GH698合金模锻件性能的工艺控制

GH698合金模锻件性能的工艺控制

作者：那 帅 屠 宇

来源：《中国科技纵横》2010年第15期

摘要:本文基于GH698合金的运用现实,用试验的方法证明了研究合金相变与锻造工艺之间的变化规律,确定取得最佳综合性能的关键工艺参数,以使锻件性能稳定在一个理想的水平上。 关键词:GH698合金;锻件;性能;工艺;控制

GH698合金主要用作大型喷气发动机涡轮盘,使用条件恶劣,性能要求苛刻。生产实践证明,此合金的塑、韧性富裕量较小。

本文目的是:研究合金相变与锻造工艺之间的变化规律,确定取得最佳综合性能的关键工艺参数,以使锻件性能稳定在一个理想的水平上。 一、试验方法

试验用料系某大型喷气发动机一级涡轮盘模锻件,直径472mm,轮缘厚度90mm。使用160KN蒸汽锤模锻成形。模锻加热温度1170℃,终锻温度1000℃,模锻后成堆罐冷。 所有性能试样均沿轮缘切向切取。1#试祥只经标准热处理:1120℃×8h,空冷;1000℃×4h,空冷;775℃×16h,空冷。2#一4#试祥的处理过程是:首先,从锻件上切取25mm×25mm截面的试样毛坯,进行1200℃×15min预加热,2#试祥预加热后空冷;3#、4#试样分别以4—5℃/min和 晶粒平均面积取10个视场的平均值,显微硬度取30点平均值,使用显微镜测微尺测定碳化物尺寸。

使用ASM—SX扫描电镜分秆拉力、冲击和持久试样断口形貌及断裂机制。

使用PHl600型扫描俄歇探针测定晶界成分,束压3KV,束流0.3 A,真空度6.67× Pa,能量分辨串0.6%。测定试样分两种状态,一种是25mm×25mm试祥经1200℃×15min预加热后空冷;另一种试样是同样加热后以4—5℃/min速度炉冷。试样在超真空室内用液氮须冷后打断,对晶界断裂面进行成分分析和深度剖面分析。 二、试验结果 (一)化学成分分析

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

结果见表1。所有元素都符合技术条件要求。 (二)性能试验

对比1#、2#试样可以看出,它们的室温强度、硬度和高温持久强度基本持平,高温加热快冷的2#试祥,塑、韧性大幅度降低:δ降低20%,Ψ降低21%,αk降低23%。从3#、4#试样可以看出,试样慢冷(炉冷),合金塑、韧性大幅度提高,且与冷却速度有关,高温加热后以4—5℃/min冷却的试样综合性能最好,冷却速度过慢,则持久强度大幅度降低. (三)试样组织参数变化

经1200℃×15min预处理的2#试样,晶粒得到细化,细化系数9%。1#、2#试样的基体显微硬度基本持平,炉冷的3#试样稍高。所有试祥的晶界相种类都是MC和M23C6,尺寸也相近。1#、3#试祥以MC为主,2#试样以M23C6为主。经电子探针分析,MC相中的金属元意以Nb为主,M23C6中的金属元素以Cr为主。从表3可以看出,不同工艺试祥,晶界相密度相差很大,1#试样每伽品界107颗,2#试样224颗,3#试样56颗。 (四)晶界成分测定结果

高温预加热后炉冷和空冷试样晶界成分分析结果见表2。此时,晶界面光滑,无任何析出物。炉冷和空冷试样相比,镍含量基本相同,铌高51%,钼高22%,铬高13%,钛高19%,碳低21%。可见,试样锻造或高温加热后慢冷,晶界元素铌和钼产生富集,而碳产生严重贫化。 三、讨论

(一)试祥性能和组织的关系。

两件试样的基体组织相同,晶粒基体显微硬度持平,因而其基体强化程度相近,显然,这不是影响它们塑、韧性的原因。2#试祥,因添加1200℃×15min预处理,晶粒得到细化,这更不是塑、韧性大幅度降低的原因。因此,影响因素只能是它们的晶界状态。

试验结果指出,1#试样,多数晶界弥散度较小、颗粒较大的MC占据;2#试样,多数晶界由弥散度较大、颗粒较小的M23C6所占据。

两种试样都是沿晶界断裂,1#试祥,晶相MC引起的大韧窝比例较大;2#试样,晶界M23C6相引起的半脆性晶界断裂面比例较大。’ (二)金相组织和生产工艺的关系

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

如上所述,1#、2#试样都是从锻造后罐冷的大锻件上切取的,最终热处理都是条件完全相同的标准热处理。它们的工艺差别,只是2#试样增加一道1200℃×15min预加热工序,预加热后,冷却速度较罐冷大得多。

高温显微镜观察证明,1200℃×15min预加热,合金组织未发生任何变化,这就是说,两件试祥组织差别是在此以后发生的。

高温显微镜观察证明,经1200℃×15min预处理的试祥,在标准热处理时,晶粒长大缓慢,长大机理以弯曲晶界变直和晶界跳跃移动长大为主,不移动的原始晶界数量较多。

未经预处理的试祥,晶粒长大很快,长大机理是晶界大量消失形成一个大晶粒为主要方式。不移动的原始晶界保留较少。

这就是说,两种状态的1#、2#试样,在标准热处理时都有部分新晶界形成,部分老晶界保留,只是数量比例不同。在此应特别指出,标准热处理形成的新晶界,两类试样都经历完全相同的工艺过程,其状态不应有差别。但保留不动的晶界在标准热处理之前却经历不同的工艺过程,晶界状态理应有差别。 四、结论

(一)正常生产条件下,GH698合金锻件性能决定于晶界状态,即晶界相MC和M23C6的尺寸和数量比例。若晶界MC相较多,M23C6相较少,而晶界相总密度又较小时,合金的持久强度低,塑、韧性好;若晶界MC相较少,M23C6相较多,而晶界相总密度又较大时,合金的持久强度高,塑、韧性低,只有在MC和M23C6相大小适中,数量比例恰当时,合金才能得到优良的综合性能。

(二)该合金的晶界状态决定于标准热处理之前的高温加热工序后的冷却速度。若冷却速度过慢,晶界相总量过少,影响合金的持久强度;若冷速过快,则晶界MC相过少,M23C6相过多,影响合金的塑、韧性。试验确定,标准热处理之前高温加热后的冷却速度以4—5℃/min为宜。 参考文献

[1]江贵藻, 周瑞发, 张绍维, 臧兰英. 固溶冷却速度对GH698合金组织和性能的影响[J]. 材料工程, 1984,(01)

[2]宋波, 刘勇兵, 杨晓红, 安健. 稀土Y及固溶处理对AM60镁合金组织和力学性能的影响[J]. 材料热处理学报, 2006,(02)

[3]孙心宝, 吴志贤. GH698合金塑性的研究[J]. 物理测试, 1984,(06)

作者简介:那帅(1977-),男,辽宁大连,工程师,从事冶金工艺与金属材料性能的研究。

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn