稀有金属 2012,36(02),184-190
GH690合金热加工图及管材热挤压实验研究
彭海健 李德富 郭青苗 郭胜利 胡捷
北京有色金属研究总院加工事业部
摘 要:
采用Gleeble-3500热模拟试验机进行高温等温压缩实验,研究了GH690合金在变形温度为950~1200℃、应变速率为0.001~10.000 s-1条件下的热变形行为,利用动态材料模型构建了GH690合金热加工图,并基于加工图进行GH690合金管材热挤压实验。结果表明:GH690合金有应力峰和动态再结晶软化的特征,在ε≥0.4时,流动应力趋于稳定状态;在热加工图中变形温度为1100~1150℃、应变速率为1.0~2.5 s-1时功率耗散效率达到0.34~0.39,该区域对应的工艺参数适合于进行GH690合金管材热挤压;在热加工图中变形温度为950~1000℃,应变速率在0.94~10.00 s-1之间的区域为不稳定变形区域,热加工时应该避开这一区域。
关键词:
GH690合金;加工图;管材;挤压;
中图分类号: TG379
作者简介:彭海健(1982-),男,江西九江人,博士研究生,工程师;研究方向:有色金属材料加工;李德富(E-mail:lidf@grinm.com);
收稿日期:2011-07-04
基金:国家自然科学基金;宝山钢铁股份有限公司联合资助项目(50834008);
Processing Map and Tube Hot Extrusion of GH690 Alloy
Abstract:
The hot deformation behavior of GH690 alloy was studied by isothermal compression tests in the temperature range of 9501200 ℃ and strain rate range of 0.00110.000 s-1 on Gleeble-3500 thermo-simulation machine.The processing map of this alloy was established on the basis of dynamic material model,and the hot extrusion process of GH690 alloy tube based on the processing map was investigated.The results showed that there existed stress peak and dynamic recrystallization softening characteristics in GH690 alloy,in which the flow stress tended to be stable when the strain was more than 0.4.A region with efficiency of power dissipation of 0.340.39 could be observed in the processing map in the temperature range of 11001150 ℃ and strain rate range of 1.02.5 s-1,and the process parameters of this region was suitable for the hot extrusion of GH690 alloy tube.There was a flow instability region in the processing map which occurred roughly in temperature range of 9501000 ℃ and strain rate range of 0.9410.00 s-1,and this region should be avoided in the hot deformation process of GH690 alloy.
Keyword:
GH690 alloy;processing maps;tube;extrusion;
Received: 2011-07-04
GH690合金是一种铬含量为30%左右的镍基变形高温合金,是在Inconel 600合金(Cr含量15.5%)的基础上增加Cr含量发展起来的,它在各种高温水溶液中均具有优良的耐晶间腐蚀和抗应力腐蚀开裂能力[1,2,3,4],非常适用于制造核工业中蒸汽发生器的传热管。20世纪80年代末期,法国首先采用高耐腐蚀性的690合金替代Inconel600合金作为新一代的蒸汽发生器传热管材料,美国和日本也相继使用,应用效果良好[5],我国大亚湾核电站的蒸汽发生器也采用了法国提供的690合金管。
