一种自由锻成形镍基高温合金晶粒细化方法与流程

1.本发明涉及一种热处理技术，特别是涉及一种自由锻成形镍基高温合金晶粒细化方法。


背景技术：

2.gh4080a是一种以ni-cr为基体的高温合金，通过添加一定量的al、ti，并进行时效处理，形成强化相获得强化，同时由于加入了微量b元素使晶界也得到了极大的强化。它在600～850℃范围内具有良好的抗蠕变性能和抗氧化性能，它在760℃以上长期工作时，具有最优良的承载能力，同时具有抗高温疲劳和介质腐蚀能力。被广泛地应用在航空航天及汽轮机发电装备等领域，用来制造叶片、螺栓、密封环和阀杆等多种高温关键部件。
3.通常，镍基合金零部件长期处于高温及交变载荷工况下，为了确保其在苛刻服役工况中的可靠性、耐久性和安全性，必须保证镍基合金的最终晶粒细小且均匀。这是因为晶粒粗大、混晶严重的镍基合金锻件不仅内部残余应力大、热加工性差，而且长时持久、抗疲劳、抗腐蚀和抗冲击性能也无法达标。热锻造变形工艺是获得均匀且细小晶粒组织的镍基合金锻件的重要途径。但是，在锻造成形过程中，由于摩擦、坯料形状等因素的影响，不可避免地存在较严重的变形不均匀现象，导致大变形区域发生了完全动态再结晶，而小变形区域发生不完全动态再结晶，因而最终得到的锻件组织存在严重的粗晶和混晶，这严重降低了锻件的力学性能和使用性能。


技术实现要素：

4.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种自由锻成形镍基高温合金晶粒细化方法，用于解决现有技术中镍基高温合金锻件粗晶/混晶组织存在的问题。
5.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种自由锻成形镍基高温合金晶粒细化方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.步骤1：对镍基高温合金锻坯进行锻造变形成锻件，所述锻造变形的过程中：温度需在950℃～1150℃，变形量20％～34％，锻造比≥4；
7.步骤2：将锻件直接热送装炉，进行短时高温退火热处理，退火热处理的工艺为：退火温度1100℃～1150℃，保温时间10～40分钟；退火完成后进行炉冷，炉冷速度≤50℃/h；
8.步骤3：对所述锻件进行标准性能热处理，包括：固溶处理、稳定化处理和时效处理。
9.优选地：步骤1中最后一次锻造加热温度1080～1120℃，变形量控制在20％～25％。
10.优选地：所述步骤2中短时高温退火热处理如下：随炉升温至1100℃～1150℃，保温时间t＝((0.2～0.4)min/mm
×
h+20)min，
11.其中h为锻件有效厚度，单位mm；t的单位为min；保温结束后炉冷至≤600℃，炉冷速度≤50℃/h，然后出炉空冷至室温。
12.优选地：所述固溶处理的温度在1050℃～1080℃内，且需保温8h，后进行空冷。
13.优选地：所述稳定化处理温度在850
±
10℃，且需保温24h，后进行空冷。
14.优选地：所述时效处理温度在700
±
10℃内，且需保温16h，后进行空冷。
15.如上所述，本发明的一种自由锻成形镍基高温合金晶粒细化方法，具有以下有益效果：
16.本发明通过利用了静/亚动态再结晶对锻造过程形成的粗晶/混晶组织的再次细化作用，使得在小变形、中高应变速率下变形后的得到的锻件混晶组织重新变得均匀，从而达到提升镍基合金锻件组织均匀性的目的。另外，退火过程中会使得最终小变形区域组织也将再结晶完全，整个组织变为均匀再结晶组织，达到了避免镍基高温合金锻件粗晶/混晶组织存在，细化晶粒的作用。
附图说明
17.图1显示为本发明一种自由锻成形镍基高温合金晶粒细化方法的时间-温度的坐标图；
18.图2显示为本发明一种自由锻成形镍基高温合金晶粒细化方法的的锻件原始晶粒度状态。(宏观粗晶，20％6级)；
19.图3显示为本发明一种自由锻成形镍基高温合金晶粒细化方法的短时高温退火热处理后工艺锻件晶粒组织；(4级)。
具体实施方式
20.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
21.请参阅图1至图3。须知，本说明书所附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
22.如图1所示，本发明提供一种自由锻成形镍基高温合金晶粒细化方法，包括以下步骤：
23.步骤1：对镍基高温合金锻坯进行锻造变形成锻件，所述锻造变形的过程中：温度需在950℃～1150℃，变形量20％～34％，锻造比≥4；
24.步骤2：将锻件直接热送装炉，进行短时高温退火热处理，退火热处理的工艺为：退火温度1100℃～1150℃，保温时间10～40分钟；退火完成后进行炉冷，炉冷速度≤50℃/h；
25.步骤3：对所述锻件进行标准性能热处理，包括：固溶处理、稳定化处理和时效处理。
26.本发明通过利用了静/亚动态再结晶对锻造过程形成的粗晶/混晶组织的再次细化作用，使得在小变形、中高应变速率下变形后的得到的锻件混晶组织重新变得均匀，从而
达到提升镍基合金锻件组织均匀性的目的。另外，退火过程中会使得最终小变形区域组织也将再结晶完全，整个组织变为均匀再结晶组织，达到了避免镍基高温合金锻件粗晶/混晶组织存在，细化晶粒的作用。
27.由于大变形区域发生完全动态再结晶，变形能几乎耗尽，晶界驱动力相对较低，在退火过程中晶粒只是发生些许长大；而小变形区域发生不完全再结晶，组织内含有残余的变形能和位错能；现通过在退火过程中将通过晶界弓出形核以及吞并亚晶的方式发生静/亚动态再结晶。随着退火时间的增加，最终小变形区域组织也将再结晶完全，整个组织变为均匀再结晶组织。
28.为了提升镍基合金锻件的组织均匀性。本方法仅仅是在锻件变形结束后添加一道退火热处理工序，利用退火过程中的再结晶来提升锻件的组织均匀性；性能热处理完成后锻件进行金相检测，结果如图3所示，晶粒度为4级，满足技术标准中晶粒度考核要求。对比图2和图3可知，实施例通过对变形后的镍基合金锻件再进行一个短时高温退火热处理，使得变形组织再次发生了再结晶，原本的粗大变形晶粒逐渐被再结晶晶粒吞噬替代，最终消除了图2中由于变形不均匀产生的项链状混晶，使得原来的混晶组织变成均匀度高的再结晶组织。相比其他通过将合金坯料在高温下多次锻造来达到提升锻件组织均匀性的方法，具有操作简便，效率高，成本低，易于实施且可极大的降低对锻造工艺的要求等优势。
29.为了进一步使得晶粒度更细，在步骤2中退火完成后采用炉冷；锻件炉冷的晶粒度比直接空冷晶粒度更细。
30.本实施例中，使用的锻件为gh4080a，该锻件的化学成份如表1所示，其固溶时效处理后晶粒组织；如图2所示，经晶粒度判定为宏观粗晶，其中20％6级，需要经过锻造变形细化晶粒。
31.表1锻件化学成份
32.csimnpsnicr0.0510.0570.0080.0020.001余量19.40tialcofecubti+al2.491.670.0210.780.0050.00444.16
33.步骤1中最后一次锻造加热温度1080～1120℃，变形量控制在20％～25％。
34.步骤3中标准性能热处理如下：固溶处理的温度在1050℃～1080℃内，且需保温8h，后进行空冷；所述稳定化处理温度在850
±
10℃，且需保温24h，后进行空冷；所述时效处理温度在700
±
10℃内，且需保温16h，后进行空冷。
35.完成上述工作后得到最终成品，该成品在室温和高温下性能表现优良，具体如下表2：
36.表2室温力学性能
[0037][0038]
高温持久性能及晶粒度等级见表3：
[0039]
表3高温持久性能和晶粒度
[0040][0041]
综上所述，本发明能够在小变形、中高应变速率下变形后的得到的锻件混晶组织重新变得均匀，从而达到提升镍基合金锻件组织均匀性的目的，并且通过退火过程中将通过晶界弓出形核以及吞并亚晶的方式发生静/亚动态再结晶。
[0042]
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0043]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

