CN115354253B - 具有高抗氧化性gh4780合金锻件及其制备方法 - Google Patents

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CN115354253B CN202211201657.5A CN202211201657A CN115354253B CN 115354253 B CN115354253 B CN 115354253B CN 202211201657 A CN202211201657 A CN 202211201657A CN 115354253 B CN115354253 B CN 115354253B
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Abstract

本发明涉及合金加工技术领域，尤其是涉及一种具有高抗氧化性GH4780合金锻件及其制备方法。具体包括如下步骤：(a)将GH4780合金铸锭于1100～1190℃保温90～150h，然后于1160～1180℃进行轧制开坯，得到棒坯；(b)将棒坯于830～1030℃进行锻造，然后进行固溶和时效处理；GH4780合金中，按质量百分比计，锆含量为0.08％～0.3％，铝含量为1.5％～2.5％。本发明通过调整锆和铝的含量，并改变加工工艺，能够显著提高GH4780合金的抗氧化性能；采用本发明的方法制备得到的GH4780合金锻件，在空气中，在850℃的氧化速率可降到0.04～0.07[g/(m2·h)]。

Description

具有高抗氧化性GH4780合金锻件及其制备方法
技术领域
本发明涉及合金加工技术领域，尤其是涉及一种具有高抗氧化性GH4780合金锻件及其制备方法。
背景技术
GH4780合金锻件长时服役温度达到760℃，短时最高使用温度可以达到850℃，主要用于航空发动机和地面燃气轮机的盘件、环件、叶片、紧固件等零部件。现有技术中，GH4780合金包含以下元素：锆0.005％～0.07％，铝1.1％～1.4％，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％，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。
然而，随着航空发动机和燃气轮机使用温度的进一步提高，现有成分研制的GH4780合金氧化严重，制约了GH4780合金锻件的使用。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的一个目的在于提供具有高抗氧化性的GH4780合金锻件的制备方法，以解决现有技术中存在的GH4780合金锻件在进一步提高使用温度时，合金氧化严重等技术问题。
本发明的另一目的在于提供具有高抗氧化性的GH4780合金锻件。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
具有高抗氧化性的GH4780合金锻件的制备方法，包括如下步骤：
(a)将GH4780合金铸锭于1100～1190℃保温90～150h，然后于1160～1180℃进行轧制开坯，得到棒坯；
(b)将所述棒坯于830～1030℃进行锻造，然后进行固溶和时效处理，得到GH4780合金锻件；
所述GH4780合金中，按质量百分比计，锆含量为0.08％～0.3％，铝含量为1.5％～2.5％。
本发明通过调整锆和铝的含量，并改变加工工艺，能够显著提高GH4780合金的抗氧化性能；采用本发明的方法制备得到的GH4780合金锻件，在空气中，在850℃的氧化速率可降到0.04～0.07[g/(m2·h)]。
在本发明的具体实施方式中，步骤(a)中，于1100～1190℃保温90～150h包括：于1100～1120℃保温20～40h，然后于1130～1150℃保温30～50h，然后于1160～1190℃保温40～60h。
在本发明的具体实施方式中，所述GH4780合金铸锭的尺寸为Φ250～Φ420mm。
在本发明的具体实施方式中，步骤(a)中，进行一火次的所述轧制开坯。进一步的，所述轧制开坯的变形量为40％～60％。
在本发明的具体实施方式中，所述棒坯的尺寸为Φ60～Φ220mm。
在本发明的具体实施方式中，步骤(b)中，进行一火次的所述锻造。进一步的，所述锻造的变形量为30％～60％。
在本发明的具体实施方式中，所述锻造中，锻压速度为5～10mm/s。
在本发明的具体实施方式中，所述锻造中，对模具提前预热，并采用石棉包裹所述棒坯。进一步的，所述模具的温度不低于500℃。
在本发明的具体实施方式中，所述锻件的尺寸为Φ100～Φ400mm。
在本发明的具体实施方式中，所述固溶和时效处理包括：于1020～1050℃固溶处理2～8h，然后于750～860℃时效处理8～16h。