目前国内核工业中蒸汽发生器使用的传热管基本依靠进口,随着近年来对其国产化的迫切需求,国内进行了大量研究,例如刘素娥等[6]研究了690合金的成分和显微组织对腐蚀行为的影响;张松闯和朱红等[7,8]研究了冷变形、固溶处理对Inconel 690合金力学行为与组织的影响;王怀柳[9]通过挤压实验研究了GH690合金热挤压工艺。但是在GH690合金热成型加工方面的基础研究工作还不够深入。通过参考相近的Inconel系列合金热加工图的研究文献[10,11],本文试图通过在Gleeble 3500热模拟试验机上进行高温等温压缩实验,获得GH690合金的真应力-真应变关系曲线,根据动态材料模型(DMM)建立GH690合金的加工图,并基于加工图进行GH690合金管材热挤压工艺实验,从而为实际生产中制定、优化GH690合金管材热挤压工艺提供一定的参考依据。
1 实验
1.1 材料
GH690合金热压缩实验材料采用热锻直径为15 mm的棒材,其化学成分如表1所示。材料经1060℃、保温30 min固溶处理后,机械加工成Φ8 mm×12 mm的圆柱形试样,其显微组织为均匀的等轴晶粒,平均晶粒尺寸约45μm,如图1所示。GH690合金热挤压实验材料采用热锻直径为120 mm的棒材,经过电火花穿孔、线切割内圆,然后机加工成外径116.4 mm,内径44.8 mm,高150 mm的挤压坯料。
图1 GH690合金锻棒退火后的金相组织Fig.1Optical microstructures of the annealed GH690 alloy forging bar
1.2 方法
采用Gleeble-3500热模拟试验机进行等温恒应变速率压缩实验,实验温度为950,1000,1050,1100,1150和1200℃,应变速率为0.001,0.010,0.100,1.000和10.000 s-1,真应变为0.7。试样以10℃·s-1的速度加热到预设温度保温3 min后进行压缩实验,压缩完成后立即水冷到室温。
采用16.3MN挤压机进行GH690合金热挤压实验,挤压比为5,使用玻璃润滑剂进行润滑。
对于热压缩试样,采用线切割沿轴向中心剖开制备金相样品;对于挤压管材,采用线切割分别在头部,距头部1/3距离处、尾部取样制备金相样品。样品经研磨抛光后利用10 ml H2SO4+100 ml HCl+10 g无水Cu SO4粉末配制成的混合溶液进行腐蚀,在Axiovert 200MAT光学金相显微镜上观察合金的金相组织。
2 结果与讨论
2.1 真应力-真应变曲线
通过计算机采集数据,获得GH690合金热压缩变形时的变形温度、应变速率、真应变和流变应力等数据,绘制出不同条件下GH690合金的热压缩变形真应力-真应变曲线,如图2所示。从图中可以看出,各个温度和应变速率条件下的真应力–真应变曲线均是真应力快速增长达到峰值后逐渐降低达到一个稳定值,在ε≥0.4时,流动应力趋于稳定状态。这种应力应变曲线变化趋势符合低层错能金属的流变特征,表明在热变形过程中发生了动态再结晶[12]。从图2中还可以看出,GH690合金的流变应力随变形温度的升高而降低,随着应变速率的增加而升高,属于正应变速率敏感材料[13,14,15]。
2.2 GH690合金的加工图
在GH690合金高温压缩真应力-真应变曲线上,采集真应变为0.7时不同应变速率和变形温度下的流变应力值。在一定温度下,利用三次函数拟合
的关系式,如公式(1)所示,回归求得常数a,b,c,d。根据公式(2),可以计算出该温度下应变率敏感指数m,然后根据公式(3),可以求得功率耗散效率η,通过插值的方法可以得到GH690合金的功率耗散效率图。根据公式(4),可以计算出
值,通过插值的方法可以得到GH690合金的失稳图。将失稳图叠加到功率耗散图上,得到GH690合金真应变为0.7时的加工图,如图3所示。
表1 GH690合金化学成分(%,质量分数)Table 1 Chemical composition of GH690(%,mass fraction) 下载原图
表1 GH690合金化学成分(%,质量分数)Table 1 Chemical composition of GH690(%,mass fraction)
图2 GH690合金热压缩变形时的真应力-真应变曲线Fig.2 True stress-strain curves of GH690 alloy obtained from hot compression test at different pre-set temperatures and strain rates
(a)0.001 s-1;(b)0.010 s-1;(c)0.100 s-1;(d)1.000 s-1;(e)10.000 s-1
在加工图中,等高线数值表示功率耗散效率η,阴影区域代表失稳区
值为负数)。加工图中存在一小块失稳区和一个功率耗散效率峰值区。失稳区在温度950~1000℃和应变速速率为0.94~10.00 s-1的区域;功率耗散效率峰值区在温度1050~1125℃和应变速速率为0.05~0.60s-1的区域,其功率耗散效率峰值为0.39。根据加工图,适合GH690合金进行热加工的区域为温度1025~1200℃和应变速率为0.01~2.80 s-1的区域,其对应的功率耗散效率η为0.34~0.39。
