CN1683097A - Gh742合金大钢锭的保温锻造开坯方法 - Google Patents

Abstract

GH742合金大钢锭的保温锻造开坯方法，其特征是：(1)高温粘结剂是800℃以上软化点的市售玻璃粉，保温材料是硅酸铝纤维的市售保温石棉毯；(2)钢锭包覆保温时，先将玻璃粉洒在保温石棉毯上，呈棉絮状保温棉；经900℃低温加热的钢锭出炉后，将棉絮状保温棉直接包裹在钢锭表面；(3)常规高温加热温度，保温5～6小时；(4)高温加热后的钢锭(连同棉絮状保温棉)开坯：锻造时间≥5min，压下量30mm，一火变形量≥50％；(5)开坯成型的合金坯料性能测试。本发明生产组织方便、可操作性强，有效解决了大锭型(＞φ350mm)GH742合金无法热加工开坯成型的难题，生产的合金坯料变形量大，产品质量优，生产效率高，成本低，经济效益和社会效益显著。

Description

GH742合金大钢锭的保温锻造开坯方法

技术领域

本发明涉及冶金行业高温合金的热加工开坯方法，尤其是指难变形高温合金的锻造开坯方法。

背景技术

高温合金是现代航空发动机、火箭发动机所必需的重要金属材料。它能在高温(一般指600～900℃)、氧化气氛和燃气腐蚀条件下，承受较大应力并长期使用。由于高温合金的合金化程度都很高，因此热加工开坯十分困难。合金化程度可以初步确定高温合金的热加工成型性能：合金化程度相对较低的高温合金变形抗力也低，塑性变形较好，比较容易热加工变形；而合金化程度高的高温合金，热加工温度范围狭窄，变形抗力大，塑性变形较差，热加工开坯成型十分困难。一般而言，热加工温度范围狭窄，锻造开坯十分困难的高温合金，称之为难变形高温合金。

目前，国内外难变形高温合金的热加工开坯方法有三种：挤压机开坯、锻压机锻造、热轧机包套轧制。挤压机开坯，使钢锭处于三向压应力状态，可以充分发挥合金在变形温度下的塑性，热加工开坯相对容易，但需要大吨位快速挤压机设备(8000吨以上)，而国内尚无此种挤压设备，故该方法常见于国外钢厂；热轧机包套轧制，先将钢锭套入尺寸匹配的金属管(如纯铁管，可以减缓钢锭的冷却速度，延迟钢锭的热加工变形时间)内一起加热，然后利用热轧机将钢锭、金属管热加工轧制开坯，但由于难变形高温合金的变形抗力很大，热加工轧制时，大钢锭(钢锭直径＞350mm)容易损坏轧钢机设备，故该方法仅适用于小钢锭(钢锭直径＜250mm)。因此，难变形高温合金大钢锭(直径＞350mm的大锭型)的热加工开坯，国内钢铁公司只能采用锻压机锻造的开坯方法(钢锭处于单向压应力、两向拉应力的状态)。

主要用于制造航空发动机涡轮盘(涡轮盘是涡轮发动机关键构件，型状复杂，受力大，使用温度高，工作条件恶劣，因此对材料要求很高，要求材料具有足够的热强性，良好的综合性能和尽可能高的高温抗氧化能力)、压气机盘、轴、紧固件和其它零部件(特别是高性能飞机发动机和中远程巡航导弹动力装置中的关键堆部件)的GH742高温合金，是一种高合金化的现代涡轮盘材料，属于公认的一种难变形高温合金。GH742的合金化程度较高(具有较高的Al、Ti、Nb、Mo含量，时效强化元素Al、Ti、Nb之和大于7.8％，固溶强化元素Mo含量较高，并采用Co和La补充强化；合金组织中形成复杂的Ni-Cr-Co固溶体，和高达35％的Ni₃Ti、Ni₃Al、Ni₃Nb型γ′强化相)，因而具有很高的热强性和良好的综合性能，但热加工塑性性能较差，热加工温度范围狭窄(一方面，当合金温度≤1120℃时，随着温度的升高，变形抗力急剧下降，当合金温度≥1120℃时，随着温度的升高，变形抗力下降速度缓慢，随着温度的升高，合金的塑性增加，并在1140℃左右达到最大值115％，然后随温度的升高合金的塑性急剧下降，当温度低于1050℃时合金己无法进行热加工变形，故合金的最佳变形温度是1050～1140℃，范围只有90℃；另一方面，一般情况下铸锭从出炉到开锻，钢锭表面温度下降约为70～90℃；故GH742合金铸锭加热温度规定为1140±10℃，终锻温度为≥1050℃。)，因此，GH742合金热加工锻压开坯的可操作性相当困难。锻压开坯时，若不采取必要的保温措施，难以获得表面无显著裂纹且组织性能合格的坯料(理论上，合金铸锭的一火锻造的变形量≥50％时，才能有效破碎钢锭的铸态组织。而生产实践中，若不采取相当的保温措施，则钢锭初锻的实际温度大约1050～1070℃左右，在这种情况下锻造，钢锭的表面裂纹难以避免，而难形高温合金的裂纹扩展速率较快，无法进行大变形锻造，只能采用多火次、小变形量的锻造生产，造成钢锭的铸态组织不能得到有效的破碎。)。

