GH3230 高溫合金環(huán)件的鍛造工藝與熱處理工藝研究

文／曹玉如，史占奎，操貽高·西安三角防務(wù)股份有限公司

通過熱加工工藝試驗，研究了GH3230 高溫合金熱變形鍛造工藝參數(shù)和熱處理工藝參數(shù)的匹配，并分析了顯微組織和力學(xué)性能的變化。結(jié)果表明，高溫改鍛可以改善棒材中的原始組織，使組織均勻細(xì)化；合適的固溶熱處理可使塊狀聚集的碳化物重新溶解，離散析出，均勻分布，尺寸細(xì)小化。在固溶溫度為1200℃溫度下，GH3230 合金可得到綜合力學(xué)性能良好的環(huán)件產(chǎn)品。

GH3230 高溫合金是一種合金化程度非常高的鎳基變形高溫合金，其元素W+Mo+Cr 的總含量可達(dá)到36%。該合金通過固溶合金元素強(qiáng)化基體，其W 元素和Mo 元素的加入不僅提高了該合金的抗蠕變性能，且增大了層錯能，從而使位錯滑移難以發(fā)生。該合金由于其組織熱穩(wěn)定性高，同時具有良好的高溫強(qiáng)度、抗氧化性能、抗蠕變性能、抗冷熱疲勞性能，其最高應(yīng)用溫度可達(dá)1050℃，因此被廣泛用于航空發(fā)動機(jī)燃燒室法蘭、地面燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室、化工行業(yè)中一些高溫耐腐蝕部件、航空發(fā)動機(jī)火焰筒等關(guān)鍵部位。在生產(chǎn)實踐中，往往由于鍛造工藝參數(shù)與熱處理工藝參數(shù)不匹配，導(dǎo)致GH3230 高溫合金在鍛造加工的過程中存在變形抗拒力大、加工成形困難、鍛件易開裂等問題。尤其GH3230 高溫合金環(huán)件的熱加工，成為當(dāng)今鍛造行業(yè)的難題。

為解決該問題，本文通過對GH3230 高溫?zé)嶙冃五懺旃に噮?shù)和熱處理工藝參數(shù)相匹配的研究，以獲得一種生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定、產(chǎn)品顯微組織、力學(xué)性能、表面質(zhì)量良好的環(huán)件軋制工藝。

試驗材料

原材料情況

⑴試驗材料選用。

通過真空感應(yīng)＋真空自耗重熔的φ200mm GH3230高溫合金棒料進(jìn)行工藝試驗，化學(xué)成分見表1。

表1 GH3230 高溫合金棒料化學(xué)成分(wt%)

⑵棒材本體低倍。

鍛態(tài)GH3230 高溫合金和固溶后GH3230 高溫合金的低倍組織如圖1 所示。

圖1 原材料低倍

由圖1(a)可以看出，鍛態(tài)GH3230 高溫合金酸浸低倍試片上無肉眼可見的縮孔、氣泡、空洞、翻皮、裂紋、白點、夾雜、點狀偏析等。由圖1(b)可以看出，固溶后的GH3230 高溫合金酸浸低倍試片邊緣存在一圈厚度不均勻的粗晶。

⑶棒材本體晶粒度。

晶粒度等級采用ASTM E112-2013 標(biāo)準(zhǔn)中的比較法獲得，圖2 所示為棒材固溶后本體3 個不同取樣區(qū)域(外圓、R/2、中心)的組織狀態(tài)。

圖2 原材料高倍

由圖2 可看出，空燒后，棒材邊緣的晶粒長大特別明顯，心部晶粒長大不明顯，初步分析可能是表面變形溫度低、變形量小，發(fā)生加工硬化所致。

⑷力學(xué)拉伸性能。

力學(xué)拉伸性能見表2。

表2 原材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)

試驗方法

工藝流程

環(huán)件尺寸為：φ975+5-m3m×φ860+-53mm×(130±2)mm。環(huán)件軋制的具體流程為：將加熱后的原材料進(jìn)行鍛造，鍛造加熱設(shè)備為天然氣爐，固溶處理加熱設(shè)備為電爐。鍛造變形過程為：原材料→改鍛→鐓餅→沖孔→打磨排傷→預(yù)軋→終軋→固溶→理化檢測→入庫。具體環(huán)件鍛造及熱處理工藝參數(shù)見表3。

表3 GH3230 環(huán)件鍛造及熱處理主要工藝參數(shù)

該鍛造工藝思路采用先改鍛、再成形，采取高溫加熱、低應(yīng)變速率變形的熱加工方法，以期在相對較低的變形抗力下，仍能滿足動態(tài)再結(jié)晶的條件，獲得均勻細(xì)小的等軸晶粒組織；熱處理工藝則采用高溫固溶將大塊聚集的碳化物溶解到基體中，隨后再析出均勻細(xì)小、離散分布的碳化物。

