稀有金属 2003,(04),452-454 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2003.04.008
FGH95合金等温锻造工艺研究
李惠曲 李辉忠 计晟 崔健
北京航空材料研究院,北京航空材料研究院,北京航空材料研究院,北京航空材料研究院,北京航空材料研究院 北京100095 ,北京100095 ,北京100095 ,北京100095 ,北京100095
摘 要:
对FGH95合金细晶制备和超塑性等温变形工艺进行了研究。结果表明 , 双冷速缓冷处理可以有效细化FGH95合金晶粒 , 改变γ′相的尺寸和分布 , 并且通过粗化的γ′相对再结晶晶粒的钉扎作用 , 使FGH95合金细晶组织保持很高的热稳定性 ;具有细晶组织的GH95合金进行高、低应变速率组合的等温压缩变形时 , 在低应变速率条件下 , 可实现超塑性变形。双冷速缓冷处理 +超塑性等温锻造工艺具有较强的适应性 , 可推广至大尺寸粉末高温合金盘件的等温成形 , 采用该技术研制的等温锻造FGH95合金盘件具有良好的综合力学性能。
关键词:
FGH95合金 ;超塑性 ;等温锻造 ;
中图分类号: TG316
收稿日期: 2002-07-11
Study on Isothermal Forging Technology of FGH95 Alloy
Abstract:
The grain refining processes and isothermal forging deformation of FGH95 alloy were investigated. The experimental results show that two rate slow cooling treatment can refine FGH95 alloy grains and control the distribution and size of γ ′ precipitates. Most γ ′ precipitates pin at fine grain boundaries which prevent grain growth. When the FGH95 alloy with fine and stable grains is isothermal compressed at high slow strain rate testing, superplastic behavior occurres during slow rate isothermal deformation.The two-rate slow cooling treatment+superplastic isothermal forging technology scheme can be used for developing P/M superalloy turbine disk, and the isothermal forged FGH95 alloy disks have satisfactory properties.
Keyword:
FGH95 alloy; grain refining; superplastic; isothermally forging;
Received: 2002-07-11
随着现代航空发动机推重比的提高, 航空发动机涡轮盘大量使用高合金化的高温合金制造, 由于合金强化元素不断增多, 严重的偏析, 使其热加工性能恶化
[1 ]
。 由于材料塑性降低, 变形抗力提高, 变形温度高且范围很窄, 常规锻造工艺方法对其开坯和成形困难, 造成锻件外观完整性差, 只能锻成粗锻件; 另外, 常规锻造工艺的冷模效应和变形热效应易造成锻件组织性能不均匀, 严重降低了盘件的综合力学性能和可靠性。 国外复杂合金化的难变形高温合金和粉末高温合金多采取大型黑色金属挤压机进行挤压开坯, 以获得细晶组织的盘坯, 随后超塑性等温锻造成涡轮盘锻件
[2 ,3 ]
。
FGH95合金是一种高合金化的γ′相沉淀强化型镍基高温合金, 其γ ′体积含量为50%~55%, 相当于美国的Rene′95合金, 主要用来制造高推重比、 高效率发动机涡轮盘件
[1 ]
。 为了克服设备条件给制造工艺带来的局限性, 国内科技工作者投入相当精力研究FGH95合金细晶盘坯制备及超塑性等温锻造工艺
[4 ,5 ,6 ]
。 本文对FGH95合金锻前预处理工艺和超塑性等温变形工艺进行了研究, 探索了细化晶粒、 降低合金流变应力的可行性, 确定了FGH95合金超塑性等温锻造工艺方案。
1 实验方法
实验所用材料采用PREP工艺生产的粒度为-150目FGH95合金粉末, 经脱气, 装套, 1050 ℃/4 h/AC预热处理后, 再经1120 ℃/118 MPa/3 h热等静压锭坯。 等温压缩试验在Thermechmastor Z型万能模拟试验机上进行, 采用感应加热方式加热试样。 为改善变形温度的均匀性, 在试样两端面加高温合金垫片。 FGH95合金盘件等温锻造模具材料采用铸造高温合金, 模具加热方式为电阻丝加热。
2 实验结果分析
2.1 锻前预处理工艺
FGH95合金经热等静压后已完全致密化, 但仍有一些保留了枝晶组织的大颗粒轮廓, 截面仍为球形, 合金热等静压后晶粒尺寸约为20~30 μm。 图1为FGH95合金热等静压态显微组织。 为细化FGH95合金晶粒, 对其进行双冷速缓冷处理, 实验结果表明, 缓冷处理对合金显微组织有很大影响, 主要表现在两个方面, 一是γ ′相的形态和分布, 二是γ 基体的再结晶行为, 图2为FGH95合金经双冷速处理后的显微组织。
缓冷处理后FGH95合金中γ ′相显著粗化, 不再呈枝晶状分布。 γ ′主要有两种尺寸, 分布在原粉末颗粒轮廓的独立的大γ ′相, 尺寸约在4~5 μm; 原粉末颗粒内部形成尺寸较小的γ ′相, 尺寸约在1~2 μm。 随着γ ′相的粗化, γ ′相间距变大, 在基体内出现大量γ ′相贫化带。 经双冷速缓冷处理后FGH95合金γ 基体发生了明显的再结晶, 形成均匀、 细小的等轴晶结构, 再结晶晶粒尺寸约在5~6 μm, 粗化的γ ′相钉扎在再结晶晶粒周围。
