GH4169合金锻造工艺对晶粒尺寸影响研究

  GH4169合金被称为高温合金“性能之王”,在深冷和高温条件下均得到极其广泛应用。我国于70年代开始研制该合金,目前国内对GH4169合金的研发逐渐深入,其中如何获得细小均匀的晶粒组织是一个重点方向。科研人员主要研究GH4169合金4500t压机锻造开坯和18MN径锻成材工艺及其新锻造工艺对合金晶粒尺寸的影响。

  某公司供某航空厂的GH4169合金棒材出现了2炉晶粒度用户复检不合格现象,具体情况:规格Ф180mm,工艺路线为真空+自耗+锻造,晶粒度问题为棒材中心晶粒度1~2(0)级60%,3~4级40%/1~2级40%,3~4级60%。经分析棒材心部出现粗晶(混晶)现象的原因:
  (1)原始晶粒组织粗大。
  (2)棒材心部粗晶组织未得到充分破碎。

  GH4169合金棒材原标准要求晶粒度细于4级,而目前我国开发的新机如“大运”用棒材要求晶粒度细于6级,传统工艺已无法满足GH4169合金新机材料对晶粒度的要求,必须对GH4169合金生产工艺特别是锻造工艺进行改进。

  GH4169合金的固溶温度较低(950℃~980℃),处于再结晶温度(930℃~940℃)与聚集再结晶温度(980℃,晶粒开始长大温度)之间,热加工工艺的操作好坏基本决定了合金的组织和性能。根据GH4169合金不同温度下的GLEEBLE试验结果可知,GH4169合金锻造在900℃~1080℃温度范围内面缩率达到50%以上,该温度范围可以认为是锻造塑性区,在970℃~1040℃面缩率达到65%的峰值,该温度可以认为是最佳塑性温度区。而径锻过程GH4169合金的温度效应体现为,棒材心部升温在20℃~30℃,表面温度在开锻温度上下波动,温度下降很小。GH4169合金相形貌控制是该合金终锻温度控制的关键,GH4169合金的终锻温度最佳控制范围是930℃±10℃。单向拔长和采用两次镦拔拔长晶粒组织对比照片可知,反复镦拔对钢锭的组织破碎和棒材组织性能一致性十分有利。利用流函数法对锻透性进行了解析,认为径锻过程当L/D(L为每打击一次坯料的压下量,D为棒材直径)小于某一值时,锻件就锻不透。GFM精锻机三维成型锻透性数值模拟研究认为,当心部的等效应变值大于0.2时,坯料方可被锻透。科研人员在研究径锻工艺时也都提出在大变形量后要增加一个道次给回复—再结晶一个时间的结论。

  根据要求试验了控制4级晶粒组织的新工艺:Ф508mm自耗锭采用两镦两拔工艺在4500吨压机开坯+18MN径锻成材。

  控制6级晶粒组织的新工艺:冶炼过程控制Ф508mm自耗锭长度1400mm左右,采用三镦两拔工艺在4500吨压机开坯+18MN径锻成材,成材规格Ф250mm(车光)。值得一提的是整个锻造过程都采用软包套,包套采用内层保温棉外层玻璃丝布的手段,压机开坯时包套作用显著。研究结果表明:

  (1)GH4169合金棒材晶粒度不合格的根本原因是锻造过程采用单向拔长工艺,导致棒材变形量偏小、动态再结晶不充分引起的。
  (2)GH4169合金锻造过程应严格控制变形温度,包括开坯温度、径锻温度、终锻温度。
  (3)GH4169合金锻造开坯采用两镦两拔+拔长工艺,火次变形量控制在40%~50%。径锻成型时宜采用较小的锤击频率,较大的压下量变形,最后道次要控制成型及终锻温度。