织照片如图5和图6所示。

如图5所示，锻造前，锻件组织晶粒较大，晶粒不均匀；如图6所示，按照本发明所述方法进行锻造后，在应变1.0处锻件组织均匀细小，平均晶粒度ASTM 10级，晶粒均匀性已达到目标要求，并且晶粒得到细化，力学性能得到改善。可见由本发明所述锻件尺寸确定的锻件的晶粒均匀，在初始和后续的工艺加工过程中，能够保持锻件各处组织和性能的一致性。

基于GH4169合金锻造工艺，本发明采用五种不同Nb含量的双锥试样，分别在960℃/980℃/1000℃/1020℃/1040℃保温1h→锻造→水冷→对锻造后试样进行切割→研磨→抛光→腐蚀→观察组织→进行锻造工艺设计，分析Nb含量、变形温度和应变量对晶粒均匀性的影响，通过对成分、温度和应变进行综合匹配试验，获得五种不同Nb含量、五种不同变形温度下锻造后晶粒所需的最小应变。在锻件的实际生产中，可以根据材料的Nb含量成分选取最小应变和变形温度，能够避免因对材料施加过大载荷而所造成的成本浪费，提高了锻造方法的适用性、提高锻件组织均匀性。

专利CNIO4732012A提供的一种基于亚尺寸双锥压缩实验的合金锻件晶粒度与锻造热力参数关系的建立方法，仅针对单一成分组合的GH4169合金有效。但是，GH4169合金的锻造过程对成分、变形温度及变形量十分敏感，需要系统的对多种成分组合下的锻造所需最小应变进行分析。针对现有技术存在的以上问题，本发明对五种不同Nb含量、五种不同变形温度的双锥试样进行锻造，获得7个应变点(在应变0.3、0.5、0.7、0.9、1.1、1.3、1.5处)下的组织，并汇总结果，获得了多种成分和多个变形温度下晶粒均匀所需的最小应变。根据Nb含量、变形温度与最小应变之间的对应关系进行锻造工艺设计，可以根据锻件原材料的情况合理的确定锻件锻造温度及最小变形量，保证锻件组织均匀性及批量稳定性，能够获得晶粒均匀的GH4169合金锻件。其中五种不同Nb含量的范围分别是：5.07％～5.15％、5.27％～5.29％、5.40％、5.41％～5.44％、5.42％～5.46％。GH4169合金在高温下的常用温度范围为960℃～1020℃，因此确定五种不同变形温度分别为：960℃、980℃、1000℃、1020℃、1040℃。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的装置核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于组织均匀所需最小应变的锻造方法，其特征在于，所述锻造方法包括：

准备预设Nb含量的双锥试样；所述双锥试样为GH4169合金的双锥形试样；

对所述预设Nb含量的双锥试样在预设温度下进行锻造实验，获得所述预设Nb含量的双锥试样在所述预设温度下的金相组织照片；

根据所述金相组织照片确定所述预设Nb含量的双锥试样在所述预设温度下的最小应变并存储于数据库中；

获取待锻造的GH4169合金锻件及变形温度；

根据所述待锻造的GH4169合金锻件的Nb含量以及所述变形温度，从所述数据库中提取所述待锻造的GH4169合金锻件及所述变形温度对应的最小应变；

根据所述变形温度及所述最小应变对所述GH4169合金锻件进行锻造，形成组织均匀的GH4169合金锻件。

2.根据权利要求1所述的锻造方法，其特征在于，所述准备预设Nb含量的双锥试样，具体包括：

准备预设Nb含量的双锥试样；所述预设Nb含量的范围为5.07％～5.15％、5.27％～5.29％、5.40％、5.41％～5.44％或5.42％～5.46％。

3.根据权利要求1所述的锻造方法，其特征在于，所述对所述预设Nb含量的双锥试样在预设温度下进行锻造实验，获得所述预设Nb含量的双锥试样在所述预设温度下的金相组织照片，具体包括：

对所述预设Nb含量的双锥试样涂抹润滑剂；

将涂抹润滑剂后的所述预设Nb含量的双锥试样在所述预设温度下保温1h，进行压缩实验；

对压缩后的双锥试样进行切割、研磨、腐蚀，形成处理后的双锥试样；

通过金相显微镜获得所述处理后的双锥试样的金相组织照片。

4.根据权利要求3所述的锻造方法，其特征在于，所述将涂抹润滑剂后的所述预设Nb含量的双锥试样在所述预设温度下保温1h，进行压缩实验，具体包括：

将涂抹润滑剂后的所述预设Nb含量的双锥试样在所述预设温度下保温1h，进行压缩实验；所述预设温度为960℃、980℃、1000℃、1020℃或1040℃。

5.根据权利要求1所述的锻造方法，其特征在于，所述根据所述金相组织照片确定所述预设Nb含量的双锥试样在所述预设温度下的最小应变并存储于数据库中，具体包括：

采用Image-Pro图像处理软件对所述金相组织照片中的晶粒直径大小进行统计，判断预设应变处的组织晶粒是否均匀，获得第一判断结果；

若所述第一判断结果为所述预设应变处的组织晶粒均匀，则确定所述预设应变为所述预设Nb含量的双锥试样在所述预设温度下的最小应变，并将所述预设Nb含量、所述预设温度与所述最小应变对应存储于数据库中；

若所述第一判断结果为所述预设应变处的组织晶粒不均匀，则不进行存储。

6.根据权利要求5所述的锻造方法，其特征在于，所述判断预设应变处的组织晶粒是否均匀，获得第一判断结果，具体包括：

统计所述金相组织照片中所述预设应变处的晶粒直径，若所述预设应变处有90％以上的晶粒直径为同一级别，则确定所述第一判断结果为所述预设应变处的组织晶粒均匀；若所述预设应变处没有90％以上的晶粒为同一级别，则确定所述第一判断结果为所述预设应变处的组织晶粒不均匀。

7.根据权利要求6所述的锻造方法，其特征在于，所述预设应变处为所述金相组织照片中应变为0.3、0.5、0.7、0.9、1.1、1.3或1.5处的组织。

8.根据权利要求1所述的锻造方法，其特征在于，所述根据所述变形温度及所述最小应变对所述GH4169合金锻件进行锻造，形成组织均匀的GH4169合金锻件，具体包括：

对GH4169合金坯料在不同变形量下进行压缩实验，获得满足所述最小应变要求的应变区域；

根据所述应变区域确定所述GH4169合金锻件的锻件尺寸；

对具有所述锻件尺寸的所述GH4169合金锻件在所述变形温度下进行锻造，形成组织均匀的GH4169合金锻件。