CN112756474A - 一种gh4700镍基高温合金无缝管坯制备方法 - Google Patents

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CN112756474A CN202011508574.1A CN202011508574A CN112756474A CN 112756474 A CN112756474 A CN 112756474A CN 202011508574 A CN202011508574 A CN 202011508574A CN 112756474 A CN112756474 A CN 112756474A
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乔磊
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刘龙云
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Abstract

本发明公开了一种GH4700镍基高温合金无缝管坯的制备方法，所述方法包括如下步骤：对GH4700合金棒料进行机械加工，制得毛坯；对毛坯预加热，对预加热的毛坯进行感应加热；对感应加热后的毛坯进行润滑处理及扩孔加工，制得GH4700镍基高温合金无缝管坯。本发明能够利用感应加热的集肤效应使坯料获得从内壁到外壁的特定温度分布；通过在扩孔工艺中引入空心玻璃润滑垫，设计坯料形状和扩孔针形状、优化扩孔针运行速度来保证润滑效果，通过精控扩孔工艺参数和壁厚减小量来保障扩孔后管坯横截面晶粒尺寸的均匀性。

Description

一种GH4700镍基高温合金无缝管坯制备方法
技术领域
本发明涉及一种GH4700镍基高温合金无缝管坯制备方法，属于金属加工技术领域。
背景技术
沉淀强化型镍基高温合金GH4700因具有优异的热强性和耐腐蚀能力而用于制造700℃超超临界火电站换热管。由于GH7400合金的合金化程度高、热加工温度范围窄、热塑性差，该类无缝管材在用传统热穿孔工艺生产时极易产生裂纹，因此现在普遍使用热挤压方式成形。热挤压生产对管坯的内、外壁表面质量，孔径均匀性，管坯纵、横截面的晶粒尺寸均有较高要求，因此制造高质量管坯是GH4700无缝管材生产的关键。无缝管坯的制备可以采用直接钻孔、钻孔-扩孔、轧孔等方式，其中直接钻孔是在坯料上钻出尺寸为荒管内壁直径的贯穿孔，不但会造成大量的原料浪费，而且在坯料较长时难以保证同轴度；轧孔工艺繁琐，且无法保障横纵截面晶粒尺寸的均匀性。钻孔-扩孔工艺是先在坯料内部钻一个直径较小的通心孔，然后在高温下利用扩孔机把孔径扩大到相应尺寸。
在当前的扩孔工艺中，常出现如下问题：①扩孔针运行到接近坯料底端无法继续扩孔，即扩孔针“卡死”；②扩孔后管坯由内壁向外壁晶粒尺寸分布不均，混晶严重。造成上述问题的原因如下：1）润滑不足。传统工艺在坯料内壁喷涂润滑剂，无法满足整个过程的润滑需要；2）扩孔过程中坯料温度分布不均。传统工艺中坯料整体的预热温度相同，在扩孔时坯料内壁发生变形和剧烈摩擦，温度升高，而坯料外壁与扩孔筒接触，温降明显，不同温度下材料的变形能力不同，造成局部金属的不均匀流动；3）扩孔后期载荷过大。由于润滑条件和金属流动性的限制，传统扩孔速度较慢，导致扩孔后期坯料剧烈降温，变形抗力急剧增大，最终导致变形无法持续进行；4）再结晶过程不完善。