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        GH625鎳基高溫合金熱擠壓缺陷原因探討與分析

        2023-10-28 02:41:12王錦永鄭磊陳輝張?jiān)鲂?/span>龔自春衛(wèi)進(jìn)暉張艷軍溫繼軍冀順賓
        金屬加工(熱加工) 2023年10期
        關(guān)鍵詞:坯料管材晶粒

        王錦永,鄭磊,陳輝,張?jiān)鲂?,龔自春,衛(wèi)進(jìn)暉,張艷軍,溫繼軍,冀順賓

        邯鄲新興特種管材有限公司 河北邯鄲 056046

        1 序言

        GH625是鎳基變形高溫合金,國(guó)外牌號(hào)為 UNS N06625 和 Inconel 625,具有優(yōu)良的耐蝕性、抗氧化性,以及良好的力學(xué)性能,其管材主要應(yīng)用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)、核動(dòng)力設(shè)備和宇航發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域,用于制造航空航天、核能、石油化工等領(lǐng)域關(guān)鍵零件[1-3]。GH625高溫合金在熱加工過(guò)程中變形抗力大、熱加工變形溫度區(qū)間窄,當(dāng)擠壓溫度過(guò)高時(shí),容易產(chǎn)生晶粒粗大或表面裂紋缺陷;當(dāng)擠壓溫度過(guò)低時(shí),易出現(xiàn)因擠壓力過(guò)大而悶車現(xiàn)象,擠壓出的荒管容易在壁厚方向上出現(xiàn)分層缺陷[4,5]。通過(guò)查閱GH625管材大量生產(chǎn)記錄,發(fā)現(xiàn)大部分批次質(zhì)量正常,但也存在某些帶料加工批次出現(xiàn)裂紋和分層缺陷,如圖1所示。本文對(duì)GH625管材擠壓成形模具結(jié)構(gòu)、擠壓工藝參數(shù)和材質(zhì)顯微組織進(jìn)行分析,提出了改進(jìn)建議,且進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證,為提高難變形合金擠壓合格率提供了參考數(shù)據(jù)。

        圖1 GH625鎳基高溫合金擠壓荒管缺陷

        2 研究材料和工藝路線

        2.1 研究材料

        GH625高溫合金冶煉工藝采用真空感應(yīng)熔煉+電渣重熔。鍛造工藝是將電渣錠裝入加熱爐后逐步加熱到1170~1180℃。始鍛溫度≥1050℃,終鍛溫度≥900℃。當(dāng)鍛造溫度<900℃時(shí),坯料應(yīng)回爐保溫時(shí)間2h以上,鍛造比≥3,鍛造開(kāi)坯后進(jìn)行水冷處理,化學(xué)成分見(jiàn)表1。

        表1 GH625鎳基高溫合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

        2.2 生產(chǎn)工藝路線

        鍛坯機(jī)加工成空心圓管坯后,在63MN臥式擠壓機(jī)組上進(jìn)行熱擴(kuò)孔熱擠壓成形,然后管材入水冷卻。生產(chǎn)工藝路線流程:真空感應(yīng)熔煉→電渣重熔→坯料鍛造→機(jī)加工→電阻爐預(yù)熱→首次感應(yīng)加熱→首次潤(rùn)滑→熱擴(kuò)孔→再次感應(yīng)加熱→再次潤(rùn)滑→熱擠壓→擠后水冷→目視+超聲波檢測(cè)→組織、尺寸檢測(cè)。

        2.3 檢測(cè)方法

        顯微鏡型號(hào)是德國(guó)蔡司Axio ImagerA2m,掃描電鏡型號(hào)是德國(guó)蔡司EVO 18。微觀組織采用高錳酸鉀配制溶液腐蝕,夾雜物檢測(cè)按ASTM E45—2018《鋼中非金屬夾雜物的評(píng)定方法》規(guī)定執(zhí)行,晶粒度檢測(cè)按GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》規(guī)定執(zhí)行。管子表面質(zhì)量和內(nèi)在質(zhì)量按ASTM E213—2014《金屬管材超聲波檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)操作方法》和ISO 10124:1994《壓力用途的無(wú)縫鋼管層狀缺陷檢測(cè)用超聲檢驗(yàn)》進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。