目前，用于GH742合金热加工锻压开坯的常见保温措施中，比较可行的是包套技术，也就是锻压机包套锻造，先将钢锭套入尺寸匹配的金属管(如纯铁管，可以减缓钢锭的冷却速度，延迟钢锭的热加工变形时间)内一起加热，然后利用锻压机，多火次(锻造变形时，对难变形合金而言其允许的最大变形程度较小，而塑性变形温度很窄，热加工时间很短，故需要多火次锻造)将钢锭、金属管热加工锻压开坯，不足之处是：多火次锻压开坯过程中，要准备尺寸不同的纯铁管包套，对钢锭(或锻坯)进行包套处理，工艺复杂，生产时间较长，成本较高，且合金坯的形状也受到限制(相对而言，圆形合金坯比较容易，方形合金坯比较困难)。

综上所述，大钢锭(钢锭直径大于350mm)的热加工开坯(就国内技术装备条件而言，就是热加工锻压开坯)一直是GH742合金的生产难点，严重影响了我国航空发动机涡轮盘材料的国产化(目前国内尚没有其大锭成功锻造开坯，模锻使用的报道)。

发明内容

本发明开发一种GH742合金大钢锭的保温锻造开坯方法，其特点是：利用特定的粘结剂将特定的非金属保温材料包裹在合金铸锭的表面(减少了铸锭出炉转移及锻造过程由于对流、辐射及传导等作用产生的热量损失)，大大减缓了合金铸锭(钢锭)的温降速度，不仅可增加热加工锻造开坯成型的塑性变形时间，也使一火锻造的钢锭变形量满足大于50％的技术要求，达到GH742合金铸锭保温锻造的目的。成功开发了GH742高温合金大锻件的市场。

本发明提供的GH742合金大钢锭的保温锻造开坯方法，其特征在于：第一，选择特定的粘结剂和特定的非金属保温材料，用于GH742合金大钢锭的保温包覆；第二，利用特定的粘结剂，将特定的非金属保温材料粘结、包裹在低温加热(加热温度应使高温粘结剂具有良好的可粘贴性)后的合金铸锭(合金铸锭是真空感应炉冶炼并自耗重熔的合金铸锭)表面；第三，将包裹非金属保温材料的合金铸锭放入加热炉内，高温加热(常规的钢锭加热温度)；高温加热后，合金铸锭出炉转移至锻压机；第四，连同非金属保温材料的合金铸锭，在锻压机上进行热加工锻造开坯；最后，对开坯成型的合金坯料，按常规工艺要求，车光、探伤、组织性能测试。

第一，选择特定的粘结剂和特定的非金属保温材料：

特定的粘结剂是高温粘结剂，可采用800℃(以上软化点温度的市售玻璃粉(当其加热到800℃以上时，已高于其软化点，高温粘结剂变成熔融状态，具有良好的粘贴作用)；

非金属保温材料是保温石棉，可采用硅酸铝纤维的市售保温石棉毯(其在高温下具有良好保温效果，不会发生粉化现象)，硅酸铝纤维是以Al₂O₃和SiO₂为主要成分的人造无机纤维，耐高温，容重低，同时其在高温条件下的纤维弹性好。