热变形金属会发生动态再结晶以保证获得均匀等轴的晶粒，扩孔过程变形速度慢、变形量小、温降幅度大，以上条件均会造成再结晶的不充分，特别是靠近外壁区域结晶比例很低，导致晶粒粗大，混晶严重。可以看出，扩孔过程中各因素相互制约，传统扩孔工艺无法满足镍基合金的管坯制造要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种GH4700镍基高温合金无缝管坯制备方法，能够顺利制备晶粒尺寸满足要求的GH4700镍基高温合金无缝管坯。为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
本发明提供了一种GH4700镍基高温合金无缝管坯制备方法，包括如下步骤：
对GH4700合金棒料进行机械加工，制得毛坯；
对毛坯预加热，对预加热的毛坯进行感应加热；
对感应加热后的毛坯进行润滑处理及扩孔加工，制得GH4700镍基高温合金无缝管坯。
进一步地，所述对GH4700合金棒料进行机械加工包括：在GH4700合金棒料的中心钻通孔，对钻孔后的棒料一个端面的内孔和外圆进行倒圆角处理。
优选地，倒圆角后，端面中心孔直径是通心孔直径的3倍。
进一步地，所述预加热的温度为800℃。
进一步地，感应加热将预加热的毛坯的外表面加热至1180~1200℃，内表面加热至1130~1150℃，以使感应加热后的毛坯温度从外壁到内壁逐渐降低。
进一步地，所述润滑处理包括：在感应加热后的毛坯内壁喷涂玻璃润滑剂，在坯料倒圆角端中心孔处放置圆台形空心玻璃润滑垫。
优选地，玻璃润滑剂和圆台形空心玻璃润滑垫均为A5润滑剂。
进一步地，采用预先加热至400℃的扩孔针，对润滑处理过的感应加热后的毛坯进行扩孔加工。
进一步地，所述圆台形空心玻璃润滑垫的尺寸为：顶面外径小于棒料端面中心孔直径，顶面内径小于扩孔后管坯内径且大于玻璃润滑垫底面内径，底面外径大于毛坯通心孔直径，底面内径小于扩孔针底端半球直径，润滑垫放入感应加热后的毛坯后，顶面高度低于毛坯端面。
进一步地，所述扩孔针形状从上到下依次为圆柱和两个不同锥度的圆台，扩孔针的顶层圆柱直径与扩孔后管坯内径相等，第一圆台的顶面直径与圆柱直径相等，母线与竖直方向夹角为15~20°，第一圆台的底面直径与毛坯通心孔直径相等，第二圆台的顶面直径与第一圆台的底面直径相等，母线与竖直方向夹角为3~5°，第二圆台底面下方连接有与其直径相等的半球。
进一步地，扩孔加工中，扩孔针从坯料倒圆角端的中心孔压下，速度为10~20mm/s，扩孔后制得外径不变，壁厚减小25%~30%的GH4700镍基高温合金无缝管坯。
进一步地，制得的 GH4700镍基高温合金无缝管坯采用空冷，冷却至室温。
与现有技术相比，本发明实施例所提供的一种GH4700镍基高温合金无缝管坯制备方法所达到的有益效果包括：
本发明提出对预加热的毛坯进行感应加热，使用感应加热使坯料快速升温，并利用集肤效应获得管坯温度从内径到外径逐渐升高的分布特点，能够优化传统工艺中外层降温、内层升温引起的载荷升高、组织不均匀问题；
本发明提出对感应加热后的毛坯进行润滑处理，引入空心玻璃润滑垫，并通过设计坯料形状、扩孔针形状，优化扩孔针运行速度来保证润滑效果，空心玻璃润滑垫在扩孔过程中逐层融化，始终覆盖在扩孔针表层，为扩孔工艺提供足够的润滑和保温效果；棒料端面中心孔尺寸和圆角设计使空心玻璃润滑垫能够平稳放置，扩孔针的双锥度设计保证扩孔过程中润滑剂流动的均匀性，扩孔速度设计能够使熔融态玻璃润滑剂始终覆盖扩孔针表面，扩孔针尺寸、空心玻璃润滑垫内外径尺寸与形状的匹配可能够保证在扩孔开始阶段有足够的玻璃润滑剂覆盖；