        3 試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果

        3.1 GH625管材擠壓成形模具結(jié)構(gòu)

        熱擠壓變形使坯料處于三向壓縮應(yīng)力狀態(tài)而更有利于提高材料的塑性變形能力,并可抑制加工裂紋產(chǎn)生,適合于低塑性合金的開(kāi)坯和熱加工變形。

        圖2所示為管材熱擠壓成形的模具結(jié)構(gòu)。在模座內(nèi)放置擠壓模,在擠壓模前面是玻璃墊,起到潤(rùn)滑作用,在擠壓模后面是模支撐,起到支撐固定擠壓模的作用。擠壓墊在坯料和擠壓桿之間,起到傳遞擠壓力、保護(hù)擠壓桿的作用。當(dāng)高溫坯料內(nèi)外表面涂上玻璃粉潤(rùn)滑劑后,裝進(jìn)擠壓筒內(nèi),擠壓桿通過(guò)擠壓墊推動(dòng)坯料向擠出方向前進(jìn),同時(shí)芯棒穿入坯料內(nèi)孔。坯料前端接觸到緊貼擠壓模的玻璃墊后,擠壓桿繼續(xù)施壓,先使坯料發(fā)生鐓粗變形,消除坯料與擠壓筒內(nèi)壁的間隙以及坯料與芯棒之間的間隙,然后坯料前端金屬被擠進(jìn)擠壓模與芯棒組成的環(huán)形孔腔而變成管材,直至擠壓過(guò)程結(jié)束,最后擠壓筒內(nèi)留下長(zhǎng)度約25mm的坯料壓余。擠壓筒后撤,同時(shí)將坯料壓余、擠壓墊、擠壓桿一起后退,將坯料壓余從成品上用熱據(jù)切掉,成品從擠壓機(jī)出口方向輸送出去。

        圖2 管材熱擠壓成形模具結(jié)構(gòu)示意

        3.2 GH625合金管材熱擠壓成形工藝參數(shù)

        由于G H625合金元素含量多,且含有大量易偏析元素Mo、Nb,組織以?shī)W氏體γ為基體,還有Ti(C,N)、NbC、Laves相、δ、γ"等析出相,不僅塑性差,而且熱加工溫度范圍窄。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)易發(fā)生擠壓爆裂,溫度過(guò)低時(shí)則易發(fā)生擠壓悶車現(xiàn)象,這就給熱擠壓帶來(lái)一定的難度,因此需要考慮設(shè)備能力和加工過(guò)程中的溫升現(xiàn)象。

        加熱的最佳狀態(tài)是坯料溫度實(shí)現(xiàn)最佳塑性區(qū)間,內(nèi)在析出相溶解,晶粒不粗化。采用電阻爐預(yù)熱+感應(yīng)加熱的方法,一方面低溫段通過(guò)電阻爐加熱實(shí)現(xiàn)溫度均勻,提高熱傳導(dǎo)能力,降低溫度應(yīng)力,另一方面高溫段感應(yīng)加熱有利于快速提高溫度,補(bǔ)償坯料與模具接觸導(dǎo)致的溫降,避免高溫段時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的晶粒粗化,提高變形時(shí)金屬流動(dòng)的穩(wěn)定性。潤(rùn)滑介質(zhì)對(duì)擠壓管質(zhì)量也有重要作用,合適的潤(rùn)滑劑通過(guò)隔離模具和坯料,一方面降低了摩擦力,提高表面質(zhì)量,另一方面減緩了坯料與模具接觸位置的散熱,有利于實(shí)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程的高溫?cái)D壓。

