新型GH4099鎳基合金板材的制備與性能研究
GH4099是一種時效強化型高溫合金,它以Ni、Cr為基,以Al、Ti、W、Mo、Co綜合強化,以B、Mg為晶界強化元素,是一種高熱強性材料,因其具有良好的抗高溫蠕變能力,主要用在航空發(fā)動機燃燒室的承力件上,使用溫度為1000℃以下。
以往技術(shù)協(xié)議HB5332-92對其常溫拉伸性能、高溫拉伸性能以及高溫持久能力均有要求,要求其具有較好的強度。本次接到的新技術(shù)協(xié)議,不再要求其高溫持久能力,對塑性提出了更高的要求。要求常溫拉伸強度σb≤980MPa,以往協(xié)議中σb≤1130MPa。此外,高溫抗拉強度保持不變(≥295MPa),該協(xié)議的難點在于保持高溫抗拉強度的同時提高板材的塑性。
長鋼順利制備了這種新機用GH4099板材,本文對這種新機用GH4099合金板材的制備工藝進行了研究,并對不同熱處理工藝下的晶粒組織、性能進行了對比,以期為以后的研究提供一定的依據(jù)。
1成分和性能要求的限定條件
(1)GH4099合金的冶煉采用真空感應(yīng)爐冶煉+真空自耗重熔的雙聯(lián)工藝;
(2)合金的成分要控制在技術(shù)協(xié)議要求的范圍內(nèi),如表1所示。
(3)合金在固溶供貨狀態(tài)晶粒度應(yīng)細于或等于4級,時效處理狀態(tài)下檢測板材的力學(xué)性能,性能滿足下表2所示。
2工藝方案
該高塑性2.5mm×1000mm×2000mm的GH4099板材制備工藝如下:采用真空感應(yīng)爐冶煉+真空自耗重熔冶煉;采用鍛造4噸電液錘、700mm往返式軋機開坯,采用三輥熱軋機、二輥熱軋機、450mm可逆式冷軋機成材,采用輥底爐進行固溶處理,采用OLympus金相顯微鏡檢測晶粒度,采用ZwickZ330電子萬能材料試驗機檢測常溫、高溫拉伸強度及斷后伸長。
3制備工藝研究
3.1化學(xué)成分控制
針對GH4099化學(xué)成分的討論的文章很多,主要是控制Al、Ti的元素含量,以往文章中Al元素主要控制在2.0%~2.1%,Ti主要控制在1.2%~1.3%。由于GH4099屬于時效強化型高溫合金,以第二相γ＇[Ni3(Al,Ti)]析出為主要強化手段,為了降低其常溫拉伸強度,減少γ＇相的析出,其中Al控制在1.9%~2.0%,Ti元素控制在1.2%~1.3%。長鋼制備出的GH4099板材成分如表3所示。
真空自耗后,A端成分:Al1.95,Ti1.30;H端成分:Al1.97,Ti1.30
真空自耗后Al、Ti燒損較少,成分控制較好。
3.2熱處理工藝研究
3.2.1冷卻方式的確定
除了成分、晶粒度大小會影響強度外,還有熱處理工藝,主要是固溶溫度、以及固溶后的冷卻方式會影響γ＇相析出的數(shù)量,進而影響GH4099合金的強度。較高的固溶溫度,較快的冷卻速率會降低γ＇相的析出,進而降低合金的強度。根據(jù)以往的實踐經(jīng)驗,GH4099合金的固溶溫度在1130℃時,晶粒度一般在5~7級,具有較好的塑性和強度,本次試驗選擇1130℃。冷卻方式上有風(fēng)冷、水冷和淋浴冷三種方式,首先采用水冷做了試驗。