數(shù)值模擬分析

⑴模擬參數(shù)設(shè)置。

GH3230 環(huán)件模擬參數(shù)設(shè)置見表4。

表4 GH3230 環(huán)件模擬參數(shù)設(shè)置

⑵載荷預(yù)測。

載荷預(yù)測見圖3，環(huán)軋模擬完成后，預(yù)測徑向軋制力為289 噸，有效降低了高溫合金GH3230 環(huán)件的變形抗力。φ2500mm 擴(kuò)孔機(jī)的設(shè)備噸位為徑向400 噸，可軋制該種環(huán)件。

圖3 GH3230 環(huán)件軋制徑向軋制力模擬預(yù)測

⑶溫度場分布。

溫度場分布見圖4，環(huán)軋模擬完成后溫度場較均勻，溫度范圍為970 ～1000℃。

圖4 GH3230 環(huán)件軋制完成后溫度場分布

⑷應(yīng)變場分布。

應(yīng)變場分布見圖5。環(huán)軋模擬完成后應(yīng)變較均勻，等效應(yīng)變?yōu)?.6 ～1。

圖5 GH3230 環(huán)件軋制完成后應(yīng)變場分布

理化檢測結(jié)果及分析

⑴不同固溶溫度下的顯微組織。

將環(huán)件均分為兩部分，分別在1200℃、1230℃進(jìn)行固溶處理，保溫80min 后水冷。環(huán)件固溶處理后顯微組織如圖6 所示。

圖6 不同固溶溫度下的顯微組織

由圖6 可以看出，經(jīng)固溶之后，環(huán)件顯微組織中的塊狀碳化物明顯較棒材本體(圖2)減少。這主要是由于環(huán)件在成形前進(jìn)行了改鍛，將棒材原始的晶粒進(jìn)一步打碎，改鍛過程中發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，使得組織均勻化、細(xì)化；在隨后的固溶處理中碳化物重新溶解至基體中，且轉(zhuǎn)換為離散分布、均勻細(xì)小的碳化物，在形貌、大小、分布上均發(fā)生了變化，熱處理后采用水冷的方式較大程度地保留了固溶均勻化后的組織，且具有細(xì)化晶粒作用。

由圖6(a)、圖6(d)兩圖可以看出，1200℃固溶處理后的組織中晶粒比1230℃固溶處理后的晶粒更加細(xì)小、均勻，這說明溫度升高，晶粒發(fā)生了長大現(xiàn)象；由圖6(b)、圖6(e)兩圖可以看出，1230℃固溶處理后的組織中碳化物分布相對均勻，離散程度更大，而1200℃固溶處理后的組織中碳化物存在個別聚集現(xiàn)象。這與溫度越高，碳化物固溶程度越好具有一致性；由圖6(c)、圖6(f)兩圖可以看出，通過固溶熱處理，大量的碳化物溶解到合金基體中，可起到固溶強(qiáng)化的作用，同時看到析出的碳化物呈細(xì)小顆粒狀、鏈狀分布，起到釘扎作用，可有效阻止晶粒的長大。

⑵不同固溶溫度下的力學(xué)性能。

對環(huán)件分別在1200℃、1230℃進(jìn)行固溶處理，保溫80min后水冷。固溶處理后力學(xué)性能數(shù)據(jù)見表5。

表5 GH3230 在不同固溶溫度下的性能數(shù)據(jù)

由性能數(shù)據(jù)可以看出，采用1200℃固溶處理后的室溫拉伸強(qiáng)度數(shù)據(jù)結(jié)果雖然低于1230℃的數(shù)據(jù)，但其數(shù)據(jù)波動較小，相對穩(wěn)定；同時，采用1200℃固溶處理后的高溫拉伸、高溫持久數(shù)據(jù)結(jié)果均波動較小，相對較穩(wěn)定；故若采用本文所述的鍛造工藝參數(shù)進(jìn)行環(huán)件軋制后，推薦選用1200℃進(jìn)行固溶處理，可改善鎳基高溫合金GH3230 的顯微組織，提高其綜合力學(xué)性能。

這也進(jìn)一步說明，采用與鍛造工藝匹配的合適的熱處理工藝參數(shù)，對GH3230 高溫合金環(huán)件的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性有重要的作用。

結(jié)論

⑴高溫合金GH3230 環(huán)件采用較高的鍛造變形溫度，同時匹配相對較低的應(yīng)變速率，在降低鍛造變形抗力，滿足設(shè)備噸位限制的情況下，仍能符合動態(tài)再結(jié)晶的條件，可獲得均勻細(xì)小的熱加工等軸組織。

⑵高溫合金GH3230 通過鍛造得到均勻細(xì)小的等軸組織，為熱處理提供了組織準(zhǔn)備，采用合適的熱處理工藝參數(shù)，即在1200℃下進(jìn)行固溶處理，可改善GH3230 合金中碳化物的形貌、大小、分布等，獲得組織均勻、綜合性能優(yōu)良的環(huán)件產(chǎn)品。