CN110586822B - 提高GH720Li合金饼坯锻件组织均匀性的热加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种提高GH720Li合金饼坯锻件组织均匀性的热加工方法，该方法对GH720Li合金棒坯进行1000℃～1120℃并保温1h～3.5h后以10℃/h～50℃/h冷速缓冷的预处理，然后对ASTM 6.5～8.0级和ASTM 8.0级以上初始晶粒度的合金棒坯分别进行不同热加工参数下的等温锻造工艺，最终对饼坯锻件进行缓冷处理。该方法解决了GH720Li锻件因局部晶粒粗大的不均匀组织而导致性能不稳定的问题，有效提高GH720Li合金饼坯锻件组织的均匀性。

Description

提高GH720Li合金饼坯锻件组织均匀性的热加工方法
技术领域
本发明是一种提高GH720Li合金饼坯锻件组织均匀性的热加工方法，属于镍基高温合金领域。
背景技术
GH720Li合金是一种高强度、耐腐蚀和时效强化的高温合金，主要用作 650℃～750℃长期使用或900℃短期使用的高性能涡轮盘材料[于秋颖，董建新，张麦仓，郑磊.难变形高温合金GH720Li平衡析出相的热力学计算.稀有金属材料与工程，2010，39(5)：857-861；Vaunois J R,Cormier J,Villechanise P,et al. Influence of bothγ'distribution and grain size on the tensile properties of Udimet 720Li at roomtemperature.In:Ott E A,Groh J R,Banik A,eds.7th International Symposium onSuperalloy 718and Derivatives,Superalloy 718,625,706and various derivatives,TMS,Warrendale,PA,2010,199-213]。对先进航空发动机涡轮盘用GH720Li合金而言，为确保发动机可靠性、安全寿命和性能水平，对晶粒组织控制十分严格，要求达到ASTM 8.0级以上的均匀细晶组织。然而，GH720Li 合金的可锻温度范围很窄，对热加工工艺参数极为敏感，ASTM 8级以上均匀细晶盘锻件晶粒度组织很难精确控制，很容易出现局部晶粒粗大的不均匀组织而造成盘件性能不稳定，影响发动机性能的稳定高效发挥，引起重大经济损失，严重时会导致飞行事故。
等温锻造是目前制备GH720Li等难变形高温合金涡轮盘的有效手段，通过控制等温锻造过程中的热变形工艺参数以及坯料的原始组织状态可以获得均匀细晶的涡轮盘饼坯锻件组织。目前，国外将GH720Li合金的等温锻造工艺作为技术秘密严格保密。国内关于开坯热变形工艺参数对GH720Li铸态合金晶粒组织演化影响的研究较多，但关于等温热变形参数对合金晶粒组织演变影响的研究较少[于秋颖，姚志浩，董建新，等.难变形高温合金GH4720Li的超塑性变形行为.材料热处理学报，2015，36(7)：30～35；Qu J L,Bi Z N,Du JH,et al.Hot deformation behavior of nickel-based superalloy GH4720Li.Journalof Iron and Steel Research,International,2011,18(10):59～65]，缺少对等温锻造过程中 GH720Li合金涡轮盘饼坯锻件组织控制的明确报道，更缺少对变形前坯料不同原始组织状态的等温锻造涡轮盘饼坯锻件组织精确控制的明确报道。
受目前国内开坯技术及工艺稳定性的影响，GH720Li合金棒材组织存在心部和边缘晶粒不均匀的问题，以及不同批次的合金棒材组织普遍存在晶粒度级别波动较大的问题。而目前国内针对棒材组织存在的问题普遍缺少相应的预处理，很难实现棒材等温锻造过程组织的精确控制，最终严重影响最终涡轮盘饼坯锻件组织的均匀性。
发明内容
针对以上不足，本发明提出一种提高GH720Li合金饼坯锻件组织均匀性的热加工方法，其目的是解决涡轮盘饼坯锻件局部晶粒粗大的不均匀组织而导致性能不稳定的问题，有效提高GH720Li合金饼坯锻件组织的均匀性。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种提高GH720Li合金饼坯锻件组织均匀性的热加工方法的步骤如下：