第二，利用特定的粘结剂，将特定的非金属保温材料粘结、包裹在低温加热后的合金铸锭表面：

先将玻璃粉(特定的粘结剂)洒在保温石棉毯(特定的非金属保温材料)上，使保温石棉呈棉絮状；

真空感应炉冶炼并自耗重熔的合金铸锭(钢锭)，经800～1000℃温度的低温加热(加热温度应使高温粘结剂具有良好的可粘贴性)后，出加热炉；

出料车将圆柱体钢锭放在洒有玻璃粉的保温石棉毯上；将涂有玻璃粉高温粘结剂的保温石棉毯粘贴、包裹在800～1000℃的钢锭圆柱面表面(这时由于保温石棉毯上的玻璃粉遇热熔化，也就是在高温下完全软化，成熔融状态后良好的粘贴性能，将保温石棉毯粘贴在加热到一定温度的钢锭表面)；将表面粘贴、包裹保温石棉毯的钢锭继续入炉加热。

第三，将包裹非金属保温材料的合金铸锭放入加热炉内，进行高温加热，钢锭加热温度1160～1180℃(常规工艺进行)，保温时间5～6小时(常规保温时间3～4小时)；

高温加热后，合金铸锭出炉转移至锻压机锻造(由于保温石棉重量轻，补熔融的玻璃粉粘贴在钢锭表面后，不会因为重力作用，在钢锭或坯料的出炉、转移过程中出现脱落现象，钢锭在转移过程中表面温降小于20℃，比常规钢锭转移钢锭温降少50～70℃)；

第四，将包裹保温石棉毯的合金铸锭，在锻压机上进行热加工锻造开坯：在1050～1120℃的温度区间(由于保温材料的作用，减少了钢锭与压机锤头接触而导致的热量损失，钢锭在锻造过程中的温降缓慢，使钢锭长时间停留在高塑性区的温度区间1050～1120℃；同时，由于熔融玻璃粉的粘结作用，锻造过程中被压紧、压实的保温石棉毯紧紧的贴在钢锭表面，不会随着钢锭变形而脱落)，钢锭表面温降缓慢，锻造时间达5min以上(原来仅2.5min左右)，压机多次往复进行锻造，每次压下量保持在25～35mm，一火变形量大于50％，使铸锭的铸态组织得到良好的破碎，其夹杂物也由原来的骨架状(图2)，破碎成颗粒状(图1)，得到组织性能良好的锻坯。

第五，对开坯成型的合金坯料，按常规工艺要求，车光、探伤、组织性能测试。

和现有技术相比，本发明具有下列优点：

1.利用保温石棉毯导热系数小，保温效果好，容重低，重量轻的优点，同时利用玻璃粉在高温下完全软化，成熔融状态后良好的粘贴性能，将二者优点结合起来达到800～1000℃的热钢锭保温的目的；