技术特征：
1.一种自由锻成形镍基高温合金晶粒细化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：对镍基高温合金锻坯进行锻造变形成锻件，所述锻造变形的过程中：温度需在950℃～1150℃，变形量20％～34％，锻造比≥4；步骤2：将锻件直接热送装炉，进行短时高温退火热处理，退火热处理的工艺为：退火温度1100℃～1150℃，保温时间10～40分钟；退火完成后进行炉冷，炉冷速度≤50℃/h；步骤3：对所述锻件进行标准性能热处理，包括：固溶处理、稳定化处理和时效处理。2.根据权利要求1所述的一种自由锻成形镍基高温合金晶粒细化方法，其特征在于：步骤1中最后一次锻造加热温度1080～1120℃，变形量控制在20％～25％。3.根据权利要求1所述的一种自由锻成形镍基高温合金晶粒细化方法，其特征在于：所述步骤2中短时高温退火热处理如下：随炉升温至1100℃～1150℃，保温时间t＝((0.2～0.4)min/mm
×
h+20)min，其中h为锻件有效厚度，单位mm；t的单位为min；保温结束后炉冷至≤600℃，炉冷速度≤50℃/h，然后出炉空冷至室温。4.根据权利要求1所述的一种自由锻成形镍基高温合金晶粒细化方法，其特征在于：所述固溶处理的温度在1050℃～1080℃内，且需保温8h，后进行空冷。5.根据权利要求1所述的一种自由锻成形镍基高温合金晶粒细化方法，其特征在于：所述稳定化处理温度在850
±
10℃，且需保温24h，后进行空冷。6.根据权利要求1所述的一种自由锻成形镍基高温合金晶粒细化方法，其特征在于：所述时效处理温度在700
±
10℃内，且需保温16h，后进行空冷。

技术总结
本发明提供一种自由锻成形镍基高温合金晶粒细化方法，包括如下步骤：步骤1：对镍基高温合金锻坯进行锻造变形成锻件，所述锻造变形的过程中：温度需在950℃～1150℃，变形量20％～34％，锻造比≥4；步骤2：将锻件直接热送装炉，进行短时高温退火热处理，退火热处理的工艺为：退火温度1100℃～1150℃，保温时间10～40分钟；退火完成后进行炉冷；步骤3：对所述锻件进行标准性能热处理，包括：固溶处理、稳定化处理和时效处理。本发明通过利用了静/亚动态再结晶对锻造过程形成的粗晶/混晶组织的再次细化作用，使得在小变形、中高应变速率下变形后的得到的锻件混晶组织重新变得均匀，从而达到提升镍基合金锻件组织均匀性的目的。到提升镍基合金锻件组织均匀性的目的。到提升镍基合金锻件组织均匀性的目的。


技术研发人员：刘松锋 方旭 周欢欢 宋晶晶
受保护的技术使用者：上海电气电站设备有限公司
技术研发日：2021.12.30
技术公布日：2023/7/13