本发明的扩孔加工中能够通过精控扩孔参数，提高扩孔速度、增大变形量，扩孔速度的设计综合考虑了润滑膜覆盖和再结晶比例问题，壁厚减小量、扩孔速度和温度分布的匹配，能够保证毛坯外壁也可以发生完全的动态再结晶，以使内外壁组织均匀；
本发明通过优化棒料、扩孔针、空心玻璃垫的形状，综合设计扩孔速度、温度分布和壁厚减小量，使扩孔过程润滑充分、再结晶完全，保障管坯制备的成材率，并使其组织满足热挤压需求。
附图说明
图1是本发明实施例中机械加工后毛坯的纵截面剖面图；
图2是本发明实施例中扩孔加工后管坯的纵截面局部剖面图；
图3是本发明实施例中所用扩孔针的形状与尺寸；
图4是本发明实施例中所用空心玻璃润滑垫的剖面图；
图5是本发明一种GH4700镍基高温合金无缝管坯制备方法的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1：
如图5所示，本实施例中一种GH4700镍基高温合金无缝管坯制备方法的步骤如下：
（1）如图1所示，GH4700棒料直径D=220mm、高度600mm。在该棒料中心钻直径D2=20mm的通心孔，对钻孔后坯料一个端面的内孔和外圆进行倒圆角处理，内孔和外圆的圆角半径R1=R2=20mm，端面中心孔直径D1=60mm；
（2）将加工后的GH4700毛坯放入环形加热炉中加热至800℃；
（3）将加热后的毛坯放入感应加热炉中，外表面加热至1180℃，内表面加热至1130℃；
（4）将感应加热后的毛坯在扩孔机上进行扩孔。扩孔前，在感应加热后的毛坯内壁喷涂玻璃润滑剂，在感应加热后的毛坯倒圆角端的中心孔处放置如图4所示的圆台形空心玻璃润滑垫，润滑垫位于扩孔针和感应加热后的毛坯之间，润滑垫顶面外径D4=50mm、顶面内径D5=20mm，底面外径D6=30mm、底面内径D7=10mm，高度H1=15mm，喷涂用润滑剂和润滑垫均为A5型。如图3所示，扩孔针形状从上到下依次为圆柱和两个不同锥度的圆台，其中圆柱直径D3=70mm，高度8mm，第一个圆台顶面直径为70mm，第一个圆台底面直径D2=20mm，母线与竖直方向夹角α1=为15°，第二个圆台顶面直径D2=20mm，母线与竖直方向夹角α2=3°，圆台下方为与其直径相等的半球，扩孔针总长度为140mm。扩孔针加热至400℃。如图2所示，扩孔针从感应加热后的毛坯倒圆角端的中心孔压下，速度为15mm/s，扩孔后得到的管坯外径不变，内径D3=70mm，壁厚减小量为25%。扩孔后管坯空冷至室温。
采用此方法制备GH4700管坯过程中没有出现扩孔针“卡死”的问题，管坯横截面晶粒尺寸为61.5~70.6μm（从内壁到外壁）。
实施例2：
如图5所示，本实施例中一种制备GH4700镍基高温合金无缝管坯的方法的步骤如下：
（1）如图1所示，GH4700坯料棒料D=220mm、高度600mm。在该棒料中心钻直径D2=20mm的通心孔，对钻孔后坯料一个端面的内孔和外圆进行倒圆角处理，内孔和外圆的圆角半径R1=R2=20mm，端面中心孔直径D1=60mm；
（2）将加工后的GH4700毛坯放入环形加热炉中加热至800℃；
（3）将加热后的毛坯放入感应加热炉中，外表面加热至1200℃，内表面加热至1150℃；
（4）将感应加热后的毛坯在扩孔机上进行扩孔。扩孔前，在感应加热后的毛坯内壁喷涂玻璃润滑剂，在感应加热后的毛坯倒圆角端的中心孔处放置如图4所示的圆台形空心玻璃润滑垫，润滑垫位于扩孔针和感应加热后的毛坯之间，润滑垫顶面外径D4=50mm、顶面内径D5=20mm，底面外径D6=30mm、底面内径D7=10mm，高度H1=15mm，润滑剂和润滑垫均为A5型。如图3所示，扩孔针形状从上到下依次为圆柱和两个不同锥度的圆台，其中圆柱直径D3=70mm，高度为8mm，第一个圆台顶面直径为70mm，第一个圆台底面直径D2=20mm，母线与竖直方向夹角为15°，第二个圆台顶面直径D2=20mm，母线与竖直方向夹角为3°，圆台下方为与其直径相等的半球，扩孔针总长度为140mm。扩孔针加热至400℃。如图2所示，扩孔针从感应加热后的毛坯倒圆角端的中心孔压下，速度为20mm/s，扩孔后得到的管坯外径不变，内径D3=70mm，壁厚减小量为25%。扩孔后管坯空冷至室温。
采用此方法制备GH4700管坯过程中没有出现扩孔针“卡死”的问题，管坯横截面晶粒尺寸为68.4~75.6μm（从内壁到外壁）。
实施例3：
如图5所示，本实施例中一种制备GH4700镍基高温合金无缝管坯的方法的步骤如下：
（1）如图1所示，GH4700棒料直径D=160mm、高度500mm。在该棒料中心钻直径D2=15mm的通心孔，对钻孔后坯料一个端面的内孔和外圆进行倒圆角处理，内孔和外圆的圆角半径R1=R2=15mm，端面中心孔直径D1=45mm；
（2）将加工后的GH4700毛坯放入环形加热炉中加热至800℃；
（3）将加热后的毛坯放入感应加热炉中，外表面加热至1180℃，内表面加热至1140℃；
（4）将感应加热后的毛坯在扩孔机上进行扩孔。扩孔前，在感应加热后的毛坯内壁喷涂玻璃润滑剂，在感应加热后的毛坯倒圆角端的中心孔处放置如图4所示的圆台形空心玻璃润滑垫，润滑垫位于扩孔针和感应加热后的毛坯之间，润滑垫顶面外径D4=40mm、顶面内径D5=15mm，底面外径D6=25mm、底面内径D7=8mm，高度H1=12mm，润滑剂和润滑垫均为A5型。如图3所示，扩孔针形状从上到下依次为圆柱和两个不同锥度的圆台，其中圆柱直径D3=58.5mm，高度为8mm，第一个圆台顶面直径为58.5mm，第一个圆台底面直径D2=15mm，母线与竖直方向夹角为20°，第二个圆台顶面直径D2=15mm，母线与竖直方向夹角为5°，圆台下方为与其直径相等的半球，扩孔针总长度为95mm。扩孔针加热至400℃。如图2所示，扩孔针从感应加热后的毛坯倒圆角端的中心孔压下，速度为10mm/s，扩孔后得到的管坯外径不变，内径变D3=58.5 mm，壁厚减小量为30%。扩孔后管坯空冷至室温。
采用此方法制备GH4700管坯过程中没有出现扩孔针“卡死”的问题，管坯横截面晶粒尺寸为59.6~70.0μm（从内壁到外壁）。
实施例4：
如图5所示，本实施例中一种制备GH4700镍基高温合金无缝管坯的方法的步骤如下：
（1）如图1所示，GH4700棒料直径D=160mm、高度500mm。在该棒料中心钻直径D2=15mm的通心孔，对钻孔后坯料一个端面的内孔和外圆进行倒圆角处理，内孔和外圆的圆角半径R1=R2=15mm，端面中心孔直径D1=45mm；
（2）将加工后的GH4700毛坯放入环形加热炉中加热至800℃；
（3）将加热后的毛坯放入感应加热炉中，外表面加热至1190℃，内表面加热至1130℃；