第一組試驗固溶溫度1130℃,保溫10min,采用水管噴水冷卻,冷卻后,常溫拉伸性能1021,1087MPa,斷后伸長44.5%,45.5%,高溫拉伸強度(900℃)為379,386MPa,斷后伸長49.5%,70%。和協(xié)議相比,常溫拉伸強度較高,不滿足協(xié)議要求。此外,噴水管冷卻不夠均勻,由于取樣的位置不同,導(dǎo)致常溫拉伸結(jié)果出現(xiàn)較大的差異。此時晶粒度為7(60%),8(40%),組織照片如圖1(a)所示,晶粒度偏細。
再次進行固溶處理,固溶過程中晶粒會部分長大,根據(jù)Hall-Petch公式τ=τ*+kd-1/2,其常溫抗拉強度隨著晶粒度的增加,晶粒尺寸的減小而顯著增加。溫度依然采用1130℃,保溫10min,本次采用風(fēng)冷。處理后,常溫抗拉強度1004MPa,1036MPa,斷后伸長21%,29%,強度依然較高,這可能是風(fēng)冷冷卻速率較慢,γ＇相析出較多導(dǎo)致強度依然較高。
最終采用1130℃,保溫10min,淋浴冷。冷卻后常溫拉伸強度為869,893MPa,斷后伸長56%,53%,晶粒度為5(50%),7(50%),晶粒組織如圖1(b)所示。淋浴冷卻較為均勻,常溫拉伸強度差別不大,冷卻速度較快,減少了冷卻過程中γ＇相的析出,降低了拉伸強度,提高了板材的塑性。三次熱處理后的常溫強度強度如下表4和圖2所示,呈下降趨勢。
根據(jù)王秀芬等人的論文,GH4099合金成品晶粒度在固溶溫度為1160℃~1200℃為急劇長大階段,1120℃~1160℃之間為普遍長大階段,經(jīng)過三次1130℃熱處理后,晶粒度為5(50%),7(50%)。長大較為緩慢,不過晶粒度的長大也和保溫時間有關(guān),該結(jié)果較好地滿足了協(xié)議的要求。在三次熱處理中,常溫拉伸強度逐漸下降,具有較好的塑性。
該試驗選取的溫度晶粒度長大較為緩慢,晶粒度的長大對常溫拉伸強度的影響較小,常溫拉伸強度主要取決于冷卻方式,淋浴冷卻速度較快,且和噴水管冷卻相比,更加均勻。為了確定實際生產(chǎn)中是否可以選取1130℃作為固溶溫度,在此基礎(chǔ)上,又進行了下面的試驗。
3.2.2固溶溫度的確定
因之前在1130℃下對同一GH4099板材依次進行了水冷、空冷、林浴冷,最終性能滿足協(xié)議要求。為了確定這種低塑性高強度的GH4099板材在林浴冷卻下的最佳固溶溫度,對GH4099試樣在1130℃下進行了固溶處理,固溶時間10min,冷卻方式淋浴冷,熱處理組織照片如圖3所示。
圖3中晶粒度大小為7.5(50%)+8.5(50%),常溫拉伸強度965,960MPa,高溫拉伸489,488MPa,斷后伸長40.5%,38%。符合協(xié)議要求。說明在1130℃下進行固溶處理,保溫時間10min,林浴冷卻方式可以保證該板材具有較好的塑性。但結(jié)果同時表明在1130℃下進行固溶處理,晶粒度較細,常溫拉伸強度(965,960MPa)接近協(xié)議強度上限(≤980MPa),因此,實際生產(chǎn)中可采取1130℃~1140℃進行固溶處理。
4結(jié)論
(1)采用真空感應(yīng)爐+自耗重熔進行冶煉,Al控制在1.9%~2.0%,Ti元素控制在1.2%~1.3%時合金具有較好的塑性和強度。
(2)降低合金Al、Ti的含量,加快固溶后的冷卻方式,可以減少γ＇相的析出,進而降低其拉伸強度。
(3)在1130℃~1135℃,進行固溶處理,晶粒長大較為緩慢。
(4)采用1130℃進行固溶處理,保溫10min,淋浴冷卻,常溫拉伸強度965,960MPa,可以滿足性能要求。