步骤一、采用加热炉对GH720Li合金棒坯进行预处理
将GH720Li合金棒坯加热升温至1000℃～1120℃，保温1h～3.5h，然后以 10℃/h～50℃/h冷速缓冷至700℃，然后炉冷至室温并出炉；
步骤二、对经预处理的GH720Li合金棒坯进行表面吹砂，并均匀涂抹玻璃润滑剂后，置于加热炉中加热后迅速转移至液压机上的平模，然后利用液压机进行第一火等温锻造，得到锻坯；
第一火等温锻造变形为40％～60％后得到锻坯；
步骤三、将锻坯从液压机上取出，迅速转移至加热炉中，加热至 1080℃～1120℃，保温1～3小时后，进行第二火等温锻造，得到涡轮盘饼坯锻件；
第二火等温锻造的变形量为40％～60％，应变速率0.001s-1～0.1s-1。
在一种实施中，在步骤一的预处理之前，对GH720Li合金棒坯进行切割并倒角。
在一种实施中，GH720Li合金棒坯的化学成分及重量百分比为：C 0.01％～0.02％、Cr 15.5％～16.5％、Co 14％～15.5％、Ti 4.75％～5.25％、Al 2.25％～2.75％、Mo 2.75％～3.25％、W 1％～1.5％、Zr 0.025％～0.05％，余量为Ni。
在一种实施中，步骤二中所述的第一火等温锻造，当GH720Li合金棒坯的初始晶粒度为ASTM 6.5～8.0级时，变形温度为1070℃～1100℃，应变速率控制在0.005s-1～0.1s-1；当GH720Li合金棒坯的初始晶粒度为ASTM 8.0级以上时，变形温度为1040℃～1085℃或1090℃～1130℃，应变速率分别控制在 0.005s-1～0.06s-1和0.008s-1～0.08s-1。
在一种实施中，第一、二火等温锻造时，模具炉内环境温度的降低应控制在不大于200℃。
在一种实施中，第一、二等温锻造时，GH720Li合金棒坯、锻坯加热后的保温时间为1～4h。
在一种实施中，涡轮盘饼坯锻件出炉后进行缓冷处理。进一步，涡轮盘饼坯锻件出炉后覆盖石棉毡，使达到室温时间超过10小时。
本发明技术方案的特点及优点在于：
1、目前GH720Li合金棒材等温锻造的工艺流程是棒坯下料、棒坯加热炉直接加热、第一火等温锻造、一火等温锻造后回炉加热、第二火等温锻造，还没有针对棒材等温锻造前预处理的研究或报道。而本发明技术方案在等温锻造前增加针对合金棒坯的缓冷预处理，该预处理的目的是为了合理调整合金中的γ'相形态与分布，增加合金棒坯在等温锻造过程中动态再结晶百分数，有效提高合金饼坯锻件细晶组织的均匀性；
经过长期研究和试验发现，在高温合金铸锭开坯锻造前增加缓冷预处理，能够有效提高晶界的弯曲能力，粗化γ'相，有效增强晶界和γ'相阻碍位错运动的能力，大幅提高合金动态再结晶形核的能力，从而有效提高合金锻造组织的均匀性；另外，还发现该种预处理还能够增加合金在等温锻造过程中的再结晶程度，有效提高合金饼坯锻件细晶组织的均匀性；
2、针对合金棒坯不同的初始晶粒度，在等温锻造过程中分别采用不同的热加工区间进行组织均匀性的控制，包括等温锻造过程中的变形温度、变形速率和变形量，实现等温锻造组织的精确控制，有效实现了饼坯锻件组织均匀性控制的精确性，获得均匀细小的饼坯锻件组织；
3、本发明控制方法适用于利用冶金铸锭法提高GH720Li合金涡轮盘饼坯锻件组织均匀性，同时也适用于利用粉末冶金法，提高GH720Li合金涡轮盘饼坯锻件组织均匀性。
附图说明
图1为本发明实施例1中经预处理a与未预处理b的GH720Li合金棒坯在 1090℃以0.1s-1热变形52％后的晶粒组织对比；
图2为本发明实施例2中初始ASTM 8.0级晶粒度的GH720Li合金棒坯等温锻造后的均匀细晶组织。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
实施例1
所述GH720Li合金的化学成分及重量百分比计为：C 0.01％～0.02％、Cr 15.5％～16.5％、Co 14％～15.5％、Ti 4.75％～5.25％、Al 2.25％～2.75％、Mo 2.75％～3.25％、W 1％～1.5％、Zr 0.025％～0.05％以及余量的镍。合金铸锭采用真空感应+真空自耗双真空熔炼而成，然后进行均匀化和锻造开坯，得到ASTM 7.0 级的合金棒材。
采用本发明提高GH720Li合金饼坯锻件组织均匀性的热加工方法的步骤为：
步骤1：对GH720Li合金棒坯进行切割并倒角；
