CN115433892B

CN115433892B - 一种同时提高gh4169高温合金板材强度和塑性的方法

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Publication number: CN115433892B
Application number: CN202211113687.0A
Authority: CN
Inventors: 谭元标; 曾梦婷; 杨亚; 向嵩; 赵飞; 黄朝文
Original assignee: Guizhou University
Current assignee: Guizhou University
Priority date: 2022-09-14
Filing date: 2022-09-14
Publication date: 2023-03-21
Anticipated expiration: 2042-09-14
Also published as: CN115433892A

Abstract

本发明公开了一种同时提高GH4169高温合金板材强度和塑性的方法，涉及镍基高温合金的加工及热处理技术领域。本发明通过深冷轧制+时效热处理相结合的方法，获得的GH4169高温合金板材的强度和塑性得到大幅度提高，显著高于室温轧制+时效热处理的GH4169高温合金板材。该方法处理工艺简单、操作方便，实现了GH4169高温合金板材强度和塑性的双重提升，使其性能更加优异，对于推动航空航天领域的发展具有重要意义。

Description

一种同时提高GH4169高温合金板材强度和塑性的方法

技术领域

本发明涉及镍基高温合金的加工及热处理技术领域，特别是涉及一种同时提高GH4169高温合金板材强度和塑性的方法。

背景技术

GH4169高温合金是一种以体心四方γ″和面心立方γ′为主要强化相的沉淀强化型镍基高温合金。由于GH4169高温合金在650℃下具有优异的抗疲劳、抗氧化、耐腐蚀性能及高温力学性能，被广泛用于制造航空发动机、燃气涡轮机和螺栓等高温结构零部件。

随着航空工业的发展，航天航空装备服役工况日益严峻复杂，对航空关键结构件的完整性、可靠性和耐久性提出了更高的要求，因此提高GH4169高温合金的综合力学性能是航空航天领域亟待解决的重要工程问题。

为了获得更高强度的关键零部件，近年来已发展大量加工和热处理方法来强化GH4169高温合金板材的力学性能。目前，GH4169高温合金板材的强化技术手段主要包括时效热处理、热变形+时效、冷变形+时效等技术。

中国发明专利申请CN110747417A公开了一种镍基沉淀硬化型高温合金的热处理工艺，即在980-1070℃下保温1-3h全固溶处理和730-780℃保温12-18h，再经630-680℃保温18-25h的两段时效处理工序。经该时效热处理工艺处理后的合金板材屈服强度较低，最高仅为1100MPa。李振容等人通过热变形+时效技术强化合金板材后其屈服强度和抗拉强度分别为1157.4MPa和1392.8MPa。而李红宇等人通过冷变形加工+时效技术强化GH4169高温合金板材，其屈服强度和抗拉强度可提升至1780MPa和1885MPa，但其延伸率仅为3％。

目前的板材加工方法依然无法满足航空航天领域对GH4169高温合金板材的高性能要求，利用简单的方法改善GH4169高温合金板材性能对于推动航空航天领域的发展具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种同时提高GH4169高温合金板材强度和塑性的方法，以解决上述现有技术存在的问题，实现GH4169高温合金板材强度和塑性的大幅度提高，显著优于室温轧制的GH4169高温合金板材性能。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种同时提高GH4169高温合金板材强度和塑性的方法，包括以下步骤：

(1)固溶处理：将所述GH4169高温合金板材放入马弗炉中从室温以10℃/min的升温速度随炉加热至1000-1050℃，保温1.5-4h，保温结束后水冷至室温；

(2)深冷轧制：将经步骤(1)处理后的GH4169高温合金板材在液氮中进行浸泡处理10-20min，之后进行多道次轧制，得到深冷轧制后的GH4169高温合金板材；

(3)将步骤(2)深冷轧制后的GH4169高温合金板材再次放入马弗炉中，在680-720℃保温6-8h，保温结束后空冷至室温。

进一步地，步骤(2)多道次轧制过程中，每道次压下量为原始厚度的10-15％，每道次轧制结束后，将GH4169高温合金板材放入液氮中浸泡10-20min。

进一步地，步骤(2)轧制后，GH4169高温合金板材的总变形量为原始厚度的30％-50％。

进一步地，步骤(1)中保温时间为1.5-4h；步骤(3)中保温时间为6-8h。

进一步地，所述GH4169高温合金板材的化学成分为：Ni 50.0-55.0wt％、Cr 17.0-21.0wt％、Mo 2.80-3.30wt％、Nb 4.75-5.5wt％、Mn≤0.35wt％、Si≤0.35wt％、Ti 0.65-1.15wt％、Al 0.20-0.80wt％和余量的Fe。

