王慶增,石 磊,唐 超

(1.寶武特種冶金有限公司,上海200940;2.鋼鐵研究總院高溫材料研究所,北京100081)

GH4720Li合金是Ni-Cr-Co基沉淀硬化型變形高溫合金,使用溫度在750℃以下。GH4720Li合金具有較高的高溫強(qiáng)度、抗疲勞和抗蠕變性能,以及長期的組織穩(wěn)定性[1],該合金是變形高溫合金中綜合力學(xué)性能水平最高的實用化合金之一,適合制作航空發(fā)動機(jī)渦輪盤和渦輪葉片。

GH4720Li的合金化程度非常高,尤其是析出強(qiáng)化元素Al、Ti含量之和高達(dá)7.5%,γ′強(qiáng)化相的體積分?jǐn)?shù)超過40%。由于合金鑄錠熱塑性差,變形時極易產(chǎn)生裂紋,因而它也是最典型的難變形高溫合金。國際上通常采用真空感應(yīng)熔煉(VIM)+保護(hù)氣氛電渣重熔(PESR)+真空自耗重熔(VAR)三聯(lián)工藝冶煉生產(chǎn)該合金。

航空發(fā)動機(jī)用高溫合金通常選擇VIM+ESR或VIM+VAR工藝冶煉。采用VIM+PESR工藝冶煉時,選擇具有良好的脫S效果的渣系[2-3],可以提高合金的純凈度。若采用VIM+VAR工藝冶煉,則可以降低合金的氣體含量;避免渣皮對散熱的不利影響,加之He氣輔助冷卻,可形成較淺的熔池[4-5],冶金質(zhì)量也比較好,但是雙真空工藝的脫S效果不好。

由此可見,采用VIM+PESR+VAR三聯(lián)工藝冶煉GH4720Li合金,可綜合利用PESR和VAR重熔的優(yōu)點。寶武特冶公司采用VIM+PESR+VAR三聯(lián)工藝冶煉的GH4720Li合金鑄錠,低倍組織無宏觀偏析;采用均勻化擴(kuò)散退火的方法降低并控制合金的微觀偏析,以提高鑄錠的熱塑性,從而改善合金的熱加工性能。本文簡要介紹采用VIM+PESR+VAR三聯(lián)工藝冶煉GH4720Li合金的實物質(zhì)量和冶金效果,以及試驗鍛制φ150 mm棒材的組織與性能。

1 試驗材料及方法

GH4720Li合金的VIM冶煉在寶武特種冶金有限公司的6.0 t爐進(jìn)行,PESR在5.0 t氬氣保護(hù)電渣爐進(jìn)行,VAR重熔在具有熔滴控制、He氣輔助冷卻和計算機(jī)自動控制功能的8.0 t爐完成,錠型為φ508 mm。

在自耗錠頭部切取300 mm試驗料,分析研究鑄態(tài)組織特征,并試驗摸索均勻化處理工藝。

VIM+PESR+VAR三聯(lián)工藝GH4720Li合金錠在2 000 t快鍛機(jī)上進(jìn)行鍛造工藝試驗,鍛制成φ150 mm棒材;并在棒材本體上取樣進(jìn)行相關(guān)組織和力學(xué)性能的檢驗和測試。

棒材固溶處理工藝:(1 110±5) ℃保溫4 h,油冷。

棒材時效處理工藝:(650±5) ℃×24 h空冷,(760±5) ℃×16 h空冷。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 三聯(lián)工藝冶煉效果

表1為三聯(lián)冶煉工藝GH4720Li合金的主要化學(xué)成分。

表1 GH4720Li合金化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of GH4720Li alloy %

2.2 鑄態(tài)組織分析

在自耗錠頭部切取25 mm×508 mm×300 mm試驗料,加工制備縱低倍組織試片。VIM+PESR+VAR三聯(lián)冶煉的GH4720Li合金φ508 mm錠頭部縱低倍組織如圖1所示。由圖1可以看出,鑄錠頭部低倍組織致密、無宏觀偏析,為典型的柱狀晶組織。

鑄錠的微觀成分偏析和枝晶間共晶析出相對鑄錠鍛造開坯的熱塑性及棒材乃至鍛件的組織均勻性都有不利影響,應(yīng)采取適當(dāng)?shù)木鶆蚧瘮U(kuò)散退火工藝處理的方法予以改善和消除。在鑄錠低倍試片的1/2R處切取試樣,進(jìn)行高倍組織分析。圖2給出了GH4720Li合金鑄錠均勻化擴(kuò)散退火處理前后的典型高倍組織形貌。

2.3 鍛棒低倍組織

鑄錠經(jīng)均勻化處理后,在2 000 t快鍛機(jī)進(jìn)行鍛造開坯并鍛制成φ150 mm鍛棒。鍛棒低倍組織照片見圖3。棒材的橫向低倍組織比較均勻。

在棒材中心、1/2R和邊緣處分別切取縱向高倍試樣,觀察GH4720Li合金在固溶態(tài)和固溶+時效態(tài)的高倍組織特征。

2.4 高倍組織檢驗

GH4720Li合金經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)熱處理后的組織主要有γ基體、γ′相、MC、M23C6碳化物和M3B2硼化物等[1]。VIM+PESR+VAR三聯(lián)工藝冶煉的GH4720Li合金φ150 mm棒材中心、1/2R、近邊緣處固溶態(tài)的顯微組織如圖4所示。

VIM+PESR+VAR三聯(lián)工藝GH4720Li合金φ150 mm棒材中心、1/2R、近邊緣處固溶+時效態(tài)的顯微組織如圖5所示。金相觀察面為縱向。

綜合圖4和圖5可以看出,棒材顯微組織基本為完成再結(jié)晶的細(xì)晶晶粒組織。

2.5 拉伸性能

VIM+PESR+VAR三聯(lián)工藝GH4720Li合金棒材固溶+時效態(tài)的室溫拉伸性能和650 ℃拉伸性能如表2所示,抗拉強(qiáng)度σb、屈服強(qiáng)度σ0.2、延伸率δ5和斷面收縮率Ψ均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 GH4720Li合金鍛棒的拉伸性能Table 2 Tensile properties of GH4720Li forging bar

2.6 持久性能

VIM+PESR+VAR三聯(lián)工藝GH4720Li合金棒材固溶+時效態(tài)的680 ℃、830 MPa和730 ℃、530 MPa持久性能檢測數(shù)據(jù)見表3。檢測結(jié)果表明,持久斷裂時間和延伸率均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 GH4720Li合金鍛棒高溫持久性能Table 3 High temperature endurance properties of GH4720Li forging bar

3 結(jié)論

(1) 采用VIM+PESR+VAR三聯(lián)工藝冶煉GH4720Li合金錠,工藝穩(wěn)定,可有效降低S含量,有利于鑄錠熱塑性的提高。

(2) 試制棒材的橫向低倍組織比較均勻,高倍組織基本為完成再結(jié)晶的晶粒組織。

(3) VIM+PESR+VAR三聯(lián)工藝GH4720Li合金棒材力學(xué)性能滿足試制標(biāo)準(zhǔn)要求。