一种控制内部η相析出的GH4169D合金棒材锻造工艺制造技术

本发明专利技术属于航空发动机用优质变形高温合金材料制备领域，提出了一种控制内部η相析出的GH4169D合金棒材锻造工艺。本发明专利技术采用三阶段均匀化热处理工艺加热铸锭，最高加热温度及保温时间为1190℃

【技术实现步骤摘要】
一种控制内部
η
相析出的GH4169D合金棒材锻造工艺


[0001]本专利技术属于航空发动机用优质变形高温合金材料制备领域，提出了一种控制内部η相析出的GH4169D合金棒材锻造工艺。

技术介绍

[0002]GH4169D合金是一种能够应用到700℃的新型镍基变形高温材料，目前已经在国内外航空发动机中大量应用，制备的零件包括盘件、环形件、锻造叶片、紧固件、钣金件等。与GH4169合金相比，GH4169D合金在GH4169合金成分基础上，将Fe元素含量由18％降低到10％，并且添加了1％左右的W元素和9％的Co元素，调整Al、Ti元素含量，要求Al/Ti的重量比不小于1.77。经过成分调整后，GH4169D合金析出相和强化机理与GH4169明显不同，合金强化相由γ＇＇转变为γ＇相，并且析出的δ相变为η相(成分为Ni3Al
0.5
Nb
0.5
)，合金组织稳定性显著增强，把GH4169D合金的使用温度由650℃提高到700℃。研究表明，与其他γ＇相强化的合金如GH4738相比，GH4169D合金中的γ＇相析出速率明显减慢，热加工性能和焊接性能得到进一步改善。因此，可以说，GH4169D合金兼具了GH4169合金优异力学性能、热加工和焊接性能，以及GH4738合金使用温度高的优点，并且弥补了两种合金的不足，成为一种在航空发动机中非常有应用前景的高温材料。
[0003]与其他高温合金相同，GH4169D合金也是以面心立方的γ相组成的奥氏体为基体，同时通过热处理析出强化相提高高温性能。GH4169D合金由面心立方结构的强化相γ＇、Ni3Ti结构的η相，以及少量的碳化物组成。大量γ＇相弥散分布在晶界和晶内，而形貌为板条状或棒状的η相主要分布在晶界。通过热处理，η相在合金中占有的质量百分比为1.5～7.0％wt，其质量分数会随着热处理制度和化学成分的变化稍有不同。虽然η相含量较少，但是η相的数量和形貌对GH4169D合金改善缺口敏感性、提高晶界结合强度、钉扎晶界、阻碍晶界裂纹扩展，以及平衡力学性能的具有重要作用，η相在晶界析出量过少，改善缺口敏感性的作用不明显，η相在晶界析出过多，会降低材料力学性能，可以说，通过控制热加工工艺和温度方法，在合金中产生适量的η相是GH4169D合金获得理想力学性能的关键。研究表明,随着η
‑
Ni3Al
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Nb
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相含量降低以及γ＇相增加，GH4169D合金的拉伸强度和持久寿命均稍有上升，但是当η
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Ni3Al
0.5
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0.5
相析出低于1.1％wt左右，会导致合金会表现出明显的缺口敏感性，这对大部分航空构件而言是不允许的。因为缺少晶界η析出相的光滑平直晶界，在外界应力作用下，平行于外应力的晶界容易产生相对滑动，垂直于外力的晶界容易产生开裂。此外，η相在晶界大量析出时会导致合金基体γ
′
相数量显著减少，合金强度降低。因此，如果计划得到GH4169D合金理想的综合力学性能，必须将η
‑
Ni3Al
0.5
Nb
0.5
相的析出数量和形貌控制在一个合理的范围内，从而获得合金力学性能包括拉伸、持久、蠕变、疲劳等的合理平衡。但是，η相在GH4169D合金中的析出控制技术难度大，主要原因在于η相生成的温度窗口较窄，并且温度对η相的析出数量影响大。本专利技术主要针对目前GH4169D合金棒材中η相数量和形貌控制技术难度大的问题，通过精细设计温度、变形量等锻造工艺参数，使制备的GH4169D合金棒材内部析出数量和形貌合适的η相，保证了合金制备的制件在航空发动机中
安全可靠应用。
[0004]研究表明，GH4169D合金中的γ
′
相和η
‑
Ni3Al
0.5
Nb
0.5
相中均含有一定量的金属Nb，Nb元素在镍基合金基体中具有较低的扩散系数，时效热处理前的GH4169D合金组织主要由碳化物、一次γ
′
相和η相组成。η相周围明显贫一次γ
′