        GH625合金管材規(guī)格為φ167mm×19mm,主要擠壓工藝參數(shù)為:坯料尺寸φ242mm/φ65mm,表面粗糙度≤1.6μm,頭部加工R30mm的圓角,將坯料在電阻爐內(nèi)預(yù)熱到950℃,保溫3~4h,隨后用感應(yīng)加熱爐升到1140~1180℃,擴(kuò)孔筒內(nèi)徑250mm,擴(kuò)孔頭直徑139.5mm,擴(kuò)孔比約1.32,擴(kuò)孔筒溫度>150℃,擴(kuò)孔速度150~200mm/s,二次感應(yīng)加熱爐加熱到1160~1200℃,擠壓筒內(nèi)徑255mm,擠壓模內(nèi)徑170mm,芯棒直徑129.5mm,擠壓筒預(yù)熱溫度>300℃,芯棒預(yù)熱溫度>250℃,擠壓速度150~250mm/s,擠壓比約4.5。在擠壓筒、擠壓模、芯棒和擠壓墊組成的環(huán)形空腔里擠出管子,擠壓管水中快冷,擴(kuò)孔和擠壓前均用玻璃粉潤(rùn)滑,冷態(tài)規(guī)格φ167mm×19mm。對(duì)擠壓管進(jìn)行目視、超聲波檢測(cè),個(gè)別管子存在裂紋和分層缺陷。從擠壓過(guò)程來(lái)看,感應(yīng)加熱控制不合理,導(dǎo)致坯料內(nèi)孔溫度高于外表面溫度,對(duì)于GH625合金擠壓是不利的,因?yàn)閿D壓過(guò)程的特點(diǎn)是內(nèi)層區(qū)域的金屬先流動(dòng),而溫度高則更加有利于內(nèi)層金屬的流動(dòng),從而增加壁厚方向金屬流動(dòng)的速度差,拉應(yīng)力增加容易出現(xiàn)分層。

        3.3 GH625擠壓管的非金屬夾雜物檢測(cè)

        由于夾雜物塑性差,因此如果其含量過(guò)多,則會(huì)割裂材料基體金屬的連續(xù)性,擠壓過(guò)程中與基體金屬變形不一致,還會(huì)降低塑性變形能力,容易產(chǎn)生開(kāi)裂。從存在擠壓缺陷的管子上取樣、制樣、修磨和拋光后,按照ASTM E45:2018進(jìn)行觀察檢測(cè),在顯微鏡下觀察整個(gè)試樣拋光表面(見(jiàn)圖3),按標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)出最嚴(yán)重的級(jí)別數(shù)。從圖3可看出,試樣表面干凈,沒(méi)有明顯嚴(yán)重的夾雜物,說(shuō)明材料的冶煉過(guò)程正常,純凈度控制的較好,純凈度控制不是導(dǎo)致開(kāi)裂的原因。

        圖3 GH625擠壓管的非金屬夾雜物

        3.4 GH625擠壓管缺陷處的組織檢測(cè)

        對(duì)GH625合金擠壓管表面開(kāi)裂和分層處分別取金相組織試樣,經(jīng)磨樣拋光腐蝕后,在金相顯微鏡下觀察缺陷形態(tài)和組織情況,如圖4、圖5所示。

        圖4 光學(xué)顯微鏡下GH625合金管材表面開(kāi)裂和分層區(qū)域的形貌

        圖5 掃描電鏡下GH625管材表面開(kāi)裂和分層區(qū)域的形貌

        由圖4、圖5可看出,裂紋和分層缺陷都比較嚴(yán)重,晶粒被從中間撕裂,缺陷區(qū)域晶粒再結(jié)晶充分,拉長(zhǎng)壓扁的晶粒演變?yōu)橐?guī)則的等軸晶,晶粒尺寸均勻細(xì)小,平均晶粒度5~6級(jí),未出現(xiàn)異常粗大的情況,排除坯料加熱溫度過(guò)高導(dǎo)致的缺陷。

        基體組織是奧氏體,缺陷區(qū)域存在明顯析出相(見(jiàn)圖6),在晶界和晶內(nèi)都有分布,推測(cè)是成分偏析形成局部聚集析出,導(dǎo)致微區(qū)塑性差,擠壓變形時(shí)與周圍金屬不一致,從而產(chǎn)生缺陷。