2.装备通用性强，成本低；

3.热加工开坯工艺，可操作性强；

4.一火锻造开坯的变形量大，合金质量高；

5.生产效率高，可批量开坯生产大锭型GH742难变形高温合金。

附图说明

图1是实施本发明锻造开坯的GH742合金锻坯组织颗粒状夹杂物

图2是用于本发明锻造开坯成型的GH742合金铸锭组织骨架状夹杂物

图3是GH742合金热加工拉伸塑性图

具体实施方案

某钢铁公司实施本发明专利，将多炉GH742高温合金的真空自耗重熔铸锭(铸锭尺寸：φ165～φ600，以φ508mm为例)在锻压机(4000吨、液压)上进行热加工锻造开坯，锻制出成品规格的合金坯料(成品规格φ360mm、φ200mm、φ130mm，以φ360mm为例)：第一，选择特定的粘结剂和特定的非金属保温材料，用于GH742合金大钢锭的保温包覆；特定的粘结剂是高温粘结剂，可采用800℃以上软化点温度的市售玻璃粉，非金属保温材料是保温石棉，可采用硅酸铝纤维的市售保温石棉毯；第二，利用特定的粘结剂，将特定的非金属保温材料粘结、包裹在低温加热后的合金铸锭表面；先将玻璃粉(特定的粘结剂)洒在保温石棉毯(特定的非金属保温材料)上，使保温石棉呈棉絮状；真空感应炉冶炼并自耗重熔的合金铸锭(钢锭)，经800～1000℃温度的低温加热后，出加热炉；出料车将圆柱体钢锭放在洒有玻璃粉的保温石棉毯上；将涂有玻璃粉高温粘结剂的保温石棉毯粘贴、包裹在800～1000℃的钢锭圆柱面表面；将表面粘贴、包裹保温石棉毯的钢锭继续入炉加热；第三，将包裹非金属保温材料的合金铸锭放入加热炉内，进行高温加热，钢锭加热温度1160～1180℃，保温时间5～6小时；高温加热后，合金铸锭出炉转移至锻压机，钢锭在转移过程中表面温降小于20℃；第四，连同非金属保温材料的合金铸锭，在锻压机上进行热加工锻造开坯：在1050～1120℃的温度区间，钢锭表面温降缓慢，锻造时间达5min以上，压机多次往复进行锻造，每次压下量保持在30～35mm，一火变形量大于55％，使铸锭的铸态组织得到良好的破碎，得到组织性能良好的锻坯；最后，对开坯成型的合金坯料，按常规工艺要求，车光、探伤、组织性能测试。

实施本发明，进行GH742合金大钢锭的保温锻造开坯，具有热加工工艺合理、生产组织方便、现场可操作性强、装备通用性强的特点，有效解决了大锭型(＞φ350mm)GH742合金无法热加工开坯成型的技术难题，生产的合金坯料一火锻造开坯的变形量大，产品质量高(组织性能各项指标一次合格率均为100％)，生产效率高，经济效益和社会效益(是国内GH742合金生产的重大技术突破)显著。

Claims (1)

1、GH742合金大钢锭的保温锻造开坯方法，其特征在于：第一，选择特定的粘结剂和特定的非金属保温材料，用于GH742合金大钢锭的保温包覆；第二，利用特定的粘结剂，将特定的非金属保温材料粘结、包裹在低温加热后的合金铸锭表面；第三，将包裹非金属保温材料的合金铸锭放入加热炉内，高温常规加热；高温加热后，合金铸锭出炉转移至锻压机；第四，连同非金属保温材料的合金铸锭，在锻压机上进行热加工锻造开坯；最后，对开坯成型的合金坯料，性能测试；

第一，选择特定的粘结剂和特定的非金属保温材料：特定的粘结剂是高温粘结剂，可采用800℃以上软化点温度的市售玻璃粉；非金属保温材料是保温石棉，可采用硅酸铝纤维的市售保温石棉毯，硅酸铝纤维是以Al₂O₃和SiO₂为主要成分的人造无机纤维，耐高温，容重低，同时其在高温条件下的纤维弹性好；

第二，利用特定的粘结剂，将特定的非金属保温材料粘结、包裹在低温加热后的合金铸锭表面：

先将玻璃粉洒在保温石棉毯上，使保温石棉呈棉絮状；

真空感应炉冶炼并自耗重熔的合金铸锭，经800～1000℃温度的低温加热后，出加热炉；

出料车将圆柱体钢锭放在洒有玻璃粉的保温石棉毯上；将涂有玻璃粉高温粘结剂的保温石棉毯粘贴、包裹在800～1000℃的钢锭圆柱面表面；将表面粘贴、包裹保温石棉毯的合金铸锭继续入炉加热；

第三，将包裹非金属保温材料的合金铸锭放入加热炉内，进行高温加热，钢锭加热温度是常规工艺的1160～1180℃，保温时间5～6小时；高温加热后，合金铸锭出炉转移至锻压机锻造；

第四，将包裹保温石棉毯的合金铸锭，在锻压机上进行热加工锻造开坯：在1050～1120℃的温度区间，钢锭表面温降缓慢，锻造时间达5min以上，压机多次往复进行锻造，每次压下量保持在25～35mm，一火变形量大于50％，使铸锭的铸态组织得到良好的破碎，其夹杂物也由原来的骨架状破碎成颗粒状，得到组织性能良好的锻坯；

第五，对开坯成型的合金坯料，按常规工艺要求，车光、探伤、组织性能测试。

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