CN110592506A - 一种gh4780合金坯料和锻件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种GH4780合金坯料和锻件及其制备方法，包括以下步骤：在900～1160℃下对GH4780合金铸锭的柱状晶破碎，再经过至少两个火次的拔长、镦粗，变形量为10％～50％，得到GH4780合金坯料。经过该方法开坯锻造制得的GH4780合金坯料晶粒组织均匀，经过热处理后，平均晶粒度达到ASTM4级或更细。本申请所提供的GH4780合金锻件的制备方法，能够完成GH4780合金锻件制备，获得组织均匀的GH4780合金锻件，为航空发动机与燃气轮机研制提供材料支持。本申请所提供的GH4780合金锻件，晶粒组织均匀，经过热处理后，平均晶粒度达到ASTM5级或更细。

Description

一种GH4780合金坯料和锻件及其制备方法
技术领域
本发明涉及镍基高温合金加工技术领域，具体而言，涉及一种GH4780合金坯料和锻件及其制备方法。
背景技术
镍基高温合金是以镍为基体(含量一般大于50％)在650～1000℃范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温合金。镍基合金是高温合金中应用最广、高温强度最高的一类合金。其主要原因，一是镍基合金中可以溶解较多合金元素，且能保持较好的组织稳定性；二是可以形成共格有序的A3B型金属间化合物γ'[Ni3(Al，Ti)]相作为强化相，使合金得到有效的强化，获得比铁基高温合金和钴基高温合金更高的高温强度；三是含铬的镍基合金具有比铁基高温合金更好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力。镍基合金含有十多种元素，其中Cr主要起抗氧化和抗腐蚀作用，其他元素主要起强化作用。
GH4780合金作为一种铸造镍基高温合金，具有良好的高温力学性能及耐高温氧化性能，服役温度达到760℃，主要用于燃气轮机喷嘴材料。然而，铸造工艺制备的GH4780合金极易产生冶金缺陷，制约了GH4780合金的使用，需改用锻造工艺进行制备。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种GH4780合金坯料的制备方法，以解决或部分解决上述问题，所述的GH4780合金坯料是GH4780合金锻件制备的基础，经过该方法开坯锻造制得的GH4780合金坯料晶粒组织均匀，经过热处理后，平均晶粒度达到ASTM4级或更细。
本发明的第二目的在于提供一种所述的GH4780合金坯料的制备方法所制备的GH4780合金坯料，该坯料晶粒组织均匀，经过热处理后，平均晶粒度达到ASTM4级或更细。
本发明的第三目的在于提供一种所述的GH4780合金锻件的制备方法，能够完成GH4780合金锻件制备，获得组织均匀的GH4780合金锻件，为航空发动机与燃气轮机研制提供材料支持。
本发明的第四目的在于提供一种所述的GH4780合金锻件的制备方法所制备的GH4780合金锻件，晶粒组织均匀，经过热处理后，平均晶粒度达到ASTM5级或更细。
本发明的第五目的在于提供一种燃气轮机喷嘴，采用所述的GH4780合金锻件制备得到，使得该燃气轮机喷嘴具有更好的高温服役性能和机械性能。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种GH4780合金坯料的制备方法，包括以下步骤：
在900～1160℃下对GH4780合金铸锭进行至少两个火次的拔长、镦粗，变形量为10％～50％，将柱状晶破碎，并完成再结晶过程，得到GH4780合金坯料。
优选的，所述的GH4780合金坯料的制备方法，包括以下步骤：
在1020～1150℃下对GH4780合金铸锭进行至少两个火次的拔长、镦粗，使其变形量为10％～50％，将柱状晶区破碎，得到GH4780合金坯料。
优选的，所述GH4780合金，由如下重量百分比的组分组成：
锆0.005％～0.07％，碳0.06％～0.12％，铬22％～23％，钼≤0.2％，钨1.8％～2.2％，钴18.5％～19.5％，铁≤0.7％，铌0.65％～0.95％，铝1.1％～1.4％，钛2.1％～2.4％，磷≤0.015％，硼0.002％～0.007％，钽0.85～1.15％，铜≤0.1％，锰≤0.1％，硅≤0.15％，钒≤0.1％，镁≤0.007％，硫≤0.007％，余量为镍。
