新型GH4099鎳基合金板材的制備與性能研究
GH4099是一種時(shí)效強(qiáng)化型高溫合金,它以Ni、Cr為基,以Al、Ti、W、Mo、Co綜合強(qiáng)化,以B、Mg為晶界強(qiáng)化元素,是一種高熱強(qiáng)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(dòng)機(jī)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(duì)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(qiáng)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(duì)塑性提出了更高的要求。要求常溫拉伸強(qiáng)度σb≤980MPa,以往協(xié)議中σb≤1130MPa。此外,高溫抗拉強(qiáng)度保持不變(≥295MPa),該協(xié)議的難點(diǎn)在于保持高溫抗拉強(qiáng)度的同時(shí)提高板材的塑性。
長(zhǎng)鋼順利制備了這種新機(jī)用GH4099板材,本文對(duì)這種新機(jī)用GH4099合金板材的制備工藝進(jìn)行了研究,并對(duì)不同熱處理工藝下的晶粒組織、性能進(jìn)行了對(duì)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(xì)于或等于4級(jí),時(shí)效處理狀態(tài)下檢測(cè)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(jī)開(kāi)坯,采用三輥熱軋機(jī)、二輥熱軋機(jī)、450mm可逆式冷軋機(jī)成材,采用輥底爐進(jìn)行固溶處理,采用OLympus金相顯微鏡檢測(cè)晶粒度,采用ZwickZ330電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)常溫、高溫拉伸強(qiáng)度及斷后伸長(zhǎng)。
3制備工藝研究
3.1化學(xué)成分控制
針對(duì)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(shí)效強(qiáng)化型高溫合金,以第二相γ＇[Ni3(Al,Ti)]析出為主要強(qiáng)化手段,為了降低其常溫拉伸強(qiáng)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(zhǎng)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(huì)影響強(qiáng)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(huì)影響γ＇相析出的數(shù)量,進(jìn)而影響GH4099合金的強(qiáng)度。較高的固溶溫度,較快的冷卻速率會(huì)降低γ＇相的析出,進(jìn)而降低合金的強(qiáng)度。根據(jù)以往的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),GH4099合金的固溶溫度在1130℃時(shí),晶粒度一般在5~7級(jí),具有較好的塑性和強(qiáng)度,本次試驗(yàn)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(yàn)。
第一組試驗(yàn)固溶溫度1130℃,保溫10min,采用水管?chē)娝鋮s,冷卻后,常溫拉伸性能1021,1087MPa,斷后伸長(zhǎng)44.5%,45.5%,高溫拉伸強(qiáng)度(900℃)為379,386MPa,斷后伸長(zhǎng)49.5%,70%。和協(xié)議相比,常溫拉伸強(qiáng)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(shí)晶粒度為7(60%),8(40%),組織照片如圖1(a)所示,晶粒度偏細(xì)。
再次進(jìn)行固溶處理,固溶過(guò)程中晶粒會(huì)部分長(zhǎng)大,根據(jù)Hall-Petch公式τ=τ*+kd-1/2,其常溫抗拉強(qiáng)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(qiáng)度1004MPa,1036MPa,斷后伸長(zhǎng)21%,29%,強(qiáng)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(qiáng)度依然較高。
最終采用1130℃,保溫10min,淋浴冷。冷卻后常溫拉伸強(qiáng)度為869,893MPa,斷后伸長(zhǎng)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(qiáng)度差別不大,冷卻速度較快,減少了冷卻過(guò)程中γ＇相的析出,降低了拉伸強(qiáng)度,提高了板材的塑性。三次熱處理后的常溫強(qiáng)度強(qiáng)度如下表4和圖2所示,呈下降趨勢(shì)。
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(zhǎng)大階段,1120℃~1160℃之間為普遍長(zhǎng)大階段,經(jīng)過(guò)三次1130℃熱處理后,晶粒度為5(50%),7(50%)。長(zhǎng)大較為緩慢,不過(guò)晶粒度的長(zhǎng)大也和保溫時(shí)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(qiáng)度逐漸下降,具有較好的塑性。
該試驗(yàn)選取的溫度晶粒度長(zhǎng)大較為緩慢,晶粒度的長(zhǎng)大對(duì)常溫拉伸強(qiáng)度的影響較小,常溫拉伸強(qiáng)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(shí)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(jìn)行了下面的試驗(yàn)。
3.2.2固溶溫度的確定
因之前在1130℃下對(duì)同一GH4099板材依次進(jìn)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(qiáng)度的GH4099板材在林浴冷卻下的最佳固溶溫度,對(duì)GH4099試樣在1130℃下進(jìn)行了固溶處理,固溶時(shí)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(qiáng)度965,960MPa,高溫拉伸489,488MPa,斷后伸長(zhǎng)40.5%,38%。符合協(xié)議要求。說(shuō)明在1130℃下進(jìn)行固溶處理,保溫時(shí)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(shí)表明在1130℃下進(jìn)行固溶處理,晶粒度較細(xì),常溫拉伸強(qiáng)度(965,960MPa)接近協(xié)議強(qiáng)度上限(≤980MPa),因此,實(shí)際生產(chǎn)中可采取1130℃~1140℃進(jìn)行固溶處理。
4結(jié)論
(1)采用真空感應(yīng)爐+自耗重熔進(jìn)行冶煉,Al控制在1.9%~2.0%,Ti元素控制在1.2%~1.3%時(shí)合金具有較好的塑性和強(qiáng)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(jìn)而降低其拉伸強(qiáng)度。
(3)在1130℃~1135℃,進(jìn)行固溶處理,晶粒長(zhǎng)大較為緩慢。
(4)采用1130℃進(jìn)行固溶處理,保溫10min,淋浴冷卻,常溫拉伸強(qiáng)度965,960MPa,可以滿足性能要求。