本发明还提供了具有高抗氧化性GH4780合金锻件，采用上述任意一种所述的具有高抗氧化性的GH4780合金锻件的制备方法制备得到。
在本发明的具体实施方式中，所述GH4780合金锻件，在空气中，在850℃的氧化速率为0.04～0.07[g/(m2·h)]。
在本发明的具体实施方式中，所述GH4780合金锻件的平均晶粒度为ATSM 6～8级。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过调整锆和铝的含量，并改变加工工艺，能够显著提高GH4780合金的抗氧化性能；采用本发明的方法制备得到的GH4780合金锻件，在空气中，在850℃的氧化速率可降到0.04～0.07[g/(m2·h)]；能够保证GH4780合金在航空发动机和燃气轮机中的应用。
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。
具有高抗氧化性的GH4780合金锻件的制备方法，包括如下步骤：
(a)将GH4780合金铸锭于1100～1190℃保温90～150h，然后于1160～1180℃进行轧制开坯，得到棒坯；
(b)将所述棒坯于830～1030℃进行锻造，然后进行固溶和时效处理，得到GH4780合金锻件；
所述GH4780合金中，按质量百分比计，锆含量为0.08％～0.3％，铝含量为1.5％～2.5％。
本发明通过调整锆和铝的含量，并改变加工工艺，能够显著提高GH4780合金的抗氧化性能；采用本发明的方法制备得到的GH4780合金锻件，在空气中，在850℃的氧化速率可降到0.04～0.07[g/(m2·h)]。
如在不同实施方式中，锆含量可以为0.08％、0.1％、0.12％、0.14％、0.15％、0.16％、0.18％、0.2％、0.22％、0.24％、0.25％、0.26％、0.28％、0.3％等等；铝含量可以为1.5％、1.6％、1.7％、1.8％、1.9％、2.0％、2.1％、2.2％、2.3％、2.4％、2.5％等等。
在本发明的具体实施方式中，所述GH4780合金中，按质量百分比计，锆含量为0.1％～0.2％，铝含量为1.8％～2.2％。
在实际操作中，所述GH4780合金中的其余元素含量可参考现有的GH4780合金，比如，在本发明的具体实施方式中，所述GH4780合金中，按质量百分数计包括：锆0.08％～0.3％，铝1.5％～2.5％，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％，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。
本发明采用适量的锆，不仅可以促进ZrO2形成进而增强氧化膜致密性，而且能够提高晶界强度抑制沿晶开裂；采用适量的铝既能够促进Al2O3形成进而增强抗氧化性能，又可以增加γ'相数量提高高温强度。过量的锆会降低氧化膜稳定性及合金高温塑性，过量的铝会形成夹杂物降低氧化膜致密性并降低合金高温强度。因而，本发明同时采用一定的锆和铝，与其它合金元素协同调节，兼顾保证抗氧化性能与力学性能。
在本发明的具体实施方式中，步骤(a)中，于1100～1190℃保温90～150h包括：①于1100～1120℃保温20～40h；②然后于1130～1150℃保温30～50h；③然后于1160～1190℃保温40～60h。
如在不同实施方式中，步骤①的温度可以为1100℃、1105℃、1110℃、1115℃、1120℃等等，步骤①的保温时间可以为20h、25h、30h、35h、40h等等；步骤②的温度可以为1130℃、1135℃、1140℃、1145℃、1150℃等等，步骤②的保温时间可以为30h、35h、40h、45h、50h等等；步骤③的温度可以为1160℃、1165℃、1170℃、1175℃、1180℃、1185℃、1190℃等等，步骤③的保温时间可以为40h、45h、50h、55h、60h等等。
在本发明的具体实施方式中，所述GH4780合金铸锭的尺寸为Φ250～Φ420mm。
在实际操作中，所述GH4780合金铸锭可通过两联冶炼得到的。具体的，两联冶炼包括真空感应(VIM)和保护气氛电渣重熔(ESR)，具体参数可参考现有常规GH4780合金铸锭的制备参数。
在本发明的具体实施方式中，步骤(a)中，进行一火次的所述轧制开坯。进一步的，所述轧制开坯的变形量为40％～60％。
如在不同实施方式中，所述轧制开坯的温度可以为1160℃、1165℃、1170℃、1175℃、1180℃等等；所述轧制开坯的变形量可以为40％、45％、50％、55％、60％等等。
在本发明的具体实施方式中，所述棒坯的尺寸为Φ60～Φ220mm。
在本发明的具体实施方式中，步骤(b)中，进行一火次的所述锻造。进一步的，所述锻造的变形量为30％～60％。