优选的，所述GH4780合金铸锭采用真空感应熔炼和真空自耗熔炼两联工艺冶炼得到；
或者；
采用真空感应熔炼、电渣重熔和真空自耗熔炼三联工艺冶炼得到。
所述的GH4780合金坯料的制备方法所制备的GH4780合金坯料。
优选的，所述GH4780合金坯料为具有基本圆形、矩形或环状横截面的细长件。
优选的，所述GH4780合金坯料横截面的直径为150～250nm，更优选为180～220nm。
一种GH4780合金锻件的制备方法，包括以下步骤：
将所述的GH4780合金坯料在900～1080℃经过至少一个火次的锻造，使其变形量为10％～50％，得到所述GH4780合金锻件。
优选的，所述的GH4780合金锻件的制备方法，包括以下步骤：
将所述的GH4780合金坯料在1050～1080℃经过至少两个火次的锻造，使其变形量为10％～50％，得到所述GH4780合金锻件。
所述的GH4780合金锻件的制备方法所制备的GH4780合金锻件。
一种航空发动机，包括采用所述的GH4780合金锻件制备的零件。
一种燃气轮机，包括采用所述的GH4780合金锻件制备的零件。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本申请所提供的GH4780合金坯料的制备方法，经过该方法开坯锻造制得的GH4780合金坯料晶粒组织均匀，平均晶粒度达到ASTM4级或更细。
(2)本申请所提供的GH4780合金锻件的制备方法，能够完成GH4780合金锻件制备，获得组织均匀的GH4780合金锻件，为航空发动机与燃气轮机研制提供材料支持。
(3)本申请所提供的GH4780合金锻件，晶粒组织均匀，经过热处理后，平均晶粒度达到ASTM5级或更细。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。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。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明所提供的一种GH4780合金坯料的制备方法，包括以下步骤：
在900～1160℃下对GH4780合金铸锭进行至少两个火次的拔长、镦粗，变形量为10％～50％，将柱状晶破碎，并完成再结晶过程，得到GH4780合金坯料。
本申请在特定温度下进行拔长、镦粗，经过热处理得到GH4780合金坯料，所得到的GH4780合金坯料晶粒组织均匀，经过热处理后，平均晶粒度达到ASTM4级或更细。其中，多火次的拔长、镦粗的温度可以在900～1160℃中任选，例如900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃、1160℃。多火次的拔长、镦粗有助于柱状晶的破碎与再结晶过程完成。
优选的，所述的GH4780合金坯料的制备方法，包括以下步骤：
在1020～1150℃下对GH4780合金铸锭进行至少两个火次的拔长、镦粗，变形量为10％～50％，将柱状晶破碎，得到GH4780合金坯料。
优选的，所述GH4780合金，由如下重量百分比的组分组成：
锆0.005％～0.07％，碳0.06％～0.12％，铬22％～23％，钼≤0.2％，钨1.8％～2.2％，钴18.5％～19.5％，铁≤0.7％，铌0.65％～0.95％，铝1.1％～1.4％，钛2.1％～2.4％，磷≤0.015％，硼0.002％～0.007％，钽0.85～1.15％，铜≤0.1％，锰≤0.1％，硅≤0.15％，钒≤0.1％，镁≤0.007％，硫≤0.007％，余量为镍。
在本发明一些优选的实施例中，所述GH4780合金铸锭采用真空感应熔炼和真空自耗熔炼两联工艺冶炼得到；
或者；
采用真空感应熔炼、电渣重熔和真空自耗熔炼三联工艺冶炼得到。
具体的，冶炼工艺包括以下步骤：
按照合金成分配料，将原料装入真空感应炉(VIM)内抽真空，通电低功率烘烤，然后加功率熔化，熔炼过程中搅拌，浇注形成合金铸锭。随后完成电渣重熔(ESR)以及真空自耗熔炼(VAR)。
(一)真空感应熔炼(VIM)