（4）将感应加热后的毛坯在扩孔机上进行扩孔。扩孔前，在感应加热后的毛坯内壁喷涂玻璃润滑剂，在感应加热后的毛坯倒圆角端的中心孔处放置如图4所示的圆台形空心玻璃润滑垫，润滑垫位于扩孔针和感应加热后的毛坯之间，润滑垫顶面外径D4=40mm、顶面内径D5=15mm，底面外径D6=25mm、底面内径D7=8mm，高度H1=12mm，润滑剂和润滑垫均为A5型。如图3所示，扩孔针形状从上到下依次为圆柱和两个不同锥度的圆台，其中圆柱直径D3=58.5mm，高度为8mm，第一个圆台顶面直径为58.5mm，第一个圆台底面直径D2=15mm，母线与竖直方向夹角为20°，第二个圆台顶面直径D2=15mm，母线与竖直方向夹角为5°，圆台下方为与其直径相等的半球，扩孔针总长度为95mm。扩孔针加热至400℃。如图2所示，扩孔针从感应加热后的毛坯倒圆角端的中心孔压下，速度为15mm/s，扩孔后得到的管坯外径不变，内径变D3=58.5 mm，壁厚减小量为30%。扩孔后管坯空冷至室温。
采用此方法制备GH4700管坯过程中没有出现扩孔针“卡死”的问题，管坯横截面晶粒尺寸为58.8~67.6μm（从内壁到外壁）。
实施例5：
如图5所示，本实施例为实施例4的对比例，与实施例4的区别在于本实施例未使用圆台形空心玻璃润滑垫。具体步骤如下：
（1）如图1所示，GH4700棒料直径D=160mm、高度500mm。在该棒料中心钻直径D2=15mm的通心孔，对钻孔后坯料一个端面的内孔和外圆进行倒圆角处理，内孔和外圆的圆角半径R1=R2=15mm，端面中心孔直径D1=45mm；
（2）将加工后的GH4700毛坯放入环形加热炉中加热至800℃；
（3）将加热后的毛坯放入感应加热炉中，外表面加热至1190℃，内表面加热至1130℃；
（4）将感应加热后的毛坯在扩孔机上进行扩孔。扩孔前，在感应加热后的毛坯内壁喷涂A5型玻璃润滑剂，未使用圆台形空心玻璃润滑垫。如图3所示，扩孔针形状从上到下依次为圆柱和两个不同锥度的圆台，其中圆柱直径D3=58.5mm，高度为8mm，第一个圆台顶面直径58.5mm，第一个圆台底面直径D2=15mm，母线与竖直方向夹角为20°，第二个圆台顶面直径D2=15mm，母线与竖直方向夹角为5°，圆台下方为与其直径相等的半球，扩孔针总长度为95mm。扩孔针加热至400℃。
扩孔针从坯料倒圆角端的中心孔压下，速度为15mm/s，扩孔针运行334mm后无法继续运行。
实施例6：
如图5所示，本实施例为实施例4的对比例，与实施例4的区别在于本实施例未使用感应加热。具体步骤如下：
（1）如图1所示，GH4700棒料直径D=160mm、高度500mm。在该棒料中心钻直径D2=15mm的通心孔，对钻孔后坯料一个端面的内孔和外圆进行倒圆角处理，内孔和外圆的圆角半径R1=R2=15mm，端面中心孔直径D1=45mm；
（2）将加工后的GH4700毛坯放入环形加热炉中加热至800℃；
（3）将加热后的毛坯放入箱式电阻炉中加热至1150℃；
（4）将加热后的毛坯在扩孔机上进行扩孔。扩孔前，在感应加热后的毛坯内壁喷涂玻璃润滑剂，在感应加热后的毛坯倒圆角端的中心孔处放置如图4所示的圆台形空心玻璃润滑垫，润滑垫位于扩孔针和感应加热后的毛坯之间，润滑垫顶面外径D4=40mm、顶面内径D5=15mm，底面外径D6=25mm、底面内径D7=8mm，高度H1=12mm，润滑剂和润滑垫均为A5型。如图3所示，扩孔针形状从上到下依次为圆柱和两个不同锥度的圆台，其中圆柱直径D3=58.5mm，高度为8mm，第一个圆台顶面直径为58.5mm，第一个圆台底面直径D2=15mm，母线与竖直方向夹角为20°，第二个圆台顶面直径D2=15mm，母线与竖直方向夹角为5°，圆台下方为与其直径相等的半球，扩孔针总长度为95mm。扩孔针加热至400℃。如图2所示，扩孔针从感应加热后的毛坯倒圆角端的中心孔压下，速度为15mm/s，扩孔后得到的管坯外径不变，内径D3=58.5mm，壁厚减小量为30%。扩孔后管坯空冷至室温。