图4是加工图中功率耗散效率η为0.34~0.39区条件下试样的典型金相组织,可见试样均已发生了完全动态再结晶,获得了均匀的动态再结晶组织。从图4中还可以看出,GH690合金的动态再结晶晶粒尺寸随应变速率的增加而减小,随变形温度的增大而增大。为实现晶粒细化,需要提高应变速率和降低变形温度,但这两种方式都会引起变形抗力的增加,如图2所示。因此综合考虑GH690合金热变形时的变形抗力,动态再结晶晶粒尺寸和功率耗散效率,选择GH690合金的热加工温度范围为1100~1150℃,应变速率为1.0~2.5 s-1。
图3 GH690合金真应变0.7时的加工图Fig.3Processing map for GH690 alloy obtained at a strain of 0.7
图5是加工图中失稳区条件下试样的典型金相组织。在变形温度950℃,应变速率为10.000 s-1的条件下,金相组织为混晶组织,由细小的动态再结晶晶粒和拉长的原始晶粒组成。这样的组织在热加工过程中是不希望出现的,因此,在选择GH690合金热加工工艺参数时必须避开失稳区。
2.3 GH690合金管材热挤压
GH690合金管材热挤压实验在16.3 MN挤压机上进行。基于GH690合金热压缩的实验结果,选择GH690合金的挤压温度为1100~1150℃,应变速率为1.5~2.5 s-1。另外考虑到挤压时将坯料从加热炉转移至挤压筒需要约1 min的时间,并且挤压筒、模具、挤压针和垫片的预热温度较低,坯料会有较大的温降,因此将坯料的预热温度提高50~100℃,设为1200℃,GH690合金挤压工艺参数如表2所示。
在上述条件下成功地挤压出GH690合金管材(外径Φ66 mm,内径Φ42.5 mm),挤压出的管材无裂纹,表面质量好,如图6所示。
图7~9分别为挤压管材头部、距头部1/3距离处、尾部的纵截面组织,可见挤压管材在挤压变形过程中发生了动态再结晶,但在管材的不同部位均不是完全动态再结晶,而且其组织在管材截面与长度方向上都不均匀。在管材头部纵截面的大部分区域均只发生了部分再结晶;在管材距头部1/3距离处,只在距离管材内壁小于1 mm的区域为部分再结晶,其他区域均已发生了完全动态再结晶,获得了细小的动态再结晶组织;而在管材尾部截面上,在距离管材内壁小于2~3 mm的区域为部分再结晶,其他区域均已发生了完全动态再结晶。
在GH690合金挤压管材的头部,由于挤压变形时金属流动的固有特点,挤压坯料头部的变形程度较小;另外由于挤压坯料与预热温度为350℃的挤压模具和预热温度较低的挤压针接触使其温度降低较快,从而导致挤压管材的头部发生再结晶的程度较小,并且沿壁厚方向按外层、中间、内层区域的顺序,其动态再结晶体积分数逐渐减小。
图6 GH690合金挤压管材Fig.6 Extruded tube of GH690 alloy
表2 GH690合金挤压工艺参数Table 2 Extrusion process parameters of GH690 alloy 下载原图
表2 GH690合金挤压工艺参数Table 2 Extrusion process parameters of GH690 alloy
图9 挤压管材尾部纵截面组织Fig.9 Longitudinal section microstructure of the tail of GH690 alloy extruded tube
(a)Inside layer;(b)Middle layer;(c)Outer layer
在管材距头部1/3距离处,由于在挤压变形时处于稳态挤压阶段,其变形程度较为均匀,但在管材内壁处,由于与预热温度较低的挤压针接触,挤压坯料的内表面存在较大的温降,从而导致距离管材内壁小于1 mm的区域只发生了部分再结晶,而其他区域均已发生了完全动态再结晶,获得了细小的动态再结晶组织。
在GH690合金挤压管材的尾部,挤压坯料与挤压针、挤压筒和挤压垫接触,并且接触时间更长,其温降与距头部1/3距离处相比更大,从而导致距离管材内壁小于2~3 mm的区域只发生了部分再结晶,而其他区域均已发生了完全动态再结晶。
GH690合金挤压后管材可以通过切头、去尾,并对管材内壁进行少量机加工的方法,获得具有完全动态再结晶组织的挤压管材。因此,在实际生产中还需要进一步优化GH690合金的热挤压工艺,改善润滑条件,减小GH690合金挤压管材中发生部分再结晶的区域,从而减小切头、去尾和管材内壁机加工,提高材料利用率。
3 结论
1.GH690合金热压缩真应力-真应变曲线有应力峰和动态再结晶软化的特征,在ε≥0.4时,流动应力趋于稳定状态。GH690合金的流变应力随变形温度的升高而降低,随着应变速率的增加而升高,属于正应变速率敏感材料。
2.在温度1025~1200℃和应变速率为0.01~2.80 s-1的区域,GH690合金发生了完全动态再结晶,其功率耗散效率为0.34~0.39。综合考虑GH690合金热变形时的变形抗力,动态再结晶晶粒尺寸和功率耗散效率,选择GH690合金热加工的温度范围为1100~1150℃,应变速率为1.0~2.5 s-1。GH690合金管材热挤压实验表明,在上述条件下成功地挤压出GH690合金管材,挤压出的管材无裂纹,表面质量好。
3.从热加工图中得到了一个不稳定变形区域,即温度在950~1000℃,应变速率在0.94~10.00s-1之间的区域。热加工时应该避开这一区域。
参考文献
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