GH4065A镍基高温合金多道次压缩变形组织演变规律_税烺.pdf

第 48 卷 第 3 期Vol.48 No.3FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 3 月Mar.2023GH4065A 镍基高温合金多道次压缩变形组织演变规律税 烺1,2,付建辉1,2,赖 宇1,2(1.成都先进金属材料产业技术研究院股份有限公司 特钢技术研究所,四川 成都 610300;2.海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室,辽宁 鞍山 114009)摘要:使用不同应变速率、不同应变量的阶段式降温工艺对 GH4065A 镍基高温合金在多道次压缩变形过程中的组织演变进行研究。结果显示:通过两道次各 50%的压缩量即累积 75%的工程应变量可以获得与相同温度、相同应变速率下单道次 70%工程应变量接近的完全再结晶且晶粒细小的组织,即累积真应变达到 1.39 以上。每道次低于 50%的工程应变量易产生未完全再结晶的“项链组织”或导致晶粒粗大。通过 Deform 模拟的直径为 508 mm 的铸锭开坯过程显示,设置的变形工艺可实现在两镦两拔的情况下,使坯料中心部位的累积等效应变达到 1.39 以上,组织完全再结晶,而两端部分还有部分累积等效应变未能达到 1.39,需要第 3 火次的变形以实现完全再结晶。变形过程中的晶粒粗大问题需要通过调节 相的析出来控制。关键词:镍基高温合金;多道次变形;开坯工艺;晶粒粗大;完全再结晶DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.03.034中图分类号:TG316 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)03-0244-11Microstructure evolution laws of multi-pass compression deformation for nickel-base superalloy GH4065AShui Lang1,2,Fu Jianhui1,2,Lai Yu1,2(1.Department of Special Steel Technology,Chengdu Institute of Advanced Metallic Material Technology and Industry Co.,Ltd.,Chengdu 610300,China;2.State Key Laboratory of Metal Material for Marine Equipment and Application,Anshan 114009,China)Abstract:The microstructure evolution of nickel-base superalloy GH4065A during the multi-pass compression deformation process using staged cooling process with different strain rates and different strain amounts was studied.The results show that by accumulating the engi-neering strain amount of 75%in two passes with each compression amount of 50%,a fully recrystallized and fine-grained structure close to the 70%engineering strain amount in a single pass under the same temperature range and the same strain rate can be obtained,that is,the accumulated true strain reaches above 1.39.A engineering strain amount of lower than 50%in each pass is likely to cause incomplete-ly crystallized“necklace structure”or coarse grains.The cogging process of cast with the diameter of 508 mm simulated by Deform shows that the set deformation process is able to allow the central part of billet to reach the accumulated more than the equivalent strain of 1.39 and to reach complete recrystallization by two-time upsetting and two-time pulling,whereas two ends are still partially failed to reach the accumulated equivalent strain of 1.39,requiring the third deformation to achieve complete recrystallization.And,the problem of coarse grains during deformation needs to be controlled by adjusting the precipitation of phase.Key words:mickel-base superalloy;multi-pass hot deformation;cogging process;coarse grains;complete recrystallization收稿日期:2022-05-05;修订日期:2022-08-10作者简介:税 烺(1987-),男,博士,高级工程师E-mail:ustb1234 高温合金因其高强度、耐高温、耐腐蚀的性质多年来一直作为航空发动机、船舶重型燃气轮机、大型烟气轮机的热端部件被广泛使用1-5。