采用此方法制备GH4700管坯过程中没有出现扩孔针“卡死”的问题，管坯横截面晶粒尺寸：外壁附近为145μm，内壁附近为71.6μm，出现明显混晶。
根据实施例1~6能够得出，本发明通过优化坯料、扩孔针、空心玻璃垫的形状，综合设计扩孔速度、温度分布和壁厚减小量，使扩孔过程润滑充分、再结晶完全，保障管坯制备的成材率，并使其组织满足热挤压需求。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种GH4700镍基高温合金无缝管坯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
对GH4700合金棒料进行机械加工，制得毛坯；
对毛坯预加热，对预加热的毛坯进行感应加热；
对感应加热后的毛坯进行润滑处理及扩孔加工，制得GH4700镍基高温合金无缝管坯。
2.根据权利要求1所述的GH4700镍基高温合金无缝管坯的制备方法，其特征在于，所述对GH4700合金棒料进行机械加工包括：在GH4700合金棒料的中心钻通孔，对钻孔后的棒料一个端面的内孔和外圆进行倒圆角处理。
3.根据权利要求1所述的GH4700镍基高温合金无缝管坯的制备方法，其特征在于，所述预加热的温度为800℃。
4.根据权利要求1所述的GH4700镍基高温合金无缝管坯的制备方法，其特征在于，感应加热将预加热的毛坯的外表面加热至1180~1200℃，内表面加热至1130~1150℃，以使感应加热后的毛坯温度从外壁到内壁逐渐降低。
5.根据权利要求2所述的GH4700镍基高温合金无缝管坯的制备方法，其特征在于，所述润滑处理包括：在感应加热后的毛坯内壁喷涂玻璃润滑剂，在坯料倒圆角端中心孔处放置圆台形空心玻璃润滑垫。
6.根据权利要求5所述的GH4700镍基高温合金无缝管坯的制备方法，其特征在于，采用预先加热至400℃的扩孔针，对润滑处理过的感应加热后的毛坯进行扩孔加工。
7.根据权利要求6所述的GH4700镍基高温合金无缝管坯的制备方法，其特征在于，所述圆台形空心玻璃润滑垫的尺寸为：顶面外径小于棒料端面中心孔直径，顶面内径小于扩孔后管坯内径且大于玻璃润滑垫底面内径，底面外径大于毛坯通心孔直径，底面内径小于扩孔针底端半球直径，润滑垫放入感应加热后的毛坯后，顶面高度低于毛坯端面。
8.根据权利要求6所述的GH4700镍基高温合金无缝管坯的制备方法，其特征在于，所述扩孔针形状从上到下依次为圆柱和两个不同锥度的圆台，扩孔针的顶层圆柱直径与扩孔后管坯内径相等，第一圆台的顶面直径与圆柱直径相等，母线与竖直方向夹角为15~20°，第一圆台的底面直径与毛坯通心孔直径相等，第二圆台的顶面直径与第一圆台的底面直径相等，母线与竖直方向夹角为3~5°，第二圆台底面下方连接有与其直径相等的半球。
9.根据权利要求6所述的GH4700镍基高温合金无缝管坯的制备方法，其特征在于，扩孔加工中，扩孔针从毛坯倒圆角端的中心孔压下，速度为10~20mm/s，扩孔后制得外径不变，壁厚减小25%~30%的GH4700镍基高温合金无缝管坯。
10.根据权利要求1所述的GH4700镍基高温合金无缝管坯的制备方法，其特征在于，制得的 GH4700镍基高温合金无缝管坯采用空冷，冷却至室温。
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