本发明还提供经上述方法处理得到的GH4169高温合金板材。

经本发明方法处理后的GH4169高温合金板材在保持塑性不变甚至略有提高的前提下，强度也得到了十分明显的提升。

本发明还进一步提供经上述方法处理得到的GH4169高温合金板材在航空航天领域中的应用。

本发明公开了以下技术效果：

本发明处理工艺简单、操作方便，可以细化GH4169高温合金板材的晶粒，大幅度增加合金内部的位错密度，提高GH4169高温合金的力学性能。与普通室温轧制工艺相比，在相同变形量条件下，本发明采用的加工技术可同时提高GH4169高温合金板材的抗拉强度和延伸率。

本发明在简单的工艺基础上实现了GH4169高温合金板材强度和塑性的双重提升，使其性能更加优异，对于推动航空航天领域的发展具有重要意义。

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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为不同处理GH4169高温合金板材的金相图；其中：A为固溶处理的GH4169高温合金板材，B为实施例2液氮轧制30％+时效处理的GH4169高温合金板材，C为实施例4液氮轧制50％+时效处理的GH4169高温合金板材；

图2为实施例1-2和对比例1-2制备的GH4169高温合金板材室温拉伸的工程应力应变曲线；

图3为实施例3-4和对比例3-4制备的GH4169高温合金板材室温拉伸的工程应力应变曲线。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

本发明实施例中GH4169高温合金板材的化学成分质量百分含量如下：Ni52.0wt％、Cr 20.1wt％、Mo 3.12wt％、Nb 5.25wt％、Mn 0.35wt％、Si 0.35wt％、Ti0.98wt％、Al 0.66wt％和余量的Fe。

以下实施例和对比例中，GH4169高温合金经固溶处理后的抗拉强度和延伸率分别为978MPa和34％。

实施例1对GH4169高温合金板材进行深冷轧制(液氮轧制)

步骤1、固溶处理：将GH4169高温合金板材放入马弗炉中从室温随炉以10℃/min的升温速率加热至1000℃，保温1.5h，随后水冷至室温；

步骤2、首先将液氮倒入铁槽里，待液氮的汽化稳定后，将长度、宽度和厚度分别为100mm、50mm和6mm的GH4169高温合金板材浸泡在液氮中，浸泡时间为15min。

步骤3、将轧机的轧辊表面涂上润滑油，开启轧机，轧辊转速设置为0.5m/min。

步骤4、深冷轧制：待轧辊转动均匀后，对在液氮中浸泡15min的GH4169高温合金板材进行轧制变形。总轧制变形量为GH4169高温合金原始板材厚度的30％，分3道次进行轧制，每道次变形量为原始板材厚度为10％。每道次轧制结束后，迅速将轧制样品放入液氮中进行浸泡，浸泡时间为10min。浸泡结束后，进行下一道次的轧制变形。直到总变形量达到GH4169高温合金原始板材厚度的30％。得到液氮条件下轧制变形量为30％的GH4169高温合金板材。

对比例1对GH4169高温合金板材进行室温轧制

步骤1同实施例1；

步骤2、将轧机的轧辊表面涂上润滑油，开启轧机，轧辊转速设置为0.5m/min；

步骤3、室温轧制：待轧辊转动均匀后，对固溶处理后的长度、宽度和厚度分别为100mm、50mm和6mm的GH4169高温合金板材进行轧制变形。总轧制变形量为GH4169高温合金原始板材厚度的30％，分3道次进行轧制，每道次变形量为原始板材厚度为10％，直到总变形量达到GH4169高温合金原始板材厚度的30％，得到室温条件下轧制变形量为30％的GH4169高温合金板材。

实施例2对GH4169高温合金板材进行深冷轧制(液氮轧制)+时效处理

步骤1-4同实施例1；

步骤5、时效处理：将步骤4深冷轧制后的GH4169高温合金板材放入马弗炉中，在720℃保温8h，保温结束后空冷至室温，得到深冷轧制+时效处理的GH4169高温合金板材。

对比例2对GH4169高温合金板材进行室温轧制+时效处理

步骤1-3同对比例1；

步骤4、时效处理：将步骤3轧制后的GH4169高温合金板材放入马弗炉中，在720℃保温8h，保温结束后空冷至室温，得到室温轧制+时效处理的GH4169高温合金板材。

实施例1-2和对比例1-2制备的GH4169高温合金板材室温拉伸的工程应力应变曲线见图2。

从图2中可以看出，对比例1制备的GH4169高温合金的抗拉强度和延伸率分别为1153.14MPa和9.43％，实施例1制备的GH4169高温合金的抗拉强度和延伸率分别为1253.97MPa和11.22％。

对比例2制备的GH4169高温合金的抗拉强度和延伸率分别为1492.99MPa和8.12％，实施例2制备的GH4169高温合金抗拉强度和延伸率分别为1518.92MPa和13.04％。

