GH4698高溫合金渦輪盤低倍組織控制研究

文/陳石富，張北江，秦鶴勇，趙光普·鋼鐵研究總院高溫材料研究所

GH4698高溫合金在1025℃至1120℃的溫度范圍內塑性變形后，當塑性變形量大于臨界變形量時：其變形態低倍組織取決于變形量的大小，而與塑性變形溫度無關；熱處理后，熱處理態低倍組織取決于塑性變形溫度，而與塑性變形量無關。當變形量小于臨界變形量時：塑性變形對變形態低倍組織的影響隨變形量的減小而減弱，當變形量接近0時，材料相當于空燒一次。通過優化熱加工工藝參數，順利改善GH4698高溫合金渦輪盤低倍組織問題。

GH4698高溫合金是一種以鋁、鈦、鈮時效強化型鎳基高強度變形高溫合金，主要用于溫度不超過750℃的渦輪盤、導流盤和壓氣機盤等工作條件非常惡劣的高溫轉動部件,此類合金在生產制備過程中低倍粗晶傾向嚴重。而低倍粗晶一方面會導致材料特定力學性能（主要是疲勞性能）下降。另一方面，低倍晶粒尺寸過大或嚴重的低倍晶粒不均勻分布，都會對超聲波檢驗工作的效能產生顯著的不利影響，嚴重情況下會引發超聲波的雜波過高或底波消失等問題，從而導致超聲波無損檢驗工作無法有效實施。因此在變形高溫合金材料的加工生產過程中，必須對其低倍組織狀態進行嚴格控制，確保合金部件出廠檢測的可行性、工作服役期間的可靠性。

變形高溫合金低倍組織的形態主要由熱塑性加工和熱處理工藝條件決定，長期以來，如何獲得均勻細小的低倍組織，始終是在盤軸類鍛件制備工藝制定過程中被重點考慮的因素之一。本研究針對GH4698合金低倍組織控制問題，首先采用試驗合金進行鍛壓試驗，研究熱加工工藝參數對GH4698合金低倍組織的影響機制和規律；隨后根據試驗合金總結出的塑性成形規律，優化GH4698合金渦輪盤生產工藝參數。

試驗材料和方法

試驗用GH4698合金材料取自實際工業生產過程中，用于制備大型燃氣輪機全尺寸渦輪盤鍛件的圓餅坯料，其具體制備工藝流程為：采用真空感應熔煉加真空自耗重熔（VIM+VAR）工藝制備合金鋼錠，鋼錠經均勻化處理后，在快速鍛造液壓機上進行自由鍛造，開坯鍛制直圓棒材，定尺分切后采用模鍛液壓機鐓鍛圓餅，如圖1所示。在圓餅中心處切取直徑300mm圓柱形坯料作為制備本試驗的坯料。在圓柱形坯料上切取異形橫截面的棱柱形試驗坯料（圖2），直線段Slh為該棱柱坯料沿長度方向的中心線，Slh的兩個端點l與h分別為棱柱坯料兩個端面L和H的對稱中心。棱柱坯料橫截面具體尺寸如圖3所示，以下將其簡稱為異形坯。試驗材料化學成分見表1。

表1 鍛造試驗用GH4698高溫合金坯料化學成分/Wt（%）

圖1 GH698高溫合金餅坯

圖2 試驗坯料外形示意圖

圖3 試驗坯料橫截面具體尺寸

在異形坯兩端位置加工直徑6mm的圓孔，并安裝內置熱電偶，圓孔深度應保證電偶到達異形坯的幾何中心線上，將異形坯裝入采用Al2O3纖維與304L不銹鋼板制成的復合隔熱套內，同時保持端面H處于開放狀態，其余所有表面均包覆復合隔熱套，使得當坯料裝入高溫加熱爐內時，這些包覆隔熱套的表面的綜合換熱系數遠遠小于開放端面H的值。隔熱套分為內套和外套，內套厚度較小（20mm），在加熱和鍛壓全過程中一直包覆在異形坯表面，外套隔熱材料厚度較大（大于100mm），可以保證在加熱過程中透過外套輸入的熱量與開放端面H相比可以忽略不計。

試驗過程中，首先將鍛造加熱爐的爐溫加熱至1180℃并保溫，待爐溫穩定后將植入熱電偶l′與h′并包覆隔熱套的異形坯裝入加熱爐中，采用Fluke 2635A數據記錄儀全程記錄熱電偶所采集的數據。當熱電偶h′的實測溫度達到預定值1140℃時（此時熱電偶l′對應的實測溫度為1020℃±5℃），將異形坯取出，脫去外層隔熱套后轉移至等溫鍛造液壓機，采用平板模實施鍛壓，鍛壓方向沿圖3中mn所示方向進行，將異形坯沿mn方向壓至35mm高，完成變形后立即將異形坯脫去內層隔熱套并進行油淬。油淬后的異形坯沿主對稱面解剖，磨光后采用低倍腐蝕液進行表面腐蝕處理。同時在變形油淬后的異形坯主對稱面上切取試片，將其整體在1100℃下固溶處理8小時后油淬，觀察研究熱處理后主對稱面上低倍組織形態的變化情況。