如在不同实施方式中，所述锻造的温度可以为830℃、840℃、850℃、860℃、870℃、880℃、890℃、900℃、910℃、920℃、930℃、940℃、950℃、960℃、970℃、980℃、990℃、1000℃、1010℃、1020℃、1030℃等等；所述锻造的变形量可以为30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％等等。
在本发明的具体实施方式中，所述锻造中，锻压速度为5～10mm/s。
如在不同实施方式中，所述锻造中，锻压速度可以为5mm/s、6mm/s、7mm/s、8mm/s、9mm/s、10mm/s等等。
在本发明的具体实施方式中，所述锻造中，对模具提前预热，并采用石棉包裹所述棒坯。进一步的，所述模具的温度不低于500℃。
在本发明的具体实施方式中，所述锻件的尺寸为Φ100～Φ400mm。
在本发明的具体实施方式中，所述固溶和时效处理包括：于1020～1050℃固溶处理2～8h，然后于750～860℃时效处理8～16h。进一步的，在时效处理后，进行空冷。
如在不同实施方式中，所述固溶处理的温度可以为1020℃、1025℃、1030℃、1035℃、1040℃、1045℃、1050℃等等；所述固溶处理的时间可以为2h、3h、4h、5h、6h、7h、8h等等；所述时效处理的温度可以为750℃、760℃、770℃、780℃、790℃、800℃、810℃、820℃、830℃、840℃、850℃、860℃等等，所述时效处理的时间可以为8h、9h、10h、11h、12h、13h、14h、15h、16h等等。
本发明还提供了具有高抗氧化性GH4780合金锻件，采用上述任意一种所述的具有高抗氧化性的GH4780合金锻件的制备方法制备得到。
在本发明的具体实施方式中，所述GH4780合金锻件，在空气中，在850℃的氧化速率为0.04～0.07[g/(m2·h)]。
如在不同实施方式中，所述氧化速率可达0.04[g/(m2·h)]、0.045[g/(m2·h)]、0.05[g/(m2·h)]、0.055[g/(m2·h)]、0.06[g/(m2·h)]、0.065[g/(m2·h)]、0.07[g/(m2·h)]等等。
在本发明的具体实施方式中，所述GH4780合金锻件的平均晶粒度为ATSM 6～8级，优选为8级。
在本发明的具体实施方式中，所述GH4780合金锻件的室温抗拉强度≥1290MPa，如1290～1315MPa；760℃抗拉强度≥925MPa，如925～950MPa。
实施例1
本实施例提供了具有高抗氧化性GH4780合金锻件的制备方法，包括如下步骤：
(1)通过真空感应和保护气氛电渣重熔两联工艺冶炼得到GH4780合金铸锭，铸锭尺寸为Φ406mm；其中，GH4780合金，包括按质量百分比计的如下组分：锆0.08％，铝2.5％，碳0.06％，铬22.5％，钼0.1％，钨1.9％，钴19％，铁0.4％，铌0.8％，钛2.2％，磷0.01％，硼0.003％，钽0.9％，铜0.05％，锰0.05％，硅0.05％，钒0.05％，镁0.002％，硫0.0007％，余量为镍。
(2)将步骤(1)的铸锭在1120℃保温30h，然后在1150℃保温40h，再在1190℃保温50h，然后于1180℃进行一火次的轧制开坯，得到棒坯，所述轧制开坯的变形量为50％。
(3)将步骤(2)的棒坯在1010℃进行一火次的锻造，得到锻件；具体的，用石棉包裹棒坯，对锻造模具预热，温度不低于500℃，锻压速度为10mm/s，锻造的变形量为50％。
(4)将步骤(3)的锻件在1020℃固溶处理2h，然后在860℃时效处理16h后空冷，得到具有高抗氧化性的GH4780合金锻件。
实施例2
本实施例提供了具有高抗氧化性GH4780合金锻件的制备方法，参考实施例1，区别仅在于，GH4780合金中锆和铝的含量不同。
本实施例的GH4780合金中，锆含量为0.3％，铝含量为1.5％。
实施例3
本实施例提供了具有高抗氧化性GH4780合金锻件的制备方法，参考实施例1，区别仅在于，GH4780合金中锆和铝的含量不同。
本实施例的GH4780合金中，锆含量为0.15％，铝含量为2.0％。
实施例4
本实施例提供了具有高抗氧化性GH4780合金锻件的制备方法，参考实施例1，区别仅在于，步骤(2)～(4)的工艺参数略有不同，具体如下：
(2)将步骤(1)的铸锭在1120℃保温30h，然后在1150℃保温40h，再在1190℃保温50h，然后于1180℃进行一火次的轧制开坯，得到棒坯，所述轧制开坯的变形量为60％。
(3)将步骤(2)的棒坯在1010℃进行一火次的锻造，得到锻件；具体的，用石棉包裹棒坯，对锻造模具预热，温度不低于500℃，锻压速度为5mm/s，锻造的变形量为30％。
(4)将步骤(3)的锻件在1050℃固溶处理8h，然后在750℃时效处理8h后空冷，得到具有高抗氧化性的GH4780合金锻件。
