板材冷轧机(新型GH4099镍基合金板材的制备与性能研究)

Posted 2023-05-29

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板材冷轧机(新型GH4099镍基合金板材的制备与性能研究)

GH4099是一种时效强化型高温合金,它以Ni、Cr为基,以Al、Ti、W、Mo、Co综合强化,以B、Mg为晶界强化元素,是一种高热强性材料,因其具有良好的抗高温蠕变能力,主要用在航空发动机燃烧室的承力件上,使用温度为1000℃以下。

以往技术协议HB5332-92对其常温拉伸性能、高温拉伸性能以及高温持久能力均有要求,要求其具有较好的强度。本次接到的新技术协议,不再要求其高温持久能力,对塑性提出了更高的要求。要求常温拉伸强度σb≤980MPa,以往协议中σb≤1130MPa。此外,高温抗拉强度保持不变(≥295MPa),该协议的难点在于保持高温抗拉强度的同时提高板材的塑性。

长钢顺利制备了这种新机用GH4099板材,本文对这种新机用GH4099合金板材的制备工艺进行了研究,并对不同热处理工艺下的晶粒组织、性能进行了对比,以期为以后的研究提供一定的依据。

1成分和性能要求的限定条件

(1)GH4099合金的冶炼采用真空感应炉冶炼+真空自耗重熔的双联工艺;

(2)合金的成分要控制在技术协议要求的范围内,如表1所示。

(3)合金在固溶供货状态晶粒度应细于或等于4级,时效处理状态下检测板材的力学性能,性能满足下表2所示。

2工艺方案

该高塑性2.5mm×1000mm×2000mm的GH4099板材制备工艺如下:采用真空感应炉冶炼+真空自耗重熔冶炼;采用锻造4吨电液锤、700mm往返式轧机开坯,采用三辊热轧机、二辊热轧机、450mm可逆式冷轧机成材,采用辊底炉进行固溶处理,采用OLympus金相显微镜检测晶粒度,采用ZwickZ330电子万能材料试验机检测常温、高温拉伸强度及断后伸长。

3制备工艺研究

3.1化学成分控制

针对GH4099化学成分的讨论的文章很多,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属于时效强化型高温合金,以第二相γ＇[Ni3(Al,Ti)]析出为主要强化手段,为了降低其常温拉伸强度,减少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%。长钢制备出的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烧损较少,成分控制较好。

3.2热处理工艺研究

3.2.1冷却方式的确定

除了成分、晶粒度大小会影响强度外,还有热处理工艺,主要是固溶温度、以及固溶后的冷却方式会影响γ＇相析出的数量,进而影响GH4099合金的强度。较高的固溶温度,较快的冷却速率会降低γ＇相的析出,进而降低合金的强度。根据以往的实践经验,GH4099合金的固溶温度在1130℃时,晶粒度一般在5~7级,具有较好的塑性和强度,本次试验选择1130℃。冷却方式上有风冷、水冷和淋浴冷三种方式,首先采用水冷做了试验。

第一组试验固溶温度1130℃,保温10min,采用水管喷水冷却,冷却后,常温拉伸性能1021,1087MPa,断后伸长44.5%,45.5%,高温拉伸强度(900℃)为379,386MPa,断后伸长49.5%,70%。和协议相比,常温拉伸强度较高,不满足协议要求。此外,喷水管冷却不够均匀,由于取样的位置不同,导致常温拉伸结果出现较大的差异。此时晶粒度为7(60%),8(40%),组织照片如图1(a)所示,晶粒度偏细。

再次进行固溶处理,固溶过程中晶粒会部分长大,根据Hall-Petch公式τ=τ*+kd-1/2,其常温抗拉强度随着晶粒度的增加,晶粒尺寸的减小而显著增加。温度依然采用1130℃,保温10min,本次采用风冷。处理后,常温抗拉强度1004MPa,1036MPa,断后伸长21%,29%,强度依然较高,这可能是风冷冷却速率较慢,γ＇相析出较多导致强度依然较高。

最终采用1130℃,保温10min,淋浴冷。冷却后常温拉伸强度为869,893MPa,断后伸长56%,53%,晶粒度为5(50%),7(50%),晶粒组织如图1(b)所示。淋浴冷却较为均匀,常温拉伸强度差别不大,冷却速度较快,减少了冷却过程中γ＇相的析出,降低了拉伸强度,提高了板材的塑性。三次热处理后的常温强度强度如下表4和图2所示,呈下降趋势。

根据王秀芬等人的论文,GH4099合金成品晶粒度在固溶温度为1160℃~1200℃为急剧长大阶段,1120℃~1160℃之间为普遍长大阶段,经过三次1130℃热处理后,晶粒度为5(50%),7(50%)。长大较为缓慢,不过晶粒度的长大也和保温时间有关,该结果较好地满足了协议的要求。在三次热处理中,常温拉伸强度逐渐下降,具有较好的塑性。

该试验选取的温度晶粒度长大较为缓慢,晶粒度的长大对常温拉伸强度的影响较小,常温拉伸强度主要取决于冷却方式,淋浴冷却速度较快,且和喷水管冷却相比,更加均匀。为了确定实际生产中是否可以选取1130℃作为固溶温度,在此基础上,又进行了下面的试验。

3.2.2固溶温度的确定

因之前在1130℃下对同一GH4099板材依次进行了水冷、空冷、林浴冷,最终性能满足协议要求。为了确定这种低塑性高强度的GH4099板材在林浴冷却下的最佳固溶温度,对GH4099试样在1130℃下进行了固溶处理,固溶时间10min,冷却方式淋浴冷,热处理组织照片如图3所示。

图3中晶粒度大小为7.5(50%)+8.5(50%),常温拉伸强度965,960MPa,高温拉伸489,488MPa,断后伸长40.5%,38%。符合协议要求。说明在1130℃下进行固溶处理,保温时间10min,林浴冷却方式可以保证该板材具有较好的塑性。但结果同时表明在1130℃下进行固溶处理,晶粒度较细,常温拉伸强度(965,960MPa)接近协议强度上限(≤980MPa),因此,实际生产中可采取1130℃~1140℃进行固溶处理。

4结论

(1)采用真空感应炉+自耗重熔进行冶炼,Al控制在1.9%~2.0%,Ti元素控制在1.2%~1.3%时合金具有较好的塑性和强度。

(2)降低合金Al、Ti的含量,加快固溶后的冷却方式,可以减少γ＇相的析出,进而降低其拉伸强度。

(3)在1130℃~1135℃,进行固溶处理,晶粒长大较为缓慢。

(4)采用1130℃进行固溶处理,保温10min,淋浴冷却,常温拉伸强度965,960MPa,可以满足性能要求。