步骤2：采用加热炉对合金棒坯进行预处理，将合金坯料加热升温至 1050℃，保温2.5小时，然后以20℃/h的冷速缓冷至700℃，然后炉冷至室温并出炉；
步骤3：对经预处理的合金棒坯进行表面吹砂，并均匀涂抹玻璃润滑剂后，采用加热炉对合金棒坯加热升温至1090℃，保温2小时后用于后续第一火等温锻造；
步骤4：将合金棒坯从加热炉中取出，迅速转移至2000T液压机上的平模，然后利用液压机在1090℃以0.1s-1的应变速率在平模内等温锻压变形52％后得到锻坯，其晶粒组织如图1所示，锻造时模具炉内环境温度的降低应控制在不大于200℃；
步骤5：将锻坯从液压机上取出，迅速转移至加热炉中，在1100℃，保温 2小时后用于第二火等温锻造；
步骤6：锻坯保温结束后取出，迅速转移至液压机平模，以变形温度1100℃、应变速率0.008s-1在平模内等温锻压变形55％后得到涡轮盘饼坯锻件，锻造时模具炉内环境温度的降低应控制在不大于200℃；
步骤7：饼坯锻件取出后将涡轮盘饼坯锻件覆盖石棉毡，冷却时间10小时以上，得到组织均匀细小的涡轮盘锻件。
实施例2
所述GH720Li合金的化学成分及重量百分比计为：C 0.01％～0.02％、Cr 15.5％～16.5％、Co 14％～15.5％、Ti 4.75％～5.25％、Al 2.25％～2.75％、Mo 2.75％～3.25％、W 1％～1.5％、Zr 0.025％～0.05％以及余量的镍。合金铸锭采用真空感应+真空自耗双真空熔炼而成，然后进行均匀化和锻造开坯，得到ASTM 8.0 级的合金棒材。
采用本发明提高GH720Li合金饼坯锻件组织均匀性的热加工方法的步骤为：
步骤1：对GH720Li合金棒坯进行切割并倒角；
步骤2：采用加热炉对合金棒坯进行预处理，将合金坯料加热升温至 1020℃，保温3小时，然后以30℃/h的冷速缓冷至700℃，然后炉冷至室温并出炉；
步骤3：对经预处理的合金棒坯进行表面吹砂，并均匀涂抹玻璃润滑剂后，采用加热炉对合金棒坯加热升温至1080℃，保温2.5小时后用于后续第一火等温锻造；
步骤4：将合金棒坯从加热炉中取出，迅速转移至2000T液压机上的平模，然后利用液压机在1080℃以0.01s-1的应变速率在平模内等温锻压变形54％后得到锻坯，锻造时模具炉内环境温度的降低应控制在不大于200℃；
步骤5：将锻坯从液压机上取出，迅速转移至加热炉中，在1100℃，保温 2.5小时后用于第二火等温锻造；
步骤6：锻坯保温结束后取出，迅速转移至液压机平模，以变形温度1100℃、应变速率0.005s-1在平模内等温锻压变形52％后得到涡轮盘饼坯锻件，锻造时模具炉内环境温度的降低应控制在不大于200℃；
步骤7：饼坯锻件取出后将涡轮盘饼坯锻件覆盖石棉毡，冷却时间10小时以上，得到组织均匀细小的涡轮盘锻件。
实施例3
所述GH720Li合金的化学成分及重量百分比计为：C 0.01％～0.02％、Cr 15.5％～16.5％、Co 14％～15.5％、Ti 4.75％～5.25％、Al 2.25％～2.75％、Mo 2.75％～3.25％、W 1％～1.5％、Zr 0.025％～0.05％以及余量的镍。合金铸锭采用真空感应+真空自耗双真空熔炼而成，然后进行均匀化和锻造开坯，得到ASTM 9.0 级的合金棒材。
采用本发明提高GH720Li合金饼坯锻件组织均匀性的热加工方法的步骤为：
步骤1：对GH720Li合金棒坯进行切割并倒角；
步骤2：采用加热炉对合金棒坯进行预处理，将合金坯料加热升温至1000℃，保温3h，然后以40℃/h的冷速缓冷至700℃，然后炉冷至室温并出炉；
步骤3：对经预处理的合金棒坯进行表面吹砂，并均匀涂抹玻璃润滑剂后，采用加热炉对合金棒坯加热升温至1060℃，保温2h后用于后续第一火等温锻造；
步骤4：将合金棒坯从加热炉中取出，迅速转移至2000T液压机上的平模，然后利用液压机在1060℃以0.03s-1的应变速率在平模内等温锻压变形50％后得到锻坯，锻造时模具炉内环境温度的降低应控制在不大于200℃；
步骤5：将锻坯从液压机上取出，迅速转移至加热炉中，在1110℃，保温 2小时后用于第二火等温锻造；
步骤6：锻坯保温结束后取出，迅速转移至液压机平模，以变形温度1110℃、应变速率0.006s-1在平模内等温锻压变形52％后得到涡轮盘饼坯锻件，锻造时模具炉内环境温度的降低应控制在不大于200℃；
步骤7：饼坯锻件取出后将涡轮盘饼坯锻件覆盖石棉毡，冷却时间10小时以上，得到组织均匀细小的涡轮盘锻件。