真空感应熔炼(vacuum induction melting，简称VIM)是在真空条件下，利用电磁感应，在金属导体内产生涡流加热炉料来进行熔炼的方法。
VIM可提供对化学成分最大程度的控制，防止熔液与大气中氢、氧、氮的接触。电磁搅拌不但能使熔液均匀，并且能持续将反应物带到熔体和真空界面，从而使后续精炼反应顺利进行。气体含量和非金属夹杂物的挥发和析出，能大大改善多数高温合金的力学性能。
VIM炉是镍基高温合金、耐蚀合金等特种合金材料生产的重要冶炼设备，特别是对于含有铝、钛等活泼性元素较多的合金，必须采用真空感应熔炼。
(二)电渣重熔(ESR)
电渣重熔(Electro-Slag Remelting，简称ESR)是利用电流通过熔渣时产生的电阻热作为热源进行熔炼的方法，是电流通过液态渣池渣阻热，将金属电极熔化，熔化的金属汇集成熔滴，滴落时穿过渣层进入金属熔池，然后于水冷结晶器中结晶凝固成钢锭。电渣冶金是目前生产高品质材料的重要手段，将高温熔炼、化学精炼和冷凝结晶结合起来生产高质量铸锭，具有纯度高、硫含量低、非金属夹杂物少、钢锭表面光滑、结晶均匀致密、金相组织和化学成分均匀的优点，广泛应用于航天航空、军工、能源、船舶、电子、石化、重型机械和交通等国民经济的重要领域。
(三)真空自耗熔炼(VAR)
真空自耗电弧熔炼(Vacuum Arc Remelting，简称VAR)是在真空状态下，利用直流电源在电极与放置于水套中的铜坩埚底板之间产生电弧，电弧加热产生高热，熔化电极，电极不断下降溶化，在水冷铜坩埚内形成熔池，熔化的金属完成速凝、结晶、凝固成锭。
真空电弧熔炼一般用于精炼不锈钢、超级合金、钛锆钽铌钨钼等易氧化金属及合金，减少了活性元素(如Al、Ti)的损耗，铸锭凝固过程可控，显著提高铸锭的洁净度、均匀度、抗疲劳和断裂韧性，因此其组织的一致性和均匀性较好，夹杂物的数量少，合金的纯净度也得到进一步改善。真空电弧熔炼非常适合用于熔炼特殊钢、活泼的和难熔的金属如钛、钼、铌。
所述的GH4780合金坯料的制备方法所制备的GH4780合金坯料。
在本发明一些优选的实施例中，所述坯料的直径为100～300mm，更优选为150～250mm。
一种GH4780合金锻件的制备方法，包括以下步骤：
将所述的GH4780合金坯料在900～1080℃经过至少一个火次的锻造，使其变形量为10％～50％，得到所述GH4780合金锻件。
GH4780合金锻件中形成圆球形纳米γ’相，γ’相尺寸为30～70nm。利用本发明制备的GH4780合金锻件不仅可以有效消除冶炼过程中Ti、Al、Cr等合金元素偏析，消除空洞等冶金缺陷，而且能够破碎柱状晶，促进再结晶过程完成，从而细化晶粒，提高合金锻件强度与塑性。经过本申请所提供的方法制得的GH4780合金锻件晶粒组织均匀，经过热处理后，平均晶粒度达到ASTM5级或更细。
其中，锻造的温度可以在900～1080℃中任选，例如900℃、950℃、960℃、1000℃、1020℃、1050℃、1080℃。
在本发明一些优选的实施例中，所述的GH4780合金锻件的制备方法，包括以下步骤：
将所述的GH4780合金坯料在1010～1080℃经过至少两个火次的锻造，变形量为10％～50％，得到所述GH4780合金锻件。
所述的GH4780合金锻件的制备方法所制备的GH4780合金锻件。
一种航空发动机，包括采用所述的GH4780合金锻件制备的零件。
一种燃气轮机，包括采用所述的GH4780合金锻件制备的零件。
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1
通过GH4780两联工艺冶炼得到GH4780合金铸锭，经过1150℃拔长镦粗及后续多火次处理后，变形量为10％～50％，得到的坯料力学性能如表1所示。
表1力学性能测试结果
实施例2
通过GH4780两联工艺冶炼得到GH4780合金铸锭，经过1120℃拔长镦粗及后续多火次处理后，变形量为10％～50％，得到的坯料力学性能如表2所示。
表2力学性能测试结果
实施例3
通过GH4780三联工艺冶炼得到GH4780合金铸锭，经过900℃拔长镦粗及后续多火次处理后，变形量为10％～50％，得到的坯料力学性能如表3所示。
表3力学性能测试结果
实施例4
通过GH4780三联工艺冶炼得到GH4780合金铸锭，经过1160℃拔长镦粗及后续多火次处理后，变形量为10％～50％，得到的坯料力学性能如表4所示。