近年来,随着航空工业、造船工业及石化工业的快速发展,更高的推重比和更高的涡轮前燃烧温度使相关零部件的服役环境更加恶劣,因此,对高温合金的性能提出了更加苛刻的要求6-11。当前国内外热端部件用量最大的 GH4169 镍基高温合金(美国牌号为 In-conel 718)的最高服役温度为 650,已不能满足下一代航空发动机的使用需求。而 GH4065A 镍基高温合金是在美国粉末冶金牌号 R88DT 的基础上发展而来的,采用传统的铸-锻工艺进行生产,可实现在 700 以上的高温环境稳定服役。因其采用与GH4169 镍基高温合金相同的传统铸-锻生产流程,生产成本较粉末冶金大大降低,并且可与 GH4169镍基高温合金共用生产设备,无需额外设备投入,适用于批量化生产。因此,GH4065A 镍基高温合金以其优良的性质和较低的生产成本成为我国下一代航空发动机热端转动部件的重要候选材料之一12-17。为了满足在高温下服役的力学性能,GH4065A镍基高温合金中加入了大量 Ti、Al 元素用于形成第二相沉淀强化,同时加入了大量 W、Mo、Co 用于镍基奥氏体固溶强化,因此,GH4065A 镍基高温合金在生产工艺中的锻造变形非常困难。前期的研究探索了 GH4065A 镍基高温合金在单道次变形过程中的组织演变规律,指出 GH4065A 镍基高温合金的完全再结晶需要较大的工程应变量。而由于该合金较高的强度和较低的塑性,通过单道次变形难以实现大型铸锭内部各位置达到 50%甚至 70%的工程应变量。因此,通过多道次变形累积工程应变量是实现大型铸锭内部各位置完全再结晶的必需手段。当前国内外针对 GH4065A 镍基高温合金多道次变形工艺的研究较少18,本文在 GH4065A 镍基高温合金单道次变形过程中组织演变规律研究的基础上,进一步探索其在多道次变形过程中的组织演变规律,为GH4065A 镍基高温合金的锻造变形工艺提供指导依据。1 试验方法本文所用试样取自某厂经真空感应熔炼、电渣重 熔 和 真 空 自 耗 重 熔 三 联 工 艺 得 到 的 直 径 为508 mm 的三次锭端部,样品为尺寸为 508 mm60 mm 的圆盘状,并已经完成均匀化工艺处理。通过直读光谱测量得到,不同位置取样的元素成分范围在不同铸锭位置的宏观分布无显著差别,如表 1所示。试验中用于 Gleeble-3500 压缩试验机的试样的取样方法为:在上述圆盘样品的 1/2 半径处取10 mm15 mm 的标准圆柱状压缩试样。将经过不同多道次变形工艺压缩后的样品采用线切割纵剖为两半,中心剖面经金相砂纸逐级打磨后机械抛光,采用 CuSO4+HCl+C2H5OH 混合液腐蚀后观察金相组织,用于分析不同工艺变形过程中的组织演变。表 1 GH4065A 镍基高温合金的成分范围(%,质量分数)Table 1 Composition ranges of nickel-base superalloy GH4065A(%,mass fraction)AlCoCrMoNbTiWFeNi2.192.2013.4013.4916.1716.274.104.180.6950.7523.533.693.613.680.210.2255.7356.12 文献中已有报道 1150 左右为 GH4065A 镍基高温合金塑性较好的区间,适于作为开始变形温度13。因此,本研究将 1150 作为多道次变形的开始温度并在图 1 所示的 5 种多道次变形工艺下观察合金组织的演变过程。多道次试验用于模拟开坯过程中从 GH4065A 镍基高温合金塑性最好的温度1150 开始梯度降温,从该合金奥氏体单相区向1115 以下的-双相区过渡的过程19。图 1a 为单道次工程应变量为 15%、变形速率为 0.01 s-1、梯度降温为 30 时的 4 道次热压缩模拟工艺(工艺 1)示意图。图 1b 为单道次工程应变量为 15%、变形速率为0.1 s-1、梯度降温为30 时的4 道次热压缩工艺(工艺 2)示意图。图 1c 为单道次工程应变量为 30%、变形速率为 0.1 s-1、梯度降温为30 的 4 道次热压缩工艺(工艺 3)示意图。图1d 为前两道次工程应变量为 50%、第 3 道次工程应变量为 30%、变形速率为 0.1 s-1、梯度降温为30 的 3 道次热压缩工艺(工艺 4)示意图,该工艺在工艺 3 的基础上增加前两道次的工程应变量至50%,由于样品已被压缩至较小的厚度,所以第 3道次仍采用 30%的工程应变量,在第 3 道次完成后则采用 1060 保温处理而未继续施加工程应变量。图 1e 为前两道次的工程应变量为 50%、第 3 道次的工程应变量为 30%、变形速率为 0.1 s-1、梯度降温为 50 的 3 道次热压缩工艺(工艺 5)示意图,该工艺在工艺 4 的基础上每道次增加了梯度降温幅度。通过设置不同的变形速率、工程应变量以及梯度降温幅度,可以了解 GH4065A 镍基高温合金在相应的变形参数下组织的演变规律。2 试验结果与讨论2.1 单道次变形组织演变规律前期的研究通过单道次 Gleeble 压缩试验总结了GH4065A 镍基高温合金在单道次变形中的组织演变规律。在变形温度为 1150 时,不同工程应变量和应变速率条件下得到的组织如图 2 所示;在变形温度为 1100 时,不同工程应变量和应变速率条件542第 3 期税 烺等:GH4065A 镍基高温合金多道次压缩变形组织演变规律 图 1 多道次变形工艺示意图(a)工艺 1(b)工艺 2(c)工艺 3(d)工艺 4(e)工艺 5Fig.1 Schematic diagrams of multi-pass deformation