由此可见，深冷轧制后的GH4169高温合金拉伸强度和塑性分别比室温轧制变形后的GH4169高温合金板材高8.7％和19.0％；

深冷轧制+时效处理的GH4169高温合金拉伸强度和塑性分别比室温轧制+时效处理的GH4169高温合金板材高1.7％和60.6％；

深冷轧制+时效处理的GH4169高温合金板材拉伸强度和塑性比深冷轧制GH4169高温合金板材高21.1％和16.2％。

实施例3对GH4169高温合金板材进行深冷轧制(液氮轧制)

步骤4、待轧辊转动均匀后，对在液氮中浸泡15min的GH4169高温合金板材进行轧制变形。总轧制变形量为GH4169高温合金原始板材厚度为50％，分5道次进行轧制，每道次变形量为原始板材厚度为10％。每道次轧制结束后，迅速将轧制样品放入液氮中进行浸泡，浸泡时间为10min。浸泡结束后，进行下一道次的轧制变形。直到总变形量达到GH4169高温合金原始板材厚度的50％。得到液氮条件下轧制变形量为50％的GH4169高温合金板材。

对比例3对GH4169高温合金板材进行室温轧制

步骤1同实施例3；

步骤3、室温轧制：待轧辊转动均匀后，对固溶处理后的长度、宽度和厚度分别为100mm、50mm和6mm的GH4169高温合金板材进行轧制变形。总轧制变形量为GH4169高温合金原始板材厚度的50％，分5道次进行轧制，每道次变形量为原始板材厚度为10％，直到总变形量达到GH4169高温合金原始板材厚度的50％，得到室温条件下轧制变形量为50％的GH4169高温合金板材。

实施例4对GH4169高温合金板材进行深冷轧制(液氮轧制)+时效处理

步骤1-4同实施例3；

对比例4对GH4169高温合金板材进行室温轧制+时效处理

步骤1-3同对比例3；

实施例3-4和对比例3-4制备的GH4169高温合金板材室温拉伸的工程应力应变曲线见图3。

从图3中可以看出，对比例3制备的GH4169高温合金的抗拉强度和和延伸率分别为1329.54MPa和5.38％，实施例3制备的GH4169高温合金的抗拉强度和和延伸率分别为1492.66MPa和6.53％。

对比例4制备的GH4169高温合金的抗拉强度和延伸率分别为1642.49MPa和5.31％，实施例4制备的GH4169高温合金的抗拉强度和延伸率分别为1663.57MPa和6.76％。

由此可见，深冷轧制后的GH4169高温合金拉伸强度和塑性分别比室温轧制变形后的GH4169高温合金板材高12.3％和21.4％；

深冷轧制+时效处理的GH4169高温合金拉伸强度和塑性分别比室温轧制+时效处理的GH4169高温合金板材高1.3％和27.3％；

深冷轧制+时效处理的GH4169高温合金板材拉伸强度和塑性比深冷轧制GH4169高温合金板材高11.5％和3.5％。

在液氮条件下轧制后，GH4169高温合金板材的强度随轧制变形量的增加从1253.97MPa增加到1492.66MPa，延伸率依然保持在6.53％左右。在720℃时效后的GH4169高温合金板材，强度随轧制变形量的增加从1518.92MPa增加到1663.57MPa，而延伸率反而略有提高，达到6.76％左右。也就是说，时效处理后的GH4169高温合金板材在保持塑性不变甚至略有提高的前提下，强度还得到十分明显的提升。与相同条件的室温轧制相比，通过本发明的深冷加工方法制备的GH4169高温合金板材可同时显著提高板材的强度和塑性。

本发明通过时效热处理和深冷轧制相结合的方法，获得的GH4169高温合金板材的强度和塑性得到大幅度提高，显著高于室温轧制的GH4169高温合金板材。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种同时提高GH4169高温合金板材强度和塑性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)固溶处理：将所述GH4169高温合金板材从室温加热至1000-1050℃，保温结束后水冷至室温；

(3)将步骤(2)深冷轧制后的GH4169高温合金板材在680-720℃保温，保温结束后空冷至室温；

步骤(2)多道次轧制过程中，每道次压下量为原始厚度的10-15％，每道次轧制结束后，将GH4169高温合金板材放入液氮中浸泡；

步骤(2)轧制后，GH4169高温合金板材的总变形量为原始厚度的30％-50％；

步骤(1)中保温时间为1.5-4h；

步骤(3)中保温时间为6-8h。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述GH4169高温合金板材的化学成分为：Ni 50.0-55.0wt％、Cr 17.0-21.0wt％、Mo 2.80-3.30wt％、Nb 4.75-5.5wt％、Mn≤0.35wt％、Si≤0.35wt％、Ti 0.65-1.15wt％、Al 0.20-0.80wt％和余量的Fe。

3.如权利要求1-2任一项所述方法处理得到的GH4169高温合金板材。

4.如权利要求3所述的GH4169高温合金板材在航空航天领域中的应用。