根據試驗合金的低倍組織演變規律，對GH4698高溫合金渦輪盤生產工藝進行優化，采用新工藝在30000t水壓機上鍛造渦輪盤，并對新工藝生產的渦輪盤進行組織評價。

試驗結果及討論

熱鍛造過程中溫度場和應變場分析

當初始溫度為室溫、包覆隔熱套的異形坯被裝入高溫加熱爐時，處于開放狀態的H端面溫度將快速上升，而異形坯的所有其他表面由于隔熱套的存在，通過表面的熱流密度將遠遠小于H端面，可以近似認為處于絕熱狀態。處于l′與h′之間點的溫度僅與材料的導熱系數與密度有關，可以達到很高的精度。而l′與h′之外點的溫度采用外推的方法獲得，其計算精度受到所設定的坯料表面換熱系數的影響，誤差相對較大。

當異形坯沿mn方向被壓縮至35mm高時，通過有限元計算獲得的坯料橫截面上的應變分布如圖4所示，等效應變在0至1.6（對應工程應變從0至80%）的范圍內分布。變形結束時刻的溫度與等效應變分布如圖5所示，其中圖5(a)為溫度分布，根據熱電偶l′與h′采集的數據為邊界條件、采用有限元計算的方法確定。圖5(b)為等效應變分布，與圖4給出的橫截面上的等效應變沿ij方向的分布相對應。圖5是基于平面應變假設給出的計算結果，實際上在臨近異形坯L與H兩端的局部區域，應變分布與位置坐標將偏離圖5的計算結果。若取oo′為x坐標軸，oi為y坐標軸，o為坐標原點，則o點對應的變形溫度為1025℃，等效應變值為1.6，相應地，i′點的變形溫度為1120℃，等效應變值為0.01。

圖4 異形坯壓縮變形后橫截面上的等效應變分布

圖5 溫度分布與等效應變分布

固溶熱處理后低倍組織形態

塑性變形后異形坯固溶處理前后，主對稱面上的低倍組織形態如圖6所示，由圖6可知固溶處理后異形坯主對稱面上低倍組織晶粒尺寸、分布形態較變形態都發生顯著的變化。在特定的變形溫度下，異形坯主對稱面上的低倍晶粒尺寸隨變形量的改變而變化，且存在一個臨界變形量，在該臨界變形量處低倍組織形態發生顯著的變化，變形量小于臨界變形量時，低倍組織形態接近原始狀態。但這一臨界變形量隨變形溫度的改變而變化。總之，異形坯固溶熱處理后低倍組織形態取決于變形溫度和變形量，但變形溫度為主導因素。

GH4698高溫合金渦輪盤鍛件加工

重新設計渦輪盤的加工生產工藝，將坯料加熱溫度從1130℃降低至1090℃；增加保溫套包覆的GH4698高溫合金渦輪盤坯料的保溫時間，進一步提高坯料溫度的均勻性，同時優化鍛壓模具的結構，以實現渦輪盤各區變形量的合理分配。圖7為改進工藝后渦輪盤鍛件上輪緣、輻板、輪轂各部位低倍組織，由圖7可知輪緣部位低倍晶粒直徑小于1mm，其他各部位的低倍晶粒直徑小于0.5mm，其中輪緣部位低倍晶粒尺寸略大，與該部位總變形量較大、溫升效應較明顯直接相關。

圖6 異形坯主對稱面上的低倍組織形態

圖7 改進工藝后GH4698合金渦輪盤鍛件熱處理后低倍組織

研究結果證實，采用新工藝生產的鍛件與前期生產的鍛件相比，渦輪盤低倍組織粗晶得到了有效的改善，低倍晶粒尺寸的分散性也得到有效的控制，鍛件上的低倍組織分區現象也基本消除。超聲波測試表明，低倍組織形態的改善使得超聲波探傷效能大幅度提高，盤件性能均勻性得到明顯改善，成功解決了該鍛件的低倍組織質量問題。

結束語

制備工藝參數決定了GH4698合金固溶處理后低倍組織形態，且在任意一個特定的塑性變形條件下，合金均存在一個臨界變形量，當變形量大于該臨界變形量時,熱處理低倍組織取決于塑性變形溫度，而與塑性變形量無關；當變形量小于臨界變形量時，塑性變形對低倍組織的影響隨變形量的減小而減弱，當變形量接近0時，材料相當于空燒一次，低倍組織取決于塑性變形溫度，而與塑性變形量無關。

根據試驗合金研究總結出的塑性成形規律優化GH4698合金渦輪盤坯料鍛前加熱溫度、時間和模具結構，順利解決了渦輪盤的低倍組織質量問題。