图1 FGH95合金热等静压态显微组织
Fig.1 Microstructure of as-HIP FGH95 alloy
图2 FGH95合金缓冷处理后显微组织 (SEM)
Fig.2 Microstructure of FGH95 alloy after slow cooling treatment
2.2 超塑性等温压缩试验
Immarigeon J P
[7 ]
等在研究IN713LC粉末高温合金的高温变形特点时, 发现合金经历高低应变速率组合变形时, 低应变速率对应的流变应力较单独使用同值低应变速率的流变应力大为降低。 本文对经双冷速缓冷处理的具有细晶组织的FGH95合金进行高低应变速率组合的等温压缩变形, 发现在低应变速率条件下, 不但FGH95合金的流变应力大幅度降低, 合金还呈现出明显的超塑性变形特征。 利用Backofen等提出的速度突变法, 计算FGH95合金在变形温度为1050 ℃, 应变速率为0.05~0.001 s-1 的变形范围, 应变速率敏感性指数m 在0.32~0.45。 图3为FGH95合金热等静压态及双冷速缓冷处理FGH95合金典型应力应变曲线。
FGH95合金经高低应变速率组合等温压缩变形后, 其显微组织仍为等轴细晶组织, 如图4所示。 由于双冷速缓冷处理使大量γ ′相析出并在晶界钉扎, FGH95合金在1050 ℃变形时, γ ′相的钉扎作用抑制了晶粒长大, 使FGH95合金细晶组织具有很强的热稳定性, 合金等温变形后, 平均晶粒尺寸仍小于10 μm。 FGH95合金缓冷处理后细晶组织具有良好的高温稳定性, 是合金能够实现超塑性变形的重要原因之一。
图3 缓冷处理FGH95合金等温变形应力应变曲线
Fig.3 True strain-stress curve of slow cooling treatment FGH95 alloy during two-strain rate isothermal compression
图4 等温锻造FGH95合金显微组织
Fig.4 Deformation microstructure of FGH95 alloy
2.3 盘件超塑性等温锻造
为验证双冷速缓冷处理+高低应变速率组合的超塑性等温锻造工艺制造FGH95合金盘件的合理性, 对盘件等温模锻成形工艺进行了研究。 采用以上工艺成功试制出外观质量良好的FGH95合金Φ220 mm盘件等温锻造模锻件; 为进一步验证该工艺推广应用至大尺寸盘件等温成形技术的适应性, 在改装的3150T可控应变速率压机试制出了Φ400 mm和Φ610 mm的FGH95合金等温锻造盘饼, 在Φ610 mm FGH95合金盘饼超塑性等温锻造过程中, 所需压机吨位不超过1000 T。 图5为FGH95合金Φ220 mm模拟盘及Φ400 mm等温锻造盘饼实物照片。 等温锻造盘件经1140 ℃固溶后采用650 ℃盐浴淬火, 然后870 ℃/1 h/AC+650 ℃/24 h/AC两级时效, 然后对其力学性能进行测试, 等温锻造FGH95合金盘件具有良好的综合力学性能。 表1为等温锻造FGH95合金盘件的力学性能。
3 结 论
1.双冷速缓冷处理可以有效细化FGH95合金晶粒, 改变γ′相的尺寸和分布, 并且通过粗化的γ ′相对再结晶晶粒的钉扎作用, 使FGH95合金细晶组织在后续变形过程保持很高的热稳定性。
2.具有细晶组织的FGH95合金进行高、 低应变速率组合的等温压缩变形时, 在低应变速率条件下, 可实现超塑性变形。
3.采用双冷速缓冷处理+超塑性等温锻造工艺研制FGH95合金盘件的工艺是可行的, 等温锻造盘件具有良好的综合力学性能。
图5 等温锻造FGH95合金盘件
Fig.5 Isothermal forged FGH95 alloy disks
表1 FGH95合金等温模锻件力学性能
Table 1 Properties of isothermal forged FGH95 alloy disk
室温拉伸性能
σ b /MPa
σ 0.2 /MPa
δ 5 /%
Ψ /%
1583~1642
1225~1268
10.9~17.3
14.9~20.4
650 ℃拉伸性能
σ b /MPa
σ 0.2 /MPa
δ 5 /%
Ψ /%
1506~1526
1157~1190
6.6~13.4
14.6~16.8
650 ℃持久性能
应力/MPa
寿命 h:min
δ 5 /%
Ψ /%
1034
79:05~105:20
5.6~7.6
8.97~10.31
593 ℃蠕变性能
应力/MPa
时间h:min
残余变形ε t /%
1034
100: 00
0.054~0.188
538 ℃低周疲劳
频率/Hz
最大应变ε max /%
最小应变ε min /%
循环次数N
0.167
0.78
0.02
5816~109113
参考文献
[1] 俞克兰, 周光核. 盘件用粉末高温合金的发展与应用[A].FGH95粉末高温合金论文集[C].北京:北京航空材料研究所, 1990.1.
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[3] LarsonJM , ThompsonFA , GibsonRC . Insuperalloysmetal lurgyandmanufactureproceedings[A].3rdInternationalSympos iumonSuperalloys[C].1976.483.
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[5] 崔 健, 刘建宇, 李成功. P MRene′95合金缓冷处理与等温变形研究[J].航空材料学报, 1994, 14 (1) :9.
[6] 扈成材, 林 海, 崔 健. 预处理工艺对FGH95合金流动应力的影响[J].航空材料学报, 1996, 16 (4) :13.
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