实施例4
所述GH720Li合金的化学成分及重量百分比计为：C 0.01％～0.02％、Cr 15.5％～16.5％、Co 14％～15.5％、Ti 4.75％～5.25％、Al 2.25％～2.75％、Mo 2.75％～3.25％、W 1％～1.5％、Zr 0.025％～0.05％以及余量的镍。合金铸锭采用真空感应+真空自耗双真空熔炼而成，然后进行均匀化和锻造开坯，得到ASTM 10.0级的合金棒材。
采用本发明提高GH720Li合金饼坯锻件组织均匀性的热加工方法的步骤为：
步骤1：对GH720Li合金棒坯进行切割并倒角；
步骤2：采用加热炉对合金棒坯进行预处理，将合金坯料加热升温至 1000℃，保温2h，然后以50℃/h的冷速缓冷至700℃，然后炉冷至室温并出炉；
步骤3：对经预处理的合金棒坯进行表面吹砂，并均匀涂抹玻璃润滑剂后，采用加热炉对合金棒坯加热升温至1110℃，保温2小时后用于后续第一火等温锻造；
步骤4：将合金棒坯从加热炉中取出，迅速转移至2000T液压机上的平模，然后利用液压机在1110℃以0.01s-1的应变速率在平模内等温锻压变形53％后得到锻坯，锻造时模具炉内环境温度的降低应控制在不大于200℃；
步骤5：将锻坯从液压机上取出，迅速转移至加热炉中，在1100℃，保温 2小时后用于第二火等温锻造；
步骤6：锻坯保温结束后取出，迅速转移至液压机平模，以变形温度1100℃、应变速率0.04s-1在平模内等温锻压变形50％后得到涡轮盘饼坯锻件，锻造时模具炉内环境温度的降低应控制在不大于200℃；
步骤7：饼坯锻件取出后将涡轮盘饼坯锻件覆盖石棉毡，冷却时间10小时以上，得到组织均匀细小的涡轮盘锻件。

Claims (6)

1.一种提高GH720Li合金饼坯锻件组织均匀性的热加工方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤一、采用加热炉对GH720Li合金棒坯进行预处理
将GH720Li合金棒坯加热升温至1000℃～1120℃，保温1h～3.5h，然后以10℃/h～50℃/h冷速缓冷至700℃，然后炉冷至室温并出炉；
步骤二、对经预处理的GH720Li合金棒坯进行表面吹砂，并均匀涂抹玻璃润滑剂后，置于加热炉中加热后迅速转移至液压机上的平模，然后利用液压机进行第一火等温锻造并按以下两种方式之一设置工艺：
当GH720Li合金棒坯的初始晶粒度为ASTM 6.5～8.0级时，变形温度为1070℃～1100℃，应变速率控制在0.005s-1～0.1s-1；
当GH720Li合金棒坯的初始晶粒度为ASTM 8.0级以上时，变形温度为1040℃～1085℃或1090℃～1130℃，应变速率分别控制在0.005s-1～0.06s-1和0.008s-1～0.08s-1；
第一火等温锻造变形为40％～60％后得到锻坯；
步骤三、将锻坯从液压机上取出，迅速转移至加热炉中，加热至1080℃～1120℃，保温1～3小时后，进行第二火等温锻造，得到涡轮盘饼坯锻件；
第二火等温锻造的变形量为40％～60％，应变速率0.001s-1～0.1s-1。
2.根据权利要求1所述的提高GH720Li合金饼坯锻件组织均匀性的热加工方法，其特征在于：在步骤一的预处理之前，对GH720Li合金棒坯进行切割并倒角。
3.根据权利要求1所述的提高GH720Li合金饼坯锻件组织均匀性的热加工方法，其特征在于：GH720Li合金棒坯的化学成分及重量百分比为：C 0.01％～0.02％、Cr 15.5％～16.5％、Co 14％～15.5％、Ti 4.75％～5.25％、Al 2.25％～2.75％、Mo 2.75％～3.25％、W 1％～1.5％、Zr 0.025％～0.05％，余量为Ni。
4.根据权利要求1所述的提高GH720Li合金饼坯锻件组织均匀性的热加工方法，其特征在于：第一、二火等温锻造时，模具炉内环境温度的降低应控制在不大于200℃。
5.根据权利要求1所述的提高GH720Li合金饼坯锻件组织均匀性的热加工方法，其特征在于：涡轮盘饼坯锻件出炉后进行缓冷处理。
6.根据权利要求5所述的提高GH720Li合金饼坯锻件组织均匀性的热加工方法，其特征在于：涡轮盘饼坯锻件出炉后覆盖石棉毡，使达到室温时间超过10小时。
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