比较例1
比较例1参考实施例1，区别在于，GH4780合金中，锆和铝的含量不同。
比较例1中的GH4780合金中，锆含量为0.07％，铝含量为1.4％。
比较例2
比较例2参考实施例1，区别在于，GH4780合金中，锆和铝的含量不同。
比较例2中的GH4780合金中，锆含量为0.15％，铝含量为2.7％。
比较例3
比较例3参考实施例1，区别在于，GH4780合金中，锆和铝的含量不同。
比较例3中的GH4780合金中，锆含量为0.4％，铝含量为2％。
比较例4
比较例4参考实施例1，区别在于，GH4780合金中，锆和铝的含量不同。
比较例4中的GH4780合金中，锆含量为0.4％，铝含量为2.6％。
比较例5
比较例5参考实施例1，区别在于，GH4780合金锻件的工艺不同。
比较例5的工艺包括：
在1175℃对GH4780铸锭进行60h均匀化处理；
在1150℃下对GH4780合金铸锭进行三个火次的拔长和镦粗，使每个火次的变形量为30％，得到GH4780合金棒坯；
在1065℃下对GH4780合金棒坯进行两个火次锻造，使每个火次的变形量为30％，得到GH4780合金锻件；
将GH4780合金锻件在1080℃固溶处理8h，然后水冷至室温；然后在800℃保温8h，然后空冷至室温。
实验例1
为了对比说明本发明的方法对GH4780合金锻件的抗氧化性能的影响，对不同实施例和比较例处理得到的GH4780合金锻件在850℃的氧化速率、室温抗拉强度、760℃抗拉强度进行测试，参考HB 5258钢及高温合金的抗氧化性测定试验方法，测试结果见表1。
表1不同GH4780合金锻件的性能测试结果
Figure BDA0003872238210000101
本发明通过调整锆和铝的含量，并改变加工工艺，能够显著提高GH4780合金的抗氧化性能；采用本发明的方法制备得到的GH4780合金锻件，在空气中，在850℃的氧化速率可降到0.04～0.07[g/(m2·h)]。
最后应说明的是：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；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然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。

Claims (7)

1.具有高抗氧化性的GH4780合金锻件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（a）将GH4780合金铸锭于1100~1190℃保温90~150h，然后于1160~1180℃进行轧制开坯，得到棒坯；
（b）将所述棒坯于830~1030℃进行锻造，然后进行固溶和时效处理，得到GH4780合金锻件；
所述GH4780合金中，按质量百分比计，包括：锆0.08%~0.3%，铝1.5%~2.5%，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%，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；
步骤（a）中，于1100~1190℃保温90~150h包括：于1100~1120℃保温20~40h，然后于1130~1150℃保温30~50h，然后于1160~1190℃保温40~60h；
步骤（a）中，进行一火次的所述轧制开坯；所述轧制开坯的变形量为40%~60%；
步骤（b）中，进行一火次的所述锻造；所述锻造的变形量为30%~60%；
所述固溶和时效处理包括：于1020~1050℃固溶处理2~8h，然后于750~860℃时效处理8~16h。
2.根据权利要求1所述的具有高抗氧化性的GH4780合金锻件的制备方法，其特征在于，所述锻造中，锻压速度为5~10mm/s。
3.根据权利要求1所述的具有高抗氧化性的GH4780合金锻件的制备方法，其特征在于，所述锻造中，对模具提前预热，并采用石棉包裹所述棒坯。
4.根据权利要求3所述的具有高抗氧化性的GH4780合金锻件的制备方法，其特征在于，所述模具的温度不低于500℃。
5.具有高抗氧化性的GH4780合金锻件，其特征在于，采用权利要求1~4任一项所述的具有高抗氧化性的GH4780合金锻件的制备方法制备得到。
6.根据权利要求5所述的具有高抗氧化性的GH4780合金锻件，其特征在于，所述GH4780合金锻件，在空气中，在850℃的氧化速率为0.04~0.07[g/(m2·h)]。
7.根据权利要求5所述的具有高抗氧化性的GH4780合金锻件，其特征在于，所述GH4780合金锻件的平均晶粒度为ATSM 6~8级。
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