        圖6 掃描電鏡下GH625缺陷區(qū)域析出相的形貌

        脆性析出相經(jīng)過(guò)擠壓變形后,形成了帶狀分布,成為擠壓缺陷的起源點(diǎn)。為進(jìn)一步分析析出相成分組成,進(jìn)行能譜檢測(cè),GH625管材缺陷區(qū)域析出相的化學(xué)成分見(jiàn)表2。由圖6、表2可看出,析出相中含有較多的C、Nb、Ti、Mo,NbC呈現(xiàn)為不規(guī)則淺灰色的橢圓形狀,Ti(C,N)相則呈現(xiàn)規(guī)則的淡黃色的棱角形狀,缺陷形成與基體中存在的大量集中分布的帶狀析出Ti(C,N)、NbC、Laves相和δ相有關(guān)。成分偏析造成析出相在基體中集中分布,坯料鍛造過(guò)程中沿軸向分布,形成偏析帶,而該類析出相脆性大,相當(dāng)于基體金屬間存在了小空隙[6-8]。在擠壓過(guò)程中,接觸芯棒處內(nèi)層區(qū)域金屬流動(dòng)較快,接觸擠壓筒的外層區(qū)域金屬流動(dòng)較慢,壁厚方向因金屬流動(dòng)速度不一致而形成拉應(yīng)力,同時(shí)與擠壓模具接觸的表面溫度降低較快,導(dǎo)致局部金屬塑性降低。在析出相脆性大、接觸面散熱快和金屬流動(dòng)不同步的共同作用下,缺陷在析出相聚集區(qū)或者坯料與模具接觸區(qū)首先形核,隨著擠壓過(guò)程的進(jìn)行而擴(kuò)展成裂紋或分層。

        表2 GH625管材缺陷區(qū)域析出相的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

        3.5 提高GH625擠壓管質(zhì)量的工藝建議

        1)提高坯料冶煉和鍛造質(zhì)量,控制夾雜物,減少成分偏析,增加鍛造比,細(xì)化晶粒,提高金屬變形能力。

        2)優(yōu)化坯料加熱制度,結(jié)合擠壓工藝金屬流動(dòng)特點(diǎn),控制內(nèi)層金屬區(qū)域溫度稍低些,且內(nèi)外溫差為20℃,減少金屬流動(dòng)不一致。

        3)改進(jìn)擠壓模入口結(jié)構(gòu),由平模改為錐模,減小擠壓力,降低金屬流動(dòng)阻力,提高內(nèi)外表面金屬流動(dòng)的同步性。

        4)控制合適的擠壓變形比,降低擠壓速度,提高潤(rùn)滑質(zhì)量,提高金屬流動(dòng)的均勻性、穩(wěn)定性。

        經(jīng)過(guò)新的工藝建議摸索試驗(yàn),擠壓管材合格率明顯提高。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        1)GH625擠壓管缺陷產(chǎn)生的原因是:成分偏析導(dǎo)致鍛造坯料形成帶狀析出Ti(C,N)、NbC、Laves相和δ等脆性相,析出相的聚集存在降低了材質(zhì)的塑性變形能力;擠壓變形過(guò)程中坯料內(nèi)層區(qū)域流動(dòng)較快,外層區(qū)域流動(dòng)較慢,因流速差別大而形成拉應(yīng)力,在析出相聚集區(qū)域容易形成分層缺陷。坯料與擠壓模具接觸區(qū)溫度降低較快,導(dǎo)致局部塑性降低,疊加析出相的存在,因此在坯料與擠壓模具接觸區(qū)域形成裂紋源,隨著擠壓過(guò)程的進(jìn)行而擴(kuò)展成裂紋。

        2)提高GH625擠壓管質(zhì)量改進(jìn)措施:增加坯料鍛造變形量,細(xì)化晶粒,減少偏析,提高坯料塑性變形能力;優(yōu)化加熱制度,避免內(nèi)孔溫度過(guò)高,提高縱向溫度均勻性;改進(jìn)擠壓模結(jié)構(gòu),提高金屬流動(dòng)的一致性。采用改進(jìn)工藝措施試驗(yàn)摸索,管材擠壓合格率提高明顯。

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