高温合金因在高温的氧化和腐蚀条件下,可以承受复杂的应力而成为航空发动机、燃气轮机等设备中不可缺少的金属材料。GH合金是以铁-镍为基的高温合金,主要以TiAl元素进行沉淀强化,在℃以下使用具有良好的综合力学性能,长期使用组织稳定,具有较好的抗氧化性、较小的线膨胀系数,许多环形件都采用这种材料。
晶粒的大小对其力学性能有着重要的影响,高温合金材料晶粒尺寸增大后,常常造成塑性和韧性的降低,晶粒尺寸的减小可以使冲击韧性增加,改善拉伸强度和持久塑性,通过应用合理的热加工工艺参数,可以获得均匀细小的晶粒。
锻造过程中影响晶粒度的因素
高温合金锻造过程对晶粒度有影响的因素有3个:其一是锻造加热规范。高温合金因其合金化的程度高,导致锻造温度范围狭窄和再结晶速度缓慢，加热温度稍有偏高,会引起晶粒急剧长大;而当终锻温度低于再结晶开始温度时,除了使塑性下降,变形抗力增加外,还会因其不均匀变形而获得不均匀的晶粒。其二是锻造过程中的变形程度。高温合金因其合金化程度高,在钢坯浇注的时候便存在着枝晶偏析,降低了合金的可锻性。另外,高温合金没有同素异构转变,合金的晶粒度主要受锻造变形控制,在一定的锻造温度下,每一次加热火次的变形应大于临界变形程度并小于第二个晶粒长大区相应的变形程度,在满足要求的前提下,每一次变形应深透、均匀,尽量避免不均匀变形,否则会引起带状粗晶和局部粗晶。高温合金的粗晶带有一定的遗传顽固性,当前一次不均匀变形产生的粗晶,在紧接下来的变形程度没有达到足够大时,是难以改变的。隆继其三是因高温合金热膨胀系数大,对温度变化敏感,所以当直径较大的坯料直接装炉加热时,常因表层金属热膨胀剧烈、在坯料中心产生很大的拉应力而导致坯料炸裂。锻造时若直接与冷模具接触,将引起严重的温度不均匀,使塑性下降,产生局部粗晶。
首先,制备材质为GH的试块毛坯,表面车光或打磨,保证试块毛坯表面无缺陷。然后,按照理论概述确定锻造加热规范为:℃~℃预热，保温时间按0.7min/mm计算,快速升温至℃~℃,保温时间按0.6min/mm计算,终锻温度:℃,堆放空冷。为减少锻造时裂纹的发生和晶粒粗大,锻造前锤砧及所用工艺装备预热至℃,并且最后一个火次的变形量大于15%。
试验备料的材质为GH的高温合金,下料规格为gx50的毛坯10件,分别按锻造时锻比为2,4.6,8及8以上编制锻造工艺,分别锻造成截面为75×75,55x55、45x45,35×35及35×35继续增加一个火次的锻造。锻造结束后,按锻比从小到大的顺序分别编号为A1~A5,每个试块均截取15mm的薄片,按GB/T.5规定金相微观晶粒度检查,各试块图片如图1。
高温合金GH在锻造过程中形成的晶粒状态对整个零件的使用性能有着重要的影响,通过试验和生产中的总结可以看出,为了得到良好借用的金相组织及晶粒,必须严格控制高温合金的加热规范,锻造时要保证足够的锻比,最好锻比在4-6之间,锻造的过程火次不能过多,小于3个火次为宜,并且最后一个火次的变形量不低于15%。按照论文中所提及锻造过程,在中小型环类件的实际生产中,取得了良好的效果。
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