表4力学性能测试结果
实施例5
利用实施例3制得的GH4780合金坯料，经过1080℃两火次锻造，得到的锻件力学性能如5所示。
表5力学性能测试结果
实施例6
利用实施例4制得的GH4780合金坯料，经过1050℃两火次锻造，得到的锻件力学性能如表6所示。
表6力学性能测试结果
实施例7
利用实施例1制得的GH4780合金坯料，经过1050℃两火次锻造，得到的锻件力学性能如表7所示。
表7力学性能测试结果
实施例8
利用实施例2制得的GH4780合金坯料，经过900℃两火次锻造，得到的锻件力学性能如表8所示。
表8力学性能测试结果
对比例1
通过GH4780两联工艺冶炼得到GH4780合金铸锭，经过800℃拔长镦粗及后续多火次处理后，变形量为10％～50％，得到的坯料力学性能如表9所示。
表9力学性能测试结果
对比例2
利用实施例3制得的GH4780合金坯料，经过800℃两火次锻造，得到的锻件力学性能如表10所示。
表10力学性能测试结果
综上，采用本申请的制备方法依次制备的GH4780合金坯料和锻造得到的锻件，具有良好的力学性能。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。

Claims (10)

1.一种GH4780合金坯料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在900～1160℃下对GH4780合金铸锭进行至少两个火次的拔长、镦粗，使其变形量为10％～50％，将柱状晶破碎，并完成再结晶过程，得到GH4780合金坯料。
2.根据权利要求1所述的GH4780合金坯料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在1020～1150℃下对GH4780合金铸锭进行至少两个火次的拔长、镦粗，使其变形量为10％～50％，将柱状晶破碎，并完成再结晶过程，得到GH4780合金坯料。
3.根据权利要求1所述的GH4780合金坯料的制备方法，其特征在于，所述GH4780合金，由如下重量百分比的组分组成：
锆0.005％～0.07％，碳0.06％～0.12％，铬22％～23％，钼≤0.2％，钨1.8％～2.2％，钴18.5％～19.5％，铁≤0.7％，铌0.65％～0.95％，铝1.1％～1.4％，钛2.1％～2.4％，磷≤0.015％，硼0.002％～0.007％，钽0.85～1.15％，铜≤0.1％，锰≤0.1％，硅≤0.15％，钒≤0.1％，镁≤0.007％，硫≤0.007％，余量为镍。
4.根据权利要求1所述的GH4780合金坯料的制备方法，其特征在于，所述GH4780合金铸锭采用真空感应熔炼和真空自耗熔炼两联工艺冶炼得到；
或者；
采用真空感应熔炼、电渣重熔和真空自耗熔炼三联工艺冶炼得到。
5.根据权利要求1-4任一项所述的GH4780合金坯料的制备方法所制备的GH4780合金坯料；
优选的，所述GH4780合金坯料为具有基本圆形、矩形或环状横截面的细长件；
优选的，所述GH4780合金坯料横截面的直径为100～300mm，更优选为150～250mm。
6.一种GH4780合金锻件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将权利要求5所述的GH4780合金坯料在900～1080℃经过至少一个火次的锻造，使其变形量为10％～50％，得到所述GH4780合金锻件。
7.根据权利要求6所述的GH4780合金锻件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将权利要求5所述的GH4780合金坯料在1010～1080℃经过至少两个火次的锻造，使其变形量为10％～50％，得到所述GH4780合金锻件。
8.根据权利要求7所述的GH4780合金锻件的制备方法所制备的GH4780合金锻件。
9.一种燃气轮机，包括采用权利要求8所述的GH4780合金锻件制备的零件。
10.一种航空发动机，包括采用权利要求8所述的GH4780合金锻件制备的零件。
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