相，这有利于协调合金中η相附近的塑性变形；时效热处理后，大量尺寸更小的二次γ
′
相析出。其中，一次γ
′
相的尺寸在60nm以上，二次γ
′
相的尺寸主要在10～36nm。随着热处理制度的变化，η相和γ
′
相数量会发生相互演变，进而影响到GH4169D合金的力学性能不断变化。专利技术专利一种新型镍铁基高温合金GH4169D的冶炼工艺(专利号CN104561664A)公开了GH4169D的一种冶炼工艺，目的是冶炼出原材料成本较低、热加工性能较好、在高温下具有高稳定性的新型高温合金GH4169D真空自耗锭，具体包括VIM+PESR+VAR三联冶炼，选取合适的渣料、工艺参数，控制保护气氛电渣冶炼过程中Al、Ti的烧损，得到精确的Al、Ti含量等，但是没有提出棒材的锻造方法，与本专利技术的棒材制备创新点没有重合内容。
[0005]本专利技术精细设计了GH4169D合金铸锭的均匀化热处理工艺、精确控制锻造加热温度和锻造变形量，具有工艺流程短、成本较低等优点。目前，国内检索到的关于变形高温合金棒材化学成分偏析测试的文献资料较少，将评价结果通过相对标准偏差的数学工具进行评判分析的更少。因此，本专利技术具有较强的创新性和实用性。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：针对GH4169D合金锻制棒材析出相控制技术难度大、组织混晶及合金存在缺口敏感的问题，本专利技术提出了一种通过设计均匀化工艺、锻造温度、优化锻造变形量，精细控制η相析出的制备GH4169D合金棒材的方法，显著提高航空发动机用GH4169D合金棒材的力学性能。
[0007]专利技术方案：一种控制内部η相析出的GH4169D合金棒材锻造工艺，包括以下步骤：
[0008]步骤1成分比检测；在要求在满足合金成分要求范围的前提下，合金中时效强化元素Al、Ti的重量百分比Al/Ti≥1.8；
[0009]步骤2铸锭均匀化处理；表面机加工后的GH4169D合金铸锭放入热处理炉；采用低—中—高三阶段温度均匀化工艺热处理铸锭；
[0010]步骤3铸锭机加工；把均匀化处理后的GH4169D合金铸锭表面进行机加工，粗糙度不大于25μm；
[0011]步骤4铸锭加热；把机加工后的铸锭放入热处理炉加热，加热最高温度为1100
±
20℃，铸锭心部到温后保温不少于4h；
[0012]步骤5一次镦粗；把加热完成的GH4169D合金铸锭取出，采用快锻机把铸锭镦粗，镦粗完成后，修补破损的保温棉，继续入炉加热，铸锭加热温度和保温时间为：1100
±
20℃，保温不少于2h；
[0013]步骤6一次拔长；加热完成后的GH4169D合金铸锭进行拔长，拔长到镦粗前的原长度；铸锭入炉加热升温。加热温度和保温本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种控制内部η相析出的GH4169D合金棒材锻造工艺，其特征在于，包括以下步骤：步骤1成分比检测；在满足合金成分要求范围的前提下，合金中时效强化元素Al、Ti的重量百分比Al/Ti≥1.8；步骤2铸锭均匀化处理；表面机加工后的GH4169D合金铸锭放入热处理炉；采用低—中—高三阶段温度均匀化工艺热处理铸锭；步骤3铸锭机加工；把均匀化处理后的GH4169D合金铸锭表面进行机加工，粗糙度不大于25μm；步骤4铸锭加热；把机加工后的铸锭放入热处理炉加热，加热最高温度为1100
±
20℃，铸锭心部到温后保温不少于4h；步骤5一次镦粗；把加热完成的GH4169D合金铸锭取出，采用快锻机把铸锭镦粗，镦粗完成后，修补破损的保温棉，继续入炉加热，铸锭加热温度和保温时间为：1100
±
20℃，保温不少于2h；步骤6一次拔长；加热完成后的GH4169D合金铸锭进行拔长，拔长到镦粗前的原长度；铸锭入炉加热升温；加热温度和保温时间为：1090
±
10℃，保温不少于2h；步骤7二次镦粗；加热完成的GH4169D合金铸锭采用快锻机镦粗，镦粗完成后，修补破损的保温棉，继续入炉加热；铸锭加热温度和保温时间为：1030
±
20℃，保温不少于2h；步骤8拔长；把加热完成后的GH4169D合金通过打方
‑
滚圆直接拔长到规定的棒材尺寸；采用逐次降温锻造工艺，析出相η相均匀弥散分布在晶界。2.如权利要求1所述的控制内部η相析出的GH4169D合金棒材锻造工艺，其特征在于，所述步骤1中GH4169D合金铸锭采用真空感应熔炼+真空电弧重熔、真空感应熔炼+保护气氛电渣重熔双联工艺，或者真空感应熔...

【专利技术属性】
技术研发人员：张勇，陈爽，韦康，王涛，
申请(专